热电偶传感器及其应用.ppt
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第第55章章热电偶传感器及其应用热电偶传感器及其应用本章学习的主要内容有本章学习的主要内容有:
1、理解热电偶的工作原理;、理解热电偶的工作原理;热电偶的分类及特点;热电偶的分类及特点;2、热电偶的冷端补偿和测温电路。
、热电偶的冷端补偿和测温电路。
3、热电偶的应用及配套仪表。
、热电偶的应用及配套仪表。
2022/11/71热电偶是工程上应用最广泛的热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器温度传感器。
它构。
它构造简单造简单,使用方便使用方便,具有较高的准确度、稳定性具有较高的准确度、稳定性及复现性及复现性,温度测量范围宽温度测量范围宽,在温度测量中占有在温度测量中占有重要的地位。
重要的地位。
热电偶传感器是一种能将热电偶传感器是一种能将温度温度转换为转换为电动势电动势的装的装置。
置。
2022/11/72先看一个实验先看一个实验热电偶工作原理演示热电偶工作原理演示:
2022/11/73结论:
当两个结点温度不相同时,回路中将产生电动势。
结论:
当两个结点温度不相同时,回路中将产生电动势。
热电极热电极AA5.15.1热电偶的工作原理热电偶的工作原理热电极热电极BB热电势热电势AB从实验到理论:
从实验到理论:
热电效应热电效应18211821年,德国物理学家年,德国物理学家赛贝克赛贝克用两种不同金属组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),发现放在回路中的为结点),发现放在回路中的指针发生偏转指针发生偏转(说明(说明什么?
),如果用两盏酒精灯对两个结点什么?
),如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热,同时加热,指针的偏转角反而减小指针的偏转角反而减小(又说明什么?
)。
(又说明什么?
)。
显然,指针的偏转说明回路中有电动势产生并有显然,指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电流在回路中流动,电流的强弱与两个结点的温差温差有关。
有关。
2022/11/742022/11/75一、工作原理一、工作原理11热电效应热电效应将将两种不同材料的导体两种不同材料的导体串接成一个闭合回路。
串接成一个闭合回路。
如果如果两接合点的温度不同两接合点的温度不同(TT(TT00),则在两者间,则在两者间将产生电动势将产生电动势(热电势热电势),而在回路中就会有一,而在回路中就会有一定大小的电流,这种现象称为定大小的电流,这种现象称为热电效应热电效应或或塞贝塞贝克效应克效应。
2022/11/76两种不同材料的导体组成的回路称为两种不同材料的导体组成的回路称为“热电偶热电偶”,组成热电偶的导体称为组成热电偶的导体称为“热电极热电极”。
热电偶产生的。
热电偶产生的电势称为电势称为热电势热电势。
左端称为:
左端称为:
测量端、测量端、工作端、工作端、热端。
热端。
右端称为:
右端称为:
自由端、自由端、参考端、参考端、冷端。
冷端。
热电极热电极AA热电极热电极BB理论分析表明:
理论分析表明:
热电偶产生的热电动势是由两种导体的热电偶产生的热电动势是由两种导体的接触接触电动势电动势和单一导体和单一导体温差电动势温差电动势两部分组成。
两部分组成。
2022/11/772022/11/78不同的金属材料其自不同的金属材料其自由电子的密度不同。
由电子的密度不同。
设导体设导体AA、BB的自由电的自由电子密度为子密度为nnAA、nnBB,若若nnAAnnBB由于两种不同导体的自由电子密度不同,在接由于两种不同导体的自由电子密度不同,在接触处会发生触处会发生自由电子的扩散自由电子的扩散形成的电动势。
形成的电动势。
