过程检测与控制技术应用.ppt

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过程检测与控制技术应用,金文兵,教授教授级高级工程师,过程检测与控制技术应用,书名：

过程检测与控制技术应用书号：

978-7-111-50882-3作者：

金文兵出版社：

机械工业出版社,热电偶是将温度量转换为电势的热电式传感器。

自19世纪发现热电效应以来，热电偶便被广泛用来测量1001300范围内的温度，根据需要还可以用来测量更高或更低的温度。

它具有结构简单、使用方便、精度高、热惯性小，可测局部温度和便于远距离传送、集中检测、自动记录等优点。

2-4、热电偶温度计,2-4.1热电偶的工作原理热电效应,1823年塞贝克（Seebeck）发现，将两种不同的导体（金属或合金）A和B组成一个闭合回路（称为热电偶），若两接触点温度（T，To）不同，则回路中有一定大小电流，表明回路中有电势产生，该现象称为热电动势效应或塞贝克效应，通常称为热电效应。

T与To的温差愈大，热电偶的热电势愈大，因此，可以用热电势的大小衡量温度的高低。

热电偶的工作原理,回路中的电势称为热电势或塞贝克电势，用EAB（T，T0）或EAB（t，to）表示。

两种不同的导体A和B称为热电极，测量温度时，两个热电极的一个接点置于被测温度场（T）中，称该点为测量端，也叫工作端或热端；另一个接点置于某一恒定温度（To）的地方，称为参考端或自由端、冷端。

热电偶的工作原理,如果热电偶两电极材料相同，两接点温度不同，不会产生热电势；如果两电极材料不同，但两接点温度相同（T=T0），也不会产生热电势。

所以，热电偶工作产生热电势的基本条件：

两电极材料不同，两接点温度不同。

热电势大小与热电极的几何形状和尺寸无关。

当两热电极材料不同，且A、B固定，热电势EAB（T，T0）便为两接点温度（T，T0）的函数EAB（T，T0）=E（T）一E（T0）当T0保持不变，即E（T0）为常数时，则热电势EAB（T，T0）便仅为热电偶热端温度T的函数EAB（T，T0）=E（T）一C=f（T）这就是热电偶测温的基本原理。

热电势的极性,测量端失去电子的热电极为正极，得到电子的热电极为负极。

对热电势符号EAB（T，T0），规定写在前面的A、T分别为正极和高温，写在后面的B、T0分别为负极和低温。

如果它们的前后位置倒换，则热电势极性相反，即EAB（T，T0）=-EAB（T0，T）等。

实验判别热电势极性的方法是将热端稍加热，在冷端用直流电表辨别。

2-4.2热电偶的基本定律,1.均质导体定律两种均质金属组成的热电偶，其热电势大小与热电极直径、长度及沿热电极长度上的温度分布无关，只与热电极材料和两端温度差有关。

如果热电极材质不均匀，则当热电极上各处温度不同时，将产生附加热电势，造成无法估计的测量误差。

因此，热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要指标之一。

热电偶的基本定律,2.中间导体定律热电偶回路断开接入第三种导体C，若导体C两端温度相同，则回路热电势不变，这为热电势的测量（接入测量仪表，即第三导体）奠定了理论基础（证明）3.标准（参考）电极定律如果两种导体（A、B）分别与第三种导体C组合成热电偶的热电势已知，则由这两种导体（A、B）组成的热电偶的热电势也就已知，这就是标准电极定律或参考电极定律。

即EAB（T，T0）=EAC（T，T0）-EBC（T，T0）,例2-1E铜-铂（100,0）=0.76mVE康铜-铂（100,0）=3.5mV则E铜一康铜（100，0）=0.76-（-3.5）=4.26mV,热电偶的基本定律,4.中间温度定律热电偶在接点温度为T、T0时的热电势等于该热电偶在接点温度为T、Tn和Tn、T0时相应热电势的代数和，即EAB（T，T0）=EAB（T，Tn）+EAB（Tn，T0）若T0=0，则有EAB（T，0）=EAB（T，Tn）+EAB（Tn，0）式中，Tn为中间温度，T0TnT。

根据标准电极定律，可以方便地选取一种或几种热电极作为标准（参考）电极，确定各种材料的热电特性，从而大大简化热电偶的选配工作。

一般选取纯度高的铂丝（R100R01.3920）作为标准电极，确定出其他各种电极对铂电极的热电特性，便可知这些电极相互组成热电偶的热电势大小。

作为实用测温元件的热电偶，对其热电极材料的基本要求如下。

a热电势足够大，测温范围宽、线性好；b热电特性稳定；c理化性能稳定，不易氧化、变形和腐蚀；d电阻温度系数和电阻率要小；e易加工、复制性好；f价格低廉。

2-4.3热电偶的种类,部分特殊热电偶的补充说明,a铁-康铜热电偶，测温上限为700（长期），热电势与温度的线性关系好，灵敏度高（E铁-慷铜（100，0）=5.268mV），但铁极易生锈。

