第7节课__电动式.热电偶11

第7课磁电式热电偶测试技术2012年10月1.动圈式磁电传感器(a)线速度型度(b)角速度型dtdNekevek话筒:磁电式，Dynamic磁阻式传感器磁阻式传感器工作原理及应用例子(a)测频数(b)测转速(c)偏心测量(d)振动测量NSNSNSNSa)b)c)d)nvm一种磁电式流量计但这种方式的一个重要问题是：长期使用时永磁体附近积累铁屑磁栅最大的问题：不能感知慢速移动(解决方案，后面的”其它传感器：磁通门”中有讲解)123wNNSSNNSSNNSSNNusc★动圈磁电式传感器等效电路由于测量输出为速度，因此要得到位移或加速度必须使用积分或微分放大器检波输出ddt或传感器电缆eRCCCRLuLZ0磁电式传感器是利用电磁感应的原理，把被测物理量转换为感应电动势的一种传感器。它多用来做速度测量。(1)感生电势与速度成正比，因此当相对移动很慢时,灵敏度很低，不能用来测量慢变信号；(2)通过积分得到位移只能在短时间内保持一定的精度。最常用到的传感器有：流量计;振动传感器；麦克风等.2、热电偶(Thermalcouple)T/C热电偶是一种把温度转换为电势的传感器，它的基本工作原理是基于“双金属温差热电势效应”。教材P129做电池用热电偶的工作原理,ABNNA、两种导体的接触电势(帕尔贴效应)式中，k—波尔兹曼常数；e—电子电荷，—材料A、B的自由电子浓度。ABTBAABNNlnekT=)T(E热电偶的工作原理BA00ABABNNln)T-T(ek=)T(E-)T(EABTT0热电偶的工作原理dTσ=)T,T(EATT0A∫0B、单一导体的温差电势（汤姆逊效应)A汤姆逊系数。TT0A热电偶的工作原理dT)σ-σ(=)T,T(E-)T,T(EBATT0B0A∫0B、单一导体的温差电势TT0A热电势合成BA00ABABNNln)T-T(ek=)T(E-)T(EdT)σ-σ(=)T,T(E-)T,T(EBATT0B0A∫000B0()()(,)-E(,)ABABAEETETETTTT因此，有热电势输出的必要条件是（1）两种不同的导体；(2)两端温度不同。ABTT0E热电势合成BA00ABABNNln)T-T(ek=)T(E-)T(EdT)σ-σ(=)T,T(E-)T,T(EBATT0B0A∫000B0()()(,)-E(,)ABABAEETETETTTT因此，有热电势输出的必要条件是（1）两种不同的导体；(2)两端温度不同。★C、中间导体定律NNlnekT)(T;ln)(CB00BCCAACENNekTTECBCABAABNNNNekTNNekTTE//lnln)(000CABCNNekTNNekTlnln00反之也成立：右图所示电路实际上与第三导体C无关（前提：C均匀，接头处于同一温度下。）TABCT0T0具有第三导体的热电偶回路D热电偶的使用使第三导体C与同一热电偶引线A接触,可以看到若接头处于同一温度下，则由C引起的热电势在环路中总和为零。ACBCUnintendedJunctionsJunction@TemperatureTVACBCUnintendedJunctionsJunction@TemperatureTV热电偶的使用将热电偶参考端置于冰水混合的恒温容器中，此法自然能保证参考端的温度为0oC，但一般只适用于实验室中。处于同一温度下ACBACJunctionABJunctionABIceBathV参考极置于0oC环境中热电偶的使用使第三导体C与同一热电偶引线A接触,可以看到若接头处于同一温度下，则由C引起的热电势在环路中总和为零。ACBACJunctionABJunctionABIceBathVACBACJunctionABJunctionABHotV参考不为零时需要补偿-+-++vearm-vearm-vearmT1T3V2V1V1=V1ForproperlyscaledV2=f(T3)中间导体定律的另一种应用根据中间导体定律，可以用开路热电偶对液态金属或金属壁面测温。CABtt0金属壁面开路电偶的使用保护管绝缘体连接管热电偶液态金属★计算实例镍铬－镍硅热电偶分度表测量端温度（）01259热电势（mV）-40-1.527-1.563-1.6-1.709-1.858-30-1.156-1.193-1.281-1.49-20-0.777-0.816-0.854-1.118200.7980.8380.8791.001.162100041.26941.30841.34741.46341.617计算法，就是按下列公式计算：下面用一个例子说明：例：用镍铬－镍硅热电偶测温，冷端温度，tn=25℃,测得：求t＝？由分度表查得：00(,)(,)(,)ABABnABnEttEttEtt(,)(,25)40.374ABnABEttEtmV所以t＝1002℃(,0)(25,0)1ABnABEtEmV(,0)(,25)(25,0)40.3471.0041.347ABABABEtEtEmVE、常用热电偶1、高温热电偶钨铼5－钨铼20是一种高温热电偶，可测温度达2450oC，如果安装在保护管内，绝缘性、气密性均满足要求，可测2800oC的高温；铂铑30－铂铑6的热电偶可长期测1600oC的高温，短期可测1800oC，此种热电偶性能稳定、精度高，但热电势小、价格昂贵；铂铑－铂热电偶在1300oC以下可长期使用，短期测量可达1600oC，由于易得到高纯度的铂和铂铑，所以该热电偶的复制精度和测量准确度较高，其主要缺点同样是热电势较小，价格较贵。2、中温热电偶镍铬(ge)－镍硅热电偶，化学稳定性较高，可在氧化性或中性介质中测温，长期测温在10000C以下，短期可达12000C；此种热电偶复制性好、热电势大、线性好、价格便宜，虽然测量精度偏低，但在工业中常采用。3.