22接触电动势接触电动势导体导体AA因失去电因失去电子而带正电子而带正电导体导体BB则因获得则因获得电子而带负电电子而带负电接触面处接触面处形成电场形成电场2022/11/79该电场的存在阻碍了电子的继续扩散,当电子扩散该电场的存在阻碍了电子的继续扩散,当电子扩散达到动态平衡时,就在接触区形成一个稳定的电位达到动态平衡时,就在接触区形成一个稳定的电位差,即差,即接触电动势接触电动势,其大小为:
,其大小为:
TT接触处的绝接触处的绝对温度;对温度;kk波尔兹曼常波尔兹曼常数(数(k=1.38k=1.381010-2323J/KJ/K)ee电子电荷(电子电荷(ee=1.6=1.61010-19-19CC)接触电动势的数值取决于两种导体的接触电动势的数值取决于两种导体的性质性质和和接接触点的温度触点的温度,而与导体的形状及尺寸无关。
,而与导体的形状及尺寸无关。
2022/11/710高温端的自由电子高温端的自由电子具有较大的动能而具有较大的动能而向低温端扩散。
向低温端扩散。
在在同一导体同一导体中,由于中,由于温度不同温度不同而产生的一种电动势。
而产生的一种电动势。
33同一导体中的温差电动势同一导体中的温差电动势高温端因失去高温端因失去电子而带正电电子而带正电低温端因获得低温端因获得电子而带负电电子而带负电中间形成中间形成电位差电位差上述运动就形成一个静电场,该静电场阻止电子继续上述运动就形成一个静电场,该静电场阻止电子继续向低温端迁移,最后达到动态平衡。
因此向低温端迁移,最后达到动态平衡。
因此,在导体两在导体两端便形成端便形成温差电动势温差电动势,其大小由下面公式给出:
其大小由下面公式给出:
2022/11/711:
汤姆逊系数,表示导体汤姆逊系数,表示导体AA两端的温度差为两端的温度差为11时所产生的温差电动势。
时所产生的温差电动势。
2022/11/712热电偶回路中总的热电势应是热电偶回路中总的热电势应是接触电动势接触电动势与与温差电温差电动势动势之和:
之和:
接触电动势接触电动势温差电动势温差电动势2022/11/713在总热电势中在总热电势中,温差电势比接触电势小很多温差电势比接触电势小很多,在精度要求在精度要求不高的情况下不高的情况下,热电偶的热电势可近似表示为:
热电偶的热电势可近似表示为:
AB(T,T0)eAB(T)-eAB(T0)对于已选定的热电偶对于已选定的热电偶,当参考端温度当参考端温度TT00恒定时恒定时,e,eABAB(T(T00)为为常数常数,则则总的热电动势就只与温度总的热电动势就只与温度TT成单值函数关系成单值函数关系,即:
即:
AB(T,T0)=eAB(T)-C=f(T)实际应用中实际应用中,热电势与温度之间关系是通过热电偶分度表热电势与温度之间关系是通过热电偶分度表来确定的。
来确定的。
分度表分度表是在参考端温度为是在参考端温度为00时时,通过实验建立通过实验建立起来的热电势与工作端温度之间的数值对应关系。
起来的热电势与工作端温度之间的数值对应关系。
2022/11/714热电偶回路的热电偶回路的几点结论几点结论:
如果构成热电偶的两个热电极为材料相同的均质导体,如果构成热电偶的两个热电极为材料相同的均质导体,则无论两结点温度如何,热电偶回路内的总热电势为零。
则无论两结点温度如何,热电偶回路内的总热电势为零。
必须采用两种不同的材料作为热电极必须采用两种不同的材料作为热电极。
如果热电偶两结点温度相等,热电偶回路内的总电如果热电偶两结点温度相等,热电偶回路内的总电势亦为零。
势亦为零。
两结点温度不同两结点温度不同。
热电偶热电偶ABAB的热电势与的热电势与AA、BB材料的中间温度无关,只材料的中间温度无关,只与结点温度有关。
与结点温度有关。
起主要作用的是两个结点的起主要作用的是两个结点的接触电动势接触电动势。
热电偶测温的主要优点热电偶测温的主要优点11、它它属属于于自自发发电电型型传传感感器器:
测测量量时时可可以以不不需需外外加电源,可直接驱动动圈式仪表;加电源,可直接驱动动圈式仪表;22、测测温温范范围围广广:
