傳感器原理與應用4溫度傳感器1熱電偶課件.ppt
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1、第第4章章 溫度傳感器溫度傳感器 傳感器原理與應用傳感器原理與應用溫度傳感器溫度傳感器 n將溫度轉換為電勢電勢的熱電式傳感器叫做熱電偶熱電偶,n將溫度轉換為電阻值電阻值的熱電式傳感器叫做熱電阻熱電阻(金屬)(金屬)n半導體半導體集成溫度傳感器AD590n熱敏電阻熱敏電阻(半導體,陶瓷)n熱釋電紅外紅外傳感器溫標溫標n為了定量的描述溫度高低,必須建立溫度標尺溫度標尺,即溫標溫標。n各種溫度計和溫度傳感器的溫度數(shù)值均由溫標確定。n熱力學溫度熱力學溫度是國際上公認的基本溫度,我國實行的是1990年國際溫標(ITS-90)。國際開爾文溫度為T90單位為K(開爾文)國際攝氏溫度為t90單位是(攝氏度)華
2、氏溫標單位是(度)華氏度=32+攝氏度 1.8攝氏度=(華氏度-32)1.8非重點4.1 熱電偶熱電偶part 1.原理原理熱電偶熱電偶n熱電偶傳感器是一種將溫度變化轉換為電勢變化電勢變化的傳感器。n在工業(yè)應用中,熱電偶是應用最廣泛的測溫元件之一。n優(yōu)點:q測溫范圍廣,可以在1K2800范圍內使用。q精度高、性能穩(wěn)定、結構簡單、動態(tài)性能好q能把溫度轉換為電勢信號,便于處理和遠距離傳輸。熱電效應熱電效應n熱電偶是利用熱電效應制成的溫度傳感器。n熱電偶效應是1823年,賽貝克(SeeBack)發(fā)現(xiàn)的,相應的原理如圖所示:把兩種不同的金屬A、B連接成閉合回路,將它們的兩個接點分別置于溫度為T及T0(
3、設T T0)的熱源中,則在該回路中會有電流流動,會產生熱點勢。這一現(xiàn)象稱為熱電動勢效應,也成為熱電效應熱電效應(賽貝克效應)。產生的電動勢叫做熱電勢熱電勢(也成賽貝克電勢),用EAB(T,T0)表示。接觸電勢接觸電勢 n因不同金屬的自由電子密度不同,當兩種金屬接觸在一起時,在接點處會發(fā)生電子遷移擴散。n電子從濃度大的向濃度小的金屬擴散,濃度高的失去電子顯正點,濃度低的得到電子顯負點,當擴散達到某種動態(tài)平衡時,得到一個穩(wěn)定的接觸電勢,在金屬的接觸處形成電位差,此電位差稱為接觸電勢接觸電勢.n其大小與兩種導體的性質、接點溫度有關。n當溫度為T時,熱端的接觸電勢可以表示為:n相應的冷端的接觸電勢可以
4、表示為:n式中:qK:波爾茲曼常數(shù),K=1.3810-23J/Kqe:電子電荷量,e=1.610-19CqT、T0:分別表示熱端和冷端的溫度qNA、NB:分別表示金屬A、B的自由電子濃度溫差電勢(湯姆遜電勢)溫差電勢(湯姆遜電勢)n對于單一的金屬,如果兩端的溫度不同,導體兩端也會產生電勢,該電動勢稱為單一導體的溫差電勢溫差電勢。n產生該電勢的原因是由于導體內高溫端的自由電子相對于低溫端具有較大的動能,高溫端自由電子向低溫端遷移擴散高溫端自由電子向低溫端遷移擴散。n由于導體高溫端失去電子帶正電荷,低溫端得到電子帶負電荷,從而形成一個靜電場。n該電場阻礙電子的繼續(xù)擴散,當達到動態(tài)平衡時,導體的兩端
5、便產生一個相對的電位差,從而形成溫差電勢。n熱電極A中,溫差電勢的大小可以表示成:n熱電極B中,溫差電勢的大小可以表示成:n式中:qA、B:熱點極A、B的湯姆遜系數(shù)湯姆遜系數(shù),q表示單一導體兩端溫度差為1時所產生的溫差電勢,其值與材料性質以及兩端溫度有關。熱電偶回路的熱電勢熱電偶回路的熱電勢 n在一個熱電偶回路中,總的熱電勢為:結論結論 n熱電偶兩個電極材料相同,即NA=NB,A=B,無論兩端點溫度如何變化,總的熱電勢為零;n如果熱電偶的兩個接點溫度相同,即T=T0時,無論導體A、B材料相同或不同,回路的總電勢也為零;n熱電偶必須用不同材料作為電極用不同材料作為電極,在T、T0兩端必須有溫度梯
6、度,這是熱電偶產生熱電勢的必要條件必要條件;n由于熱電偶的熱電勢是兩個結點溫度的函數(shù),因此必須固定參考端(冷端)的溫度,才能確定熱電勢與被測溫度T的對應關系。熱電偶的技術指標熱電偶的技術指標 n分度號分度號 q國際上,按照熱電偶的A、B熱電極材料不同分成若干個分度號。n分度表分度表 q由于多數(shù)熱電偶的輸出都是非線性非線性的,國際計量委員會已對這些熱電偶的每一度的熱電偶做了非常精密的測試,并向全世界公布了其分度表。n可以通過測量熱電偶輸出的熱電勢再查分度表得到相應的溫度值。分度表是以每10分檔的,中間值按內插法計算。qtM:被測溫度值qtH:較高溫度值qtL:較低溫度值qEM、EH、EL:分別為
7、溫度tM、tH、tL對應的熱電勢。幾種常用熱電偶的熱電勢與溫度關系曲線幾種常用熱電偶的熱電勢與溫度關系曲線 E JKNRSBNKJE1020304050-2-4-6-8-10熱電偶結構熱電偶結構 n常見的熱電偶結構形式主要有普通熱電偶、薄膜熱電偶、鎧裝熱電偶、表面熱電偶等。非重點熱電偶的基本定律熱電偶的基本定律 n1.中間導體定律中間導體定律q當熱電偶回路接入第三種金屬導體C,只要金屬導體C與金屬導體A、B的兩個接電處于同一溫度,則此導體對回路總的熱電勢沒有影響總的熱電勢沒有影響,其中導體C稱為中間導體。熱電偶的特點熱電偶的特點 n優(yōu)點優(yōu)點q測溫范圍廣,能測較高的溫度(-1802800)q輸出
8、的是電壓信號,測量方便,便于遠距離傳輸q結構簡單,維護方便q熱慣性和熱容量小,便于快速測量q自身產生電壓,不需要外加驅動電源,是典型的自發(fā)自發(fā)電式傳感器電式傳感器n缺點缺點q低靈敏度、低穩(wěn)定性q高溫下容易老化q有漂移以及非線性q需要外部參考端 非重點n回路總電勢為:n若三個接觸點置于恒溫T0環(huán)境下,回路中是沒有電動勢的。因此有:n由于:n因此得到:n進一步得到:n帶入得到:n定律的應用:定律的應用:q利用熱電偶進行測溫時,必須在回路中引入連接導線和儀表,接入導線和儀表后不會影響回路中的熱電勢。n2.標準電極定律標準電極定律q當接點溫度為T和T0時,用導體A、B組成熱電偶產生的熱電勢等于A、C熱
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