热电式传感器.ppt

第7章 热电式传感器 温度测量在工业应用中的重要性 温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关，因此温度控制是生产自动化的重要任务。如冶金、机械、热处理、食品、化工以及玻璃、陶瓷和耐火材料等各类工业生产过程中广泛使用各种加热炉、热处理炉、反应炉等。 温度概念与测量方法 反映了物体冷热的程度，与自然界中的各种物理和化学过程相联系。 温度概念的建立及测量：以热平衡为基础。 温度最本质的性质：当两个冷热程度不同的物体接触后就会产生导热换热，换热结束后两物体处于热平衡状态，则它们具有相同的温度。 测量方法：接触式测温和非接触式测温 温度概念与测量方法 常用的接触式测温仪表： (1) 膨胀式温度计。 (2) 热电阻温度计。 (3)热电偶温度计。 (4)其他原理的温度计。 特点： 优点：直观、可靠，测量仪表也比较简单。 温度概念与测量方法 缺点： 1. 由于敏感元件必须与被测对象接触，在接触过程中就可能破坏被测对象的温度场分布，从而造成测量误差。 2. 有的测温元件不能和被测对象充分接触，不能达到充分的热平衡，使测温元件和被测对象温度不一致，也会带来误差。 3. 在接触过程中，介质腐蚀性，高温时对测温元件的影响，影响测温元件可靠性和工作寿命。 温度概念与测量方法 非接触测温 温度敏感元件不与被测对象接触，而是通过辐射能量进行热交换，由辐射能的大小来推算被测物体的温度。 任何物体处于绝对零度以上时，都会以一定波长电磁波的形式向外辐射能量。辐射式测温仪表就是利用物体的辐射能量随其温度而变化的原理制成的。 温度概念与测量方法 常用的非接触式测温仪表： (1) 辐射式温度计：基于普朗克定理 光电高温计，辐射传感器，比色温度计。 (2) 光纤式温度计：光纤的温度特性、传光介质。 光纤温度传感器，光纤辐射温度计。 优点：不与被测物体接触，不破坏原有的温度 场，在被测物体为运动物体时尤为适用。 缺点：精度一般不高。 温度传感器的概述 7.1 热电偶 热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器。它构造简单，使用方便，具有较高的准确度、稳定性及复现性，温度测量范围宽，在温度测量中占有重要的地位。 另外，由于热电偶是一种有源传感器，测量时不需外加电源，使用十分方便，所以常被用作测量炉子、管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度。 7.1 热电偶 7.1 热电偶 7.1.1 热电效应 ◆两种不同的金属A和B构成如图7-1所示的闭合回路，如果将它们的两个接点中的一个进行加热，使其温度为T，而另一点置于室温T0中，则在回路中会产生热电势，用 来表示，这一现象称为热电效应。 7.1 热电偶 ◆通常把两种不同金属的这种组合叫做热电偶，A、B叫做热电极，温度高的接点叫做热端或工作端，而温度低的接点叫做冷端或自由端。 ◆由理论分析知道，热电效应产生的热电式是由接触电势和温差电势两部分组成。 1. 接触电势 ◆接触电势是由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。如图7-2所示。 7.1 热电偶 7.1 热电偶 式中： k-玻耳兹曼常数（k=1.38× J/K）； T -接触面的绝对温度； e -单位电荷量（e=1.6× C）； NA-金属电极A的自由电子密度； NB-金属电极B的自由电子密度。 7.1 热电偶 2．温差电势 ◆温差电势（又称汤姆森电势）是同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势。 7.1 热电偶 ◆δ-汤姆逊系数，它表示温度为1℃时所产生的电动势值，它与材料的性质有关。 ◆综上所述，在由两种不同金属组成的闭合回路中，当两端点的温度不同时，回路中产生的热电势等于上述电位差的代数和，如图7-3所示： 7.1 热电偶 7.1 热电偶 ◆实践证明在总热电势中，温差电势比接触电势小很多，可忽略不计，热电偶的热电势可表示为： 对于已选定的热电偶，当参考端温度恒定时， 为常数，则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，即: 7.1 热电偶 ◆实际应用中，热电势与温度之间关系是通过热电偶分度表来确定的。分度表是在参考端温度为0℃时，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，书中表7-1到表7-4是几种常见热电偶的分度表。 S型（铂铑10-铂）热电偶分度表 B型（铂铑30-铂铑6）热电偶分度表 K型（镍镉-镍硅）热电偶分度表