下下限限可可达达-270-270CC,上上限限可可达达18001800CC以上;以上;2022/11/7152022/11/716二、二、热电偶定律热电偶定律11中间导体定律中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导线,只要这在热电偶回路中接入第三种材料的导线,只要这第三种材料的导体第三种材料的导体两端温度相同两端温度相同,第三种材料导,第三种材料导线的引入不会影响热电偶的热电动势,这一性质线的引入不会影响热电偶的热电动势,这一性质称为称为中间导体定律中间导体定律。
EEABCABC(T,T(T,T00)=e)=eABAB(T)+e(T)+eBCBC(T(T00)+e)+eCACA(T(T00)=e=eABAB(T)-e(T)-eABAB(T(T00)=E=EABAB(T,T(T,T00)2022/11/717eeABAB(T)(T)eeBCBC(T(T00)eeCACA(T(T00)2022/11/718在热电偶回路中接入第三种材料的导体,在热电偶回路中接入第三种材料的导体,只要第只要第三种导体两端的温度相等三种导体两端的温度相等,则对热电偶回路总的,则对热电偶回路总的热电动势无影响。
热电动势无影响。
利用热电偶进行测温利用热电偶进行测温,必须在回路中引入连接必须在回路中引入连接导线和仪表。
导线和仪表。
请问请问:
接入导线和仪表后会不会影响回路中的接入导线和仪表后会不会影响回路中的热电势呢?
热电势呢?
CCmVAABBtt11tt22tt222022/11/71922参考电极定律参考电极定律(标准电极定律)当结点温度为当结点温度为t,tt,t00时,用导体时,用导体A,BA,B组成的热电偶的热电组成的热电偶的热电动势等于动势等于ACAC热电偶和热电偶和CBCB热电偶的热电动势的代数和。
热电偶的热电动势的代数和。
在实际应用中,由于在实际应用中,由于纯铂丝的物理化学性纯铂丝的物理化学性能稳定、熔点高、易能稳定、熔点高、易提纯,所以目前常用提纯,所以目前常用纯铂丝纯铂丝作为标准电极作为标准电极(C(C极极)。
参考电极参考电极的实用价值:
参考电极的实用价值:
它可大大简化热电偶的选配工作。
它可大大简化热电偶的选配工作。
实际测温中,只要获得有关热电极与实际测温中,只要获得有关热电极与参考电极参考电极配配对时的热电势值,那么任何两种热电极配对时的对时的热电势值,那么任何两种热电极配对时的热电势均可按公式而无需再逐个去测定。
热电势均可按公式而无需再逐个去测定。
2022/11/720例:
已知铂铑例:
已知铂铑3030铂的铂的EE(1084.5,0)=13.937mV(1084.5,0)=13.937mV,铂铑铂铑66铂的铂的EE(1084.5(1084.5,0,0)=8.354mV,)=8.354mV,求求:
铂铑铂铑3030铂铑铂铑66在同样温度条件下的热电动势。
在同样温度条件下的热电动势。
解:
设解:
设AA为铂铑为铂铑3030电极,电极,BB为铂铑为铂铑66电极,电极,CC为铂电极。
为铂电极。
已知已知:
t=1084.5,t:
t=1084.5,t00=0=0根据参考电极定律:
根据参考电极定律:
2022/11/721即:
即:
EEABAB(1084.5,0)=(1084.5,0)=EEACAC(1084.5,0)-(1084.5,0)-EEBCBC(1084.5,0)(1084.5,0)=13.937mV-8.354mV=13.937mV-8.354mV=5.583mV=5.583mV33中间温度定律中间温度定律2022/11/722热电偶在结点温度为热电偶在结点温度为TT、TT00时的热电动势等于该热时的热电动势等于该热电偶在(电偶在(T,TT,Tnn)与()与(TTnn,T,T00)时的热电动势之和,)时的热电动势之和,这就是这就是中间温度定律中间温度定律。
TTnn称为中间温度。
称为中间温度。
用下式表示:
用下式表示:
或:
或:
EEABAB(t,tt,t00)=EEABAB(t,t(t,tnn)+)+EEABAB(t(tnn,t,t00)结点采用摄氏温度表示:
结点采用摄氏温度表示
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- 热电偶 传感器 及其 应用