b高温热电偶：

钨铼系热电偶，测温上限可达2450；钛铑系热电偶可测到2100左右。

C低温热电偶：

铜-铜锡0.005热电偶可测-271-243的低温；镍铬-铁金0.03热电偶在-2690之间有13.720V的灵敏度。

非标准热电偶材料及特点,2-4.4热电偶的结构,热电偶电极的绝缘方法,普通型热电偶结构,1-出线孔密封圈；2-出线孔螺母；3-链条；4-面盖；5-接线柱；6-密封圈；7-接线盒；8-接线座；9-保护套管；10-绝缘子；11-热电偶,铠装热电偶工作端结构,薄膜热电偶,用真空镀膜的方法，将热电极材料沉积在绝缘基板上而制成的热电偶称为薄膜热电偶。

由于热电极是一层金属薄膜，其厚度约为0.010.1m，所以测量端的热惯性很小，反应快，可以用来测量瞬变的表面温度和微小面积上的温度。

使用温度范围为-200+500时，热电极采用的材料有铜-康铜、镍铬-考铜、镍铬-镍硅等，绝缘基板材料用云母，它们适用于各种表面温度测量以及汽轮机叶片等温度测量。

当使用温度范围为5001800时，热电极材料用镍铬-镍硅、铂铑-铂等，绝缘基片材料采用陶瓷，它们常用于火箭、飞机喷嘴的温度测量，以及钢锭、轧辊等表面温度测量等,隔爆热电偶接线盒结构,接线盒的结构特点及用途,常见装配式热电偶结构形式,铠装热电偶测量端的常用结构形式,铠装热电偶常用安装固定形式,铠装热电偶的接线盒结构形式,2-4.5热电偶的冷端补偿及处理,热电偶的热电势是两接点之间相对温差T=T-T0的函数，只有T0固定，热电势才是T的单值函数；热电偶标准分度表是以T0=0为参考温度条件下测试制定的，只有T0=0，才能直接应用分度表或分度曲线。

在工程测试中，冷端温度随环境温度的变化而变化，若T00，将引入测量误差，因此必须对冷端进行补偿和处理。

热电偶的冷端补偿及处理,冷端处理的延长导线法和0。

C恒温法,对于廉价金属热电极，延伸线可用热电极本身材料；对于贵重金属热电极则采用热电特性相近的材料（补偿导线）代替,冷端温度修正法,a热电势修正法利用中间温度定律EAB（T，0）=EAB（T，Tn）+EAB（Tn，0）式中，Tn一般是热电偶测温时的环境温度；EAB（T，Tn）是实测热电势；EAB（Tn，0）是冷端修正值。

例2-2铂铑10-铂热电偶测温，参考冷端温度为室温2l，测得EAB（T，21）=0.465mV查分度表，EAB（21，0）=0.119mV，则EAB（T，0）=0.465+0.119=0.584mV，反查分度表T=92。

若直接用0.465mV查表，则T=75。

也不能将75+21=96作为实际温度。

冷端温度修正法,温度修正法由实测热电势EAB（T，Tn）查分度表，得T。

真实温度为T+kTn（3101）式中，k为热电偶修正系数，取决于热电偶种类和被测温度范围，如表37所示。

例如前例：

实测EAB（T，Tn）=0.465mv查分度表T75；查修正系数表，此时该热电偶的k0.82，Tn21，则实际温度T75+0.822192.2与前面结果基本一致。

这种修正方法在工程上应用较为广泛。

表2-6几种常用热电偶k值表,冷端温度自动补偿法电桥补偿法,原理：

利用电桥在温度变化时的不平衡输出电压（补偿电压）去自动补偿冷端温度变化时对热电偶热电势的影响，即使Uab（T0）=EAB（T0，0），如下图所示。

这种装置称为冷端温度补偿器。

图中Rl、R2、R3、Rw为锰铜电阻，阻值几乎不随温度变化，RCu为铜电阻，电阻值随温度升高而增大。

设计时使T0=0时，R1=R2=R3=RCu，电桥处于平衡状态，电桥输出Uab=0，对热电偶电势无影响。

T0o时（设T0O），RCu增大，使电桥不平衡，出现Uab0，若Uab=Uab（T0）=EAB（T0,0），则热电偶的热电势得到自动补偿。

冷端温度补偿器一般用4V直流供电，它可以在040或-2020的范围内起补偿作用。

只要T0的波动不超出此范围，电桥的不平衡输出电压就可以自动补偿冷端温度波动所引起的热电势的变化。

从而可以直接利用输出电压查热电偶分度表以确定被测温度的实际值。

作业,常用的热电偶有哪几种?

所配用的补偿导线是什么?

为什么要使用补偿导线?

并说明使用补偿导线时要注意哪几点。

现用一支镍铬一铜镍热电偶测某换热器内的温度，其冷端温度为30，显示仪表的机械零位在0时，这时指示值为400，则认为换热器内的温度为430对不对?

为什么?

正确值为多少度?

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