第7章热电偶传感器.ppt
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1、第七章 热电偶传感器,热电偶传感器基于热电效应原理而工作。属于有源传感器,使用时不需要外加电源,可以方便地测量炉子、管道中的气体或液体温度,也可以测量固体表面温度。 结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯性小、便于远距离传送。,与热电阻的主要区别: 1、原理不同信号性质不同:热电阻是阻值的变化,而热电偶是热电动势的变化。 2、测温范围:热电阻适用于测低温,而热电偶适用于高温测量 3、材料不同:热电阻是金属材料,而热电偶是双金属材料。,结论:当两个结点温度不相同时,回路中将产生电动势。,热电极A,右端称为:自由端(参考端、冷端),左端称为:测量端(工作端、热端),热电极B,热电势,A,B,1
2、.两种不同导体 2.接成闭合回路 3.两个接点处温度不同,回路中会产生热电动势。,热电极,热电偶,工作端(热端)、自由端(冷端),第一节 热电偶的工作原理,一、热电效应,从实验到理论:热电效应(塞贝克效应),1821年,德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路,并用酒精灯加热其中一个接触点(称为结点),发现放在回路中的指南针发生偏转(说明什么?),如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热,指南针的偏转角反而减小(又说明什么?) 。 显然,指南针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回路中流动,电流的强弱与两个结点的温差有关。,热电动势 (电荷扩散),温差电动势: 同一导体上因两端温度不同引起。
3、接触电动势: 两种不同导体的接触引起。,热电偶回路总电动势,热电偶回路中的温差电动势很小,忽略之,可得,结论:,热电偶回路中热电动势的大小:(1)取决于两接点间的温度差,(2)取决于两种不同电极的材料。与热电偶的形状尺寸无关。,如果冷端温度t0不变,被测温度t可通过温差电动势获得。,其顺序表示电动势的方向,即由正到负,很小,二、热电偶基本定律,1.均质导体定律:如果构成热电偶的两种材料相同,不会产生热电动势。 利用该定律,可以检查两种热电极材料是否相同,或一种热电极材料是否均匀。 2.中间导体定律:断开热电偶回路,接入第三种导体,只要两个新接入点等温,则回路总热电动势不变。 该定律说明在回路中
4、接入各种仪表,不会影响结果。 3.标准电极定律:如果已知两种导体分别对第三种导体的热电动势,则前两种导体之间的热电动势可求。 简化了各种金属间组成的热电偶的热电动势的测量。,4.中间温度定律: 如热电偶在两端接点温度t、t0时的热电动势为 在两端接点温度t、tn时的热电动势为 在两端接点温度tn、t0时的热电动势为,则:,根据该定律,热电偶本身的导线如果不够长,可以用同样性质(同样热电特性)的补偿导线加以延长。延长后的热电动势与延长线的中间温度无关,只与延长后的两端温度有关。,第二节 热电偶材料、结构和种类,对制成热电偶的材料的要求: (1)温度测量范围广,温度线性度好,测量精确度高,输出热电
5、动势大。 (2)热电性能稳定。 (3)物理化学性能好。不蒸发、抗氧化等。 我国标准热电偶有六种: 铜-康铜 镍铬-考铜 镍铬-镍硅 镍铬-镍铝 铂铑10-铂 铂铑30-铂铑6 非标准热电偶: 铂铑13-铂 铂铑-铱 等 发展中产品: 镍铬-康铜 铁-康铜,一、热电偶材料,铑质量的百分比,用于制造铂热电偶的各种铂热电偶丝,八种国际通用热电偶: B:铂铑30铂铑6 、R:铂铑13铂 、S:铂铑10铂 、 K:镍铬镍硅 、N:镍铬硅镍硅 、E:镍铬铜镍、 J:铁铜镍 、 T:铜铜镍,1.普通工业热电偶的结构 (1)热电极(偶丝) 普通的直径为0.53.2mm 贵重的直径为0.30.6mm 长度为30
6、02000mm,一般350mm (2)绝缘管 对热电极间、热电极与保护套管间 进行绝缘保护。 (3)保护套管 保护热电偶感温元件免受被测介质 化学腐蚀和机械损伤 (4) 接线盒 固定接线座和作为连接补偿导线的装置。 有普通式、防溅式、防水式和接插座式。,二、热电偶结构,普通装配型热电偶的外形,安装螺纹,安装法兰,普通装配型热电偶的结构放大图,接线盒,引出线套管,固定螺纹 (出厂时用塑料包裹),热电偶工作端(热端),不锈钢保护管,铠装型热电偶,制造工艺:把热电极材料与高温绝缘材料预置在金属保护管中、运用同比例压缩延伸工艺、将这三者合为一体,制成各种直径、规格的铠装偶体,再截取适当长度、将工作端焊
7、接密封、配置接线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。 特点:铠装热电偶可以制作得很细,能解决微小、狭窄场合的测温问题,且具有抗震、可弯曲、超长等优点。使用寿命长、机械性能好、耐高压、具有可挠性,因此应用广泛。,根据被测介质的温度、化学性质以及所需时间常数,其测量端有5种形式 (1)露端型:测量温度不高、无腐蚀性的介质,时间常数小、反映速度快。 (2)接壳型:测量温度高、压力高、腐蚀性较强的介质,时间常数较露端型大,寿命也较露端型长。 (3)绝缘型:使用范围同上,具有电气绝缘性能。 (4) 圆变截面型:时间常数小。 (5) 扁变截面型:时间常数最小。,铠装型热电偶外形,法兰,铠装型热电偶可 长达上百
8、米,薄壁金属 保护套管(铠体),铠装型热电偶横截面,隔爆型热电偶外形,厚壁保护管,压铸的接线盒,电缆线,隔爆型热电偶,结构特点:隔爆热电偶的接线盒在设计时采用防爆的特殊结构,它的接线盒是经过压铸而成的,有一定的厚度、隔爆空间,机构强度较高;采用螺纹隔爆接合面,并采用密封圈进行密封,因此,当接线盒内一旦放弧时,不会与外界环境的危险气体传爆,能达到预期的防爆、隔爆效果。 使用场合:工业用的隔爆型热电偶多用于化学工业自控系统中(由于在化工生产厂、生产现场常伴有各种易燃、易爆等化学气体或蒸汽,如果用普通热电偶则非常不安全、很容易引起环境气体爆炸)。,其他热电偶外形,小形K型热电偶,二、热电偶种类,1.
9、标准型热电偶,(1)铂铑30-铂铑6 分度号B 01700度 (2)铂铑10-铂 分度号S 0-1600度 (3)镍铬-镍硅 分度号K -200-1200度 (4) 镍铬-康铜 分度号E -200-900度 (5) 铁-康铜 分度号J -200-750度 (6) 铜-康铜 分度号T -200-350度,标准热电偶的热电动势见表7-1。,2.非标准型热电偶 铂铑系、铱铑系、钨铼系热电偶,用于高温测量,可达2500度。,贵金属 热电偶,廉金属 热电偶,几种常用热电偶的测温范围及热电势,5种热电偶的测温范围与热电势各有什么特点?,几种常用热电偶的热电势与 温度的关系曲线分析,哪几种热电偶的测温上限较
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