热电偶热电阻原理课件

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1、热电偶热电阻原理课件 温度测量 温度测量 热电偶温度计 热电阻温度计 双金属温度计 热电偶温度计以热电偶作为感温元件一般用于测量500以上的高温长期使用时其测温上限可达1300短期使用时可达1600特殊材料制成的热电偶可测量的温度范围为20003000 特点热电偶具有性能稳定测温高结构简单使用方便经济耐用容易维护和体积小等优点还便于信号远传和实现多点切换测量 应用电厂生产过程中的主蒸汽温度过热器管壁温度烟气高温等都是采用热电偶来测量的热电偶是目前世界上科研和生产中应用最普遍最广泛的温度测量元件 一热电偶的根本原理 热电偶测温主要利用热电效应 热电效应两种不同的导体或半导体A和B组成闭合回路如下

2、列图所示当A和B相接的两个接点温度T和T0不同时那么在回路中就会产生一个电势这种现象叫做热电效应由此效应所产生的电势通常称为热电势用符号EABTT0表示 什么是热电偶 图中的闭合回路称为热电偶导体A和B称为热电偶的热电极热电偶的两个接点中置于被测介质温度为T中的接点称为工作端或热端温度为参考温度T0的一端称为参考端或冷端 理论和实践都证实热电现象中产生的热电势 是由接触电势和温差电势两种电势的综合效果 1接触电势 接触电势原理图 接触电势用EAB T 表示其数值可用下式表示 式中 e 单位电荷1602X10-19C K波尔兹曼常数K 13810-23JK NA T NB T 材料AB在温度为T

3、时的自由电子密度 TAB接触点的温度K 结论 1从理论上可以证明该接触电势的大小和方向主要取决于两种材料的性质电子密度和接触面温度的上下 2温度越高接触电势越大两种导体电子密度比值越大接触电势也越大 2温差电势 温差电势同一热电极两端因温度不同而产生的电势 为了分析方便温差电势可由下面函数差来表示 3 回路热电势 如果tt0NAtNBt那么在回路内便产生两个接触电势eAB t 和eAB t0 两个温差电势eAtt0和eBtt0各电势的方向如下图回路的总电势EAB tt0 等于回路中各电势的代数和即 结论 1热电偶回路热电势的大小只与组成热电偶的材料和材料两端连接点所处的温度有关与热电偶丝的直径

4、长度及沿程温度分布无关 2只有用两种不同性质的材料才能组成热电偶相同材料组成的闭合回路不会产生热电势 3如果保持热电偶冷端温度to恒定不变对一定材料的热电偶其fABt0亦为常数设为C那么热电偶的热电势只与热电偶热端温度t有关假设测得EAB tt0 值便可知温度t值这就是热电偶测温原理即 EAB t t0 fAB t C 4工程上所使用的各种类型的热电偶均把E t 和t的关系制成易于查找的表格形式这种表格称为热电偶的分度表 需要说明的几个问题 1热电偶的热电势与热端温度的关系一般为非线性关系 2热电极与热电势的极性 热电偶的两个热电极有正负之分 热电势也有正负极性之分 二热电偶的根本定律 这些定

5、律已在理论分析和实践中得到证明对保证热电偶正确测量温度至关重要 1均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路中不管其截面和长度如何以及沿长度方向上各处的温度分布如何都不能产生热电势反之如果回路中有热电势存在那么材料必为非均质的 结论 1热电偶必须由两种不同性质的材料构成 2由一种材料组成的闭合回路存在温差时回路如产生热电势便说明该材料是不均匀的据此可检查热电极材料的均匀性 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两端温度相同该导体的引入对热电偶回路的总电势没有影响 引出结论热电偶回路中接入多种导体后只要保证接入的每种导体的两端温度相同那么对热电偶的热电势没有影响 应用 该定律

6、说明热电偶回路中可接入各种仪表或连接导线只要仪表或导线处于稳定的环境温度原热电偶回路的热电势将不受接入仪表或导线的影响 3中间温度定律 热电偶回路中两接点温度分别为TT0时的热电势等于接点温度为TTN和TNT0的两支同性质热电偶的热电势的代数和 EAB TT0 EAB TTN EAB TNT0 作用该定律为制定和使用热电偶的热电势-温度关系即分度表奠定了理论根底 4热电偶分度表 不同材料制成的热电偶在相同温度下产生的热电势是不同的可在分度表中查得分度表中数据都是以t0 0的条件下进行分度的配套使用的仪表也是以冷端为0进行刻度的如实际测温时 t0不是0那么热电势与温度间的关系可按下式进行计算 做

