傲世娱乐有限公司_深度讲解热电传感器原理,结

2020-10-26 16:06 www.mwjsj.com

热电传感器是一种能将温度变化转换为电量参数变化的元件。它主要包括将温差转换为热电动势的热电偶;将温度转换为电阻变化的热电阻;利用半导体材料的电阻值随温度变化的热敏电阻和利用半导体PN结温度特性的集成化温度传感器。

热电偶在温度测量中应用极为广泛,因为它结构简单,具有较高的准确度,温度测量范围宽,动态响应好。若所选择的两根导体材质适当,可以测量高达1000℃以上的高温。



一、热电效应

两种不同的导体两端相互紧密地连接在一起,组成一个闭合回路。当两接点温度不等时,回路中就会产生电动势,从而形成电流,这一现象称为热电效应,该电动势称为热电动势。

通常我们把上述两种不同导体的组合称为热电偶,不同导体称为电极。两个接点,一个为工作端或热端(T),测温时将它置于被测温度场中,另一个叫自由端或冷端(T。),一般要求恒温在某一温度。


由于不同导体的自由电子密度是不同的。当两种不同的导体A,B 连接在一起时,在A,B的接触处就会发生电子的扩散。设导体A的自由电子密度大于导体B的自由电子密度,那么在单位时间内,由导体A 扩散到导体B的电子数要比导体B扩散到导体A的电子数多,这时导体A因失去电子而带正电,导体B因得到电子而带负电,于是在接触处便形成了电位差,即电动势,这个电动势将阻碍电子由导体A向导体B的进一步扩散。


当电子的扩散作用与上述的电场阻碍扩散的作用相等时,接触处的自由电子扩散便达到动态平衡。这种由于两种导体自由电子密度不同,而在其接触处形成的电动势,称为接触电动势。


二、热电效应特点

  • 如果热电偶两电极材料相同,无论两接点温度如何,总热电动势为零。

  • 如果热电偶两接点温度相同,尽管A,B材料不同,回路中总电动势等于零。

  • 热电偶产生的热电动势只与材料和接点温度有关,与热电极的尺寸、形状等无关。同样材料的热电极,其温度和电动势的关系是-样的,因此热电极材料相同的热电偶可以互换。

  • 热电偶电极在接点温度为T1,T3时的热电动势,等于此热电偶在接点温度为T1,T2与T2,T3两个不同状态下的热电动势之和。

  • 当热电极A,B选定后,热电动势是两个接点温度的函数差。实际应用中,通常把自由端的温度保持0℃,从而使自由端的电动势为常数,此时只要测出总电动势,就可以求出工作端的温度。


根据热电效应的特点,编制出不同热电偶的电动势与温度的对照表,称为分度表,表中温度差按照10℃分档,其中间值可按照内插法计算。



在冷端温度为0℃时,热端温度和热电动势之间的关系还可以用曲线图来描述,下图是常用热电偶的电动势和温度间的曲线关系,可见他们是非线性的。

三、热电偶基本定律

1、中间导体定律。

在A、B两种材料组成的热电偶回路中进入第三种导体C,如果引入第三种导体两端温度相同,则导体的引入不会改变热电偶的电动势大小。

在实际应用中,第三种导体可以测量仪表或连接导线。

2、标准电极定律。

如果两种导体A、B分别于第三种导体C组成热电偶所组成的热电偶所产生的电动势已知,则由这两个导体A、B组成的热电偶电动势由西安标准电极的定律来确定。


由标准电极定律可见,任意几个热电极与一标准电极组成热电偶产生的热电动势已知,就可方便地求出这些热电极任意组合时的热电动势,工程上一般采用纯铂作为标准电极,原因是物理化学性质稳定,熔点高。


四、热电偶的结构及种类

1、结构  

一般的热电偶是加工为帮型,由以下几部分组成:

热电极

热电偶通常以电极所使用的材料来命名,比如铂铑-铂热电偶,铜-康铜热电偶等。热电极有正、负极之分,使用时应注意。

绝缘管

用来防止两根热电极短路,其材料的选用是根据温度范围和绝缘性能要求而定。

  保护管

   保护管的作用是使电极与被测介质隔离。电极套在绝缘管后再装入保护管内。常用的保护管有金属和非金属两类,应根据热电偶类型,测温范围和应用条件等因素劲选择。

  接线盒

   接线盒是起到热电偶与补偿导线连接的作用。

2、种类  

1.铂铑-铂热电偶:

S型热电偶。

特点:精度高,标准热电偶。但热电势小。(<1300℃)

2.镍铬-镍硅热电偶:

K型热电偶。

特点:线性好,价格低,最常用。但精度偏低。(-50~1300℃)

3.镍铬-考铜热电偶:

E型热电偶。

特点:灵敏度高,价格低,常温测量,但非均匀线性。(-50~500℃)

4.铂铑30-铂铑6热电偶:

B型热电偶。

特点:精度高,冷端热电势小,40℃下可不修正。但价格高,输出小。

5.铜-康铜热电偶:

T型热电偶。

特点:低温稳定性好,但复制性差。


五、热电偶的补偿


1、补偿原因:

由上面的热电偶测温工作原理可知道,热电偶的输出电动势只有在冷端温度不变的条件下,才与工作端温度成单值函数。而实际应用中,由于热电偶冷端离工作端很近,且处于大气中,其温度受到测量对象和周围环境温度波动的影响,因此冷端温度难于恒定,这样将发生误差。)


2、补偿方法


(1)补偿导线法:

目的:使冷端远离工作端,和测量仪表一起放到恒温或温度波动小的地方。

手段:

①延长热电偶的长度:安装不便,费用高;

②采用补偿导线,要求:

a.在0~100℃范围内和所连接的热电偶有相同的热电性能;

b.材料是廉价金属

注意:

①冷端需有自动补偿装置,补偿导线才有意义,且连接处<100℃;

②补偿导线不能选错,如:

铂铑-铂热电偶:补偿线用铜-镍铜;

镍铬-镍硅热电偶:补偿线用铜-康铜;


(2)冷端温度计算校正法:

①热电势修正法:

冷端温度不为零时,运用热电偶分度表修正,修正方法如前例所述。

②温度修正法:

设:T’为仪表指示温度;T0为冷端温度;

则:被测实际温度T为:T=T’ k T0

式中:k为热电偶修正系数,和热电偶的种类和测温范围相关,有表可查。


(3)冰浴法:

冷端用冰水混合物保持在0℃。

特点:

可避免校正的麻烦,但使用不便,多在实验室使用。


(4)电路自动补偿法

电路自动补偿法是在热电偶与仪表之间接入一个补偿装置,当热电偶冷 端温度升髙,导致回路总电动势降低时,这个装置感受自由端温度的变化,产生一个电位差(或电动势),其数值刚好与热电偶降低的电动势相 问,两者互相补偿。这样,测量仪表上所测到的电动势将不随自由端温度而变化。


(5)软件处理法

在计算机系统中,可以采用软件处理的方法实现热电偶冷端温度补偿。例如冷端温度T0恒定,但T0不等于0°C,只需对采样数据的处理中添加 一个与冷端温度对应的系数即可。如果冷端温度T0经常波动,可利用其它温度传感器,把T0信号输入计算机,按照运算公式设计一些程序,便能自动修正。