PPT《第5章 热电偶传感器》

第5章 热电偶传感器 5.

1 热电偶工作原理 5.1.1 热电偶工作原理 1.热电效应 将两种不同成分的导体组成一个闭合回路,当闭合回路的两个接点分别置于不同温度场中时,回路中将产生一个电动势.这种现象被称为 热电效应 .两种导体组成的回路被称为 热电偶 ,这两种导体被称为 热电极 ,产生的电动势则被称为 热电动势 .热电偶的两个工作端分别被称为热端和冷端. 图5.1 热电偶回路 2.接触电动势 当A和B两种不同材料的导体接触时,在A与B两导体的接触处产生的电位差,称为接触电动势.eAB(t) =UA(t)-UB(t)eAB(t0) =UA(t0)-UB(t0) 接触电动势的大小与接点处温度高低和导体的电子密度有关.温度越高,接触电动势越大;

两种导体电子密度的比值越大,接触电动势越大. 3.温差电动势, 若将导体A或B的两端分别置于不同的温度场t、t0中(t >

t0),在导体两端便产生了电位差,将该电位差称为温差电动势.eA (t,t0) =UA(t)-UA(t0)eB(t,t0) =UB(t)-UB(t0) 温差电动势的大小与导体的电子密度及两端温度有关. 4.热电偶回路的总电势 热电偶回路的总电势为 EAB(t,t0)=eAB(t)CeAB(t0)CeA(t,t0)CeB(t,t0) 一般地,在热电偶回路中接触电动势远远大于温差电动势,所以温差电动势可以忽略不计 EAB(t,t0)=eAB(t)-eAB(t0)热电偶回路中热电势的大小,只与组成热电偶的导体材料和两接点的温度有关,而与热电偶的形状尺寸无关.当热电偶两电极材料固定后,热电动势便是两接点温度为t和t0时的函数差,即EAB(t,t0)=f(t)-f(t0)如果使冷端温度t0保持不变,则热电动势便成为热端温度t的单一函数,即EAB(t,t0)=f(t)-C=φ(t)用实验方法求取这个函数关系.通常令t0=0℃,然后在不同的温差(t - t0)情况下,精确地测定出回路总热电动势,并将所测得的结果列成表格(称为热电偶分度表),供使用时查阅. 5.1.2 热电偶的基本定律 1.均质导体定律 如果热电偶回路中的两个热电极材料相同,无论两接点的温度如何,热电势均为零. 2.中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种导体,只要第三种导体和原导体的两接点温度相同,则回路中总的热电动势不变. 3.标准电极定律 如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动势已知,则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就已知. 4.中间温度定律 热电偶在两接点温度t、t0 时的热电动势等于该热电偶在接点温度为t、tn和tn、t0时的相应热电动势的代数和.EAB(t,t0)= EAB(t,tn)+ EAB(tn,t0) 5.2 热电偶的材料、结构及种类 5.2.1 热电偶材料 根据金属的热电效应原理,组成热电偶的热电极可以是任意的金属材料,但在实际应用中,用作热电极的材料应具备如下几方面的条件:1)测量范围广.2)性能稳定.3)化学性能好. 5.2.2 热电偶结构 1.普通工业热电偶的结构 热电极、绝缘管、 保护套管、接线盒 2.铠装热电偶 由金属套管、绝缘材料和热电极经焊 接密封和装配等工艺制成的坚实的组合体. 1―测量端;

2―热电极;

3―绝缘食管;

4―保护管;

5―接线盒图5.4 普通工业热电偶结构 5.2.3 热电偶种类及分度表 1.标准型热电偶 -270~400 WRC T (CK) 铜-铜镍(康铜) -210~760 ― J (JC) 铁-铜镍(康铜) -270~800 WRK E (EA-2) 镍铬-铜镍(康铜) -270~1370 ― N 镍铬硅-镍硅 -270~1370 WRN K (EU-2) 镍铬-镍硅 -50~1768 WRP S (LB-3) 铂铑10-铂-50~1768 ― R (PR) 铂铑13-铂50~1280 WRR B (LL-2) 铂铑30-铂铑6 测温范围(?C) 代号 新(旧)分度号 名称2.非标准型热电偶 非标准型热电偶包括铂铑系、铱铑系及钨铼系热电偶等. 3.薄膜热电偶 薄膜热电偶是由两种金属薄膜连接而成的一种特殊结构的热电偶. 5.3 热电偶的冷端补偿 1.冷浴法 将热电偶的冷端置于温度为0℃的恒温器内(如冰水混合物),使冷端温度处于0℃.这种装置通常用于实验室或精密的温度测量. 2.补偿导线法 所谓补偿导线,实际上是一对材料的化学成分不同的导线,在0~150℃温度范围内与配接的热电偶有一致的热电特性,但价格相对要便宜.利用补偿导线,将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所(如仪表室),其实质是相当于将热电极延长. 3.计算修正法 EAB(t,0)=EAB(t,t1)+EAB(t1,0) 【例5.2】用镍铬-镍硅热电偶测炉温,当冷端温度为30℃(且为恒定时)测出热端温度为t时的热电动势为39.17mV,求炉子的真实温度. 4.补偿电桥法 补偿电桥法利用不平衡电桥产生的不平衡电势来补偿因冷端温度变化引起的热电动势变化值,可以自动地将冷端温度校正到补偿电桥的平衡点温度上. 5.显示仪表零位调整法 如果热电偶冷端温度已知且恒定,则可预先将有零位调整器的显示仪表的指针从刻度的初始值调至已知的冷端温度值上,这时显示仪表的示值即为被测量的实际温度值. 1-热电偶;