7、一做 1用镍铬-镍硅K型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3331mV求炉子的真实温度 解 E t30 3331mV 由K型热电偶分度表查出E 300 120mV E t0 E t30 E 300 3451mV 再通过分度表查出其对应的实际温度为t 830 某只铂铑10铂S型热电偶测温冷端温度30测得回路热电势为7385mV求被测介质温度 E t30 7385mV E 300 0173mV 根据中间温度定律 E t0 E t30 E 300 7531 mV 查表t 820 5热电偶冷端温度的修正和处理方法 为什么要对热电偶进行参考端的温度处理 答热电偶的热

8、电势是两个接点温度的函数差只有当冷端温度不变时热电势才是热端温度的单值函数但在实际应用中热电偶冷端所处环境温度总有波动从而使测量得不到正确结果因此必须对热电偶冷端温度变化的影响采取补偿措施使热电偶的热电势只反映热端温度被测温度的变化而不受冷端温度变化的影响 公式修正法校正法 恒温箱法冰浴法 冷端集中补偿方法 补偿导线法 补偿电桥法 1公式修正法 当用补偿导线把热电偶的冷端延长到某一温度T0处通常是环境温度然后再对冷端温度进行修正 三个步骤测温查表计算查表 做一做 1用镍铬-镍硅K型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3331mV求炉子的真实温度 解 E t3

9、0 3331mV 由K型热电偶分度表查出E 300 120mV E t0 E t30 E 300 3451mV 再通过分度表查出其对应的实际温度为t 830 思考采用直接用测得电势查分度表得到温度值再加上30 计算得到炉温的方法对不对为什么 某只铂铑10铂S型热电偶测温冷端温度30测得回路热电势为7385mV求被测介质温度 E t30 7385mV E 300 0173mV 根据中间温度定律 E t0 E t30 E 300 7531 mV 查表t 820 2恒温箱法冰浴法 1把冷端引至冰点槽内维持冷端始终为0但使用起来不大方便 冰点槽法是准确度很高的冷端处理方法然而使用比拟麻烦需要保持冰水两

10、相共存一般限于实验室精确测温或热电偶检定时使用 3冷端集中补偿方法 冷端连接到数据采集设备上利用计算机查表计算 一般计算机数据采集时一个设备上连接的热电偶是同型号的 4补偿导线法 原理在一定温度范围内与配用热电偶的热电特性相同的一对带有绝缘层的廉金属导线为补偿导线 按照补偿原理分为补偿型及延伸型两种补偿导线 按使用温度可分为一般用0100和耐热用0200 补偿导线使用须考前须知如下 各种补偿导线只能与相应型号的热电偶匹配使用 补偿导线与热电偶连接点的温度不得超过规定的使用温度范围 补偿导线的正负要和热电偶正负相连 由于补偿导线与电极材料通常并不完全相同因此两连接点温度必须相同 在需高精度测温场

11、合处理测量结果时应加上补偿导线的修正值以保证测量精度 1 热电偶结构 普通型铠装型和薄膜型 普通型 1热电极 2绝缘套管 3保护套管 4接线盒 普通型热电偶的结构 普通型热电偶的结构 2铠装热电偶 铠装热电偶是由金属套管绝缘材料和热电极经拉伸加工而成的坚实组合体 优点1热惰性小反响迅速2具有良好的机械性能可耐强烈的振动和冲击3除热电阻头部外其它局部可以任意弯曲适宜于安装在结构复杂的设备上进行测温4其电阻体由金属套管和绝缘材料覆盖不易受到有害介质的腐蚀使用寿命长缺点耐高温的性能很差 铠装热电偶图型 WRTK2-43481000mm 铠装固定卡套法兰热电偶 WRSK-14361000mm Gh30

12、30 铠装防爆热电偶 WRNK-33241000mm Gh2520 铠装可动卡套螺纹热电偶 2 分类 1廉价金属热电偶 1T型铜康铜热电偶测温范围-200-350 2K型镍铬镍铝或镍硅热电偶范围-200-1100 3E型镍铬康铜热电偶上限1000 4J型铁康铜热电偶 5镍铬考铜热电偶 2贵金属热电偶 1S型铂铑10铂热电偶 2R型铂铑13铂热电偶 3B型铂铑30铂铑6热电偶 4铱铑热电偶 二热电偶的使用与安装 1 使用考前须知测温范围正负极性热偶与仪表配套否等 2 安装原那么 小结 1热电偶测温原理 将两种不同性质的一端焊接起来即构成一支热电偶当热电偶的两端温度不同时在热电偶回路中将产生热电势

13、如果冷端温度恒定那么热电势只与热端温度有关因此测出热电势即可测得热端温度 2热电偶的根本定律 均质导体定律中间导体定律和中间温度定律为制造和使用热电偶奠定了理论根底 热电阻温度计 WZP2-240A级3线300150mmE 0-300 隔爆热电阻 WZC-111121000mm Cu50铜热电阻 WZPK2-103B级6515mm 0-300 铂热电阻 热电阻温度计的测量范围为-200-600 优点无冷端温度补偿问题特别适宜于低温测量 在中低温下 500以下测温 它的输出信号比热电偶的要大得多故灵敏度高电阻温度计的输出是电信号因此便于信号的远传和实现多点切换测量 缺点不能测太高的温度需外部电源