低温热电偶镍铬－考铜热电偶，长期测温范围在-200oC—600oC，热电势大、价格低，但考铜金属丝易氧化而变质；铜－康铜测温范围为-200oC～200oC。4.超低温热电偶铜－铜锡0.005,测温范围-271oC—-243oC；镍铬－铁金0.03可测-200oC以下的温度，并在低温和超低温下有高的热电灵敏度，但温度过低时（低于-210oC时）需考虑磁场的影响。K-型热电偶(chromel-alumel)chromel:90%Ni(镍)+10%Cr(铬)alumel:95%Ni(镍)+2%Al(铝)+2%Mn(锰)+1%Si(矽)我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。热电偶的标准标准化热电偶指已大量生产和使用，工艺稳定，性能符合专业或国家标准，具有统一分度表的热电偶。标准化热电偶型号标志SRBKEJT材料-50~1768-50~17680~1820-270~1372-270~1000-210~1200-270~400铂铑10－－铂铂铑13－－铂铂铑30－－铂铑6镍铬－－镍硅镍铬－－铜镍合金（康铜）铁－－铜镍合金（康铜）铜－－铜镍合金（康铜）使用温度℃热电偶引线的美国标准材料熔点(摄氏度)沸点(摄氏度)锡2312270铅3281740锌419907铝，铝合金6602480银9632210金10632950纯铜10812600锰钢1342NA铂17503825铼31805627钨34205600石棉1500二硼化钛3225几种材料的熔点F、补偿导线由于热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，通常采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的测量仪器附近。在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100℃。补偿导线(延伸电极)通过补偿导线，可以把冷端拉到离测温点更远的位置。原来的接点与新接点之间可以有一定的温差，对测量结果没有影响。这对远距离、高温测量有很大的好处。补偿端远离了测温点AB热电偶补偿导线A7、热电偶的非线性★热电偶的主要特点1.热电势很小，在几个到几十微伏每度数量级；2.制造容易，离散性容易控制；3.使用温度范围宽；4.皮实；5.价格便宜6.非线性大；7.需要冷端补偿8.精度没有Pt100高。把所有因素考虑进去，热电偶的精度很少有高于0.50C的。一般热电偶的容许偏差达几度。目前，热电偶在温度测量领域起主导作用，但也被RTDs、热敏电阻和IC传感器夺去了部分市场。精密仪器中的热电偶效应在精密仪器中，热电偶效应是非常重要的一个需要考虑的内容。每度几十个微伏的热电势在有些情况下会带来很大的测量误差。由于温度的变化一般是缓变的，因此可以用电容把这一直流变化的量给去除。当然，这里的前提是有用信号必须是快变的。当有用信号也是慢变的时候，可以使用斩波的方法把它加载到高频分量上，从而与温度的变化区分开来。在设计电路时，还可通过减小温度差(温度梯度)、恒温、使用热电势小的导体对等来减小热电势的影响。另外要注意：(1)电阻产生热噪声，可以用低温环境降低热噪声；(2)温度变化带来零点、放大倍数漂移等问题，可以使用恒温的措施减小影响。参考：第4课，电阻式传感器及其信号调节；以及第16课，调制与解调；第17课，相关检测。热电偶的其它应用Thermocouplescanbeconnectedinserieswitheachothertoformathermopile.Thevoltagesoftheindividualthermocouplesaddup,allowingforalargervoltageandincreasedpoweroutput,thusincreasingthesensitivityoftheinstrumentation.Withtheradioactivedecayoftransuranic(超铀)elementsprovidingaheatsourcethisarrangementhasbeenusedtopowerspacecraftonmissionstoofarfromtheSuntoutilizesolarpower.spacecraftincludingtheMarsExplorationRovers,GalileoandCassini，usesmallsamplesofradioactivematerialtoproduceheatdirectly,insteadofelectricity.Thermocouples,thoughveryreliableandlong-lasting,areveryinefficient;efficienciesabove10%haveneverbeenachievedandmostRTG(RadioisotopeThermoelectricGenerator)shaveefficienciesbetween3-7%.MostRTGsuse238Puwhichdecayswithahalf-lifeof87.7years。Thus,withastartingcapacityof470W,after23yearsitwouldhaveacapacityof0.834*470W=392W作业1.解释热电偶应用中的”补偿导线”；2.分析使用串联的办法提高热电偶的灵敏度优缺点;3.右图为使用电桥对热电偶的参考端进行自动补偿的电路。试述其工作原理。（R4为热电阻或热敏电阻）4.理论推导：5.精密仪器中的电路为避免热电偶效应带来的影响，可采取哪些措施？cbadR1R2R4R3ABExER√00(,)(,)(,)ABABnABnEttEttEtt√