14、供电连接导线的电阻易受环境温度影响而产生测量误差 一电阻温度计的测温原理 导体或半导体的电阻率与温度有关利用此特性制成热电阻温度感温件它与测量电阻阻值的仪表配套组成热电阻温度计 电阻温度计就是利用导体 或半导体 的电阻值随着温度变化这一特性来进行温度测量的即把温度变化所引起导体电阻变化通过测量桥路转换成电压 毫伏级 信号然后送入显示仪表以指示或记录被测温度 大多数金属热电阻随其温度升高而增加当温度升高1时其阻值约增加0406称具有正的电阻温度系数 大多数半导体热敏电阻的阻值随温度升高而减小当温度升高1时其阻值约减小36称具有负的电阻温度系数 二常用热电阻元件 1铂热电阻 铂是一种贵金属它的特点

15、是精度高稳定性好性能可靠尤其是耐氧化性能很强 铂在很宽的温度范围内约1200C以下都能保证上述特性铂很容易提纯复现性好有良好的工艺性可制成很细的铂丝 002mm或更细 或极薄的铂箔与其它材料相比铂有较高的电阻率因此普遍认为是一种较好的热电阻材料 缺点铂电阻的电阻温度系数比拟小 价格贵 铂的纯度用铂的电阻比W100表示即 W100 R100 R0 式中R100 100时铂电阻值 R0 0时铂电阻值 W100越高那么其纯度越高 分度表 2铜热电阻 特点它的电阻值与温度的关系是线性的电阻温度系数也比拟大而且材料易提纯价格比拟廉价但它的电阻率低易于氧化 在50 150范围内铜的电阻温度关系为 Rt R

16、0 1 t 式中 铜的电阻温度系数 分度表 3两线制测量线路 两线制 利用不平衡电桥测量 缺点即使被测温度没有变化如果环境温度发生变化也会使测量值发生变化 适用场合环境温度恒定或变化不大的现场 4三线制测量线路 三线制 克服了两线制测量线路的缺陷当环境温度发生变化但是测量温度没有变化时不会引起测量数值的变化 现场通常采用这种接线方式 三热电阻测温元件的结构 热电阻体引线 绝缘套管保护套管接线盒 小结 1热电阻测温原理 将热电阻插入在测温场所被测温度变化会引起金属阻值变化测出电阻值便可测得温度的数值 2常用热电阻 有铂电阻分度号为Pt50Pt100铜电阻分度号为Cu50Cu100其中铂电阻的准确

17、度高稳定性好性能可靠铜电阻的线性度好灵敏度高但测温上限不超过150 2-2 双金属片温度计 它是利用两种热膨胀系数不同的金属片制成 双金属温度计测量原理 螺纹旋形的热双金属片 当温度发生变化时感温元件的自由端随即转动从而细轴带动指针产生角位移在标度盘上指示出温度的变化 固体膨胀式温度计特点 优点结构简单耐振动耐冲击使用方便价格廉价 缺点测量的精度不高量程不能做得很大 两线制热电阻测量电桥 两热膨胀系数不同的金属粘帖而成一端固定另一端为自由端自由端与指示系统连接 固定端 自由端 图2-21 计算机数据采集系统热电偶冷端集中补偿方法 补偿导线 补偿导线 三常用热电偶的材料及特点 1铂铂铑热电偶 S

18、型 测量温度长期1300短期1600 标准化热电偶 2镍铬镍硅 镍铝 热电偶 K型 测量温度长期1000短期1300 3镍铬考铜热电偶 E型 测量温度长期600短期800 4铂铑30铂铑6热电偶 B型 测量温度长期可到1600短期可达1800 热电偶 图2中非平衡电桥的BD两端接负载电阻为Ro的电压表该电 桥不需要调平衡只要测量输出电压Uo或电流Io就可得 到Rx值 当负载电阻Ro即电桥输出处于开路状态时 Io 0电桥输出端接数字电压表或高输入阻抗放大器时 属这种情况 热电偶温度计 热电偶原理图 T T0 A B 热端 冷端 T A B eAB T - 接触电势是指两热电极由于材料不同而具有不同的自由电子密度而热电极接点接触面处就产生自由电子的扩散现象当到达动态平衡时在热电极接点处便产生一个稳定电势差 A eA TTo To T T2 T1 A a B C 2 3 EAB A T0 2 3 A B EAB T1 T2 C T0 a b T0 T0 第三种材料接入热电偶回路图 E T0 T0 T E T0 T1 T1 T B B A Tn T T0 A A B EAB TT0 EAB TTH EAB THT0 mV B B T C 仪表 铜导线 试管 补偿导线 热电偶 冰点槽 冰水溶液 T0