项目单元8热电偶传感器--热水器加热炉温度检测单元设

项目单元8热电偶传感器--热水器加热炉温度检测单元设计制作8.1项目描述8.2相关知识8.3热电式传感器认知8.4项目参考设计方案8.5项目实施卫浴网项目描述本项目单元即利用热电式传感器热电偶设计制作燃气热水器加热炉温度检测显示单元图8.1燃气热水器的内部结构8.1.1项目要求1.以热电偶为传感元件，将燃气热水器加热炉的温度转化为电压输出；2.测量电路能够将转换电压放大后再输出；3.能将输出电压转化为温度，并显示出来；4.要求使用4位数码管显示温度；5.最终上交调试成功的试验系统--燃气热水器加热炉温度检测显示单元；6.要求有每个步骤的文字材料，包括原理图、使用说明、元件清单、进程表、调试过程描述等。8.1.2相关知识点分析本单元具体知识点如下：1.了解温度的基本概念，以及各种温标；2.掌握热电式传感器的工作原理；3.掌握热电偶的热电效应和热电势的组成；4.理解并掌握热电偶测量温度过程中的基本定律；5.了解国际通用热电偶的类型、结构及其各自的使用特点；6.掌握热电偶的冷端延长和延长导线的类型，以及温度补偿的方法；7.了解金属热电阻的工作原理，掌握铜热电阻和铂热电阻的性能特点与应用；8.了解热敏电阻传感器的类型、构成和应用；9.了解集成温度传感器的测量原理，掌握其典型期间的使用方法。8.2相关知识8.2.1温度测量的基本概念1．温度的基本概念温度是表征物体冷热程度的物理量。温度的概念是以热平衡为基础的，如果两个相接处的物体温度不相同，它们之间就会产生热交换，热量将从温度高的物体向温度低物体传递，直到两个物体温度相同为止。温度的微观概念是：温度标志着物质内部大量分子的无规则运动的剧烈程度。温度越高表示物体内部分子热运动越剧烈。2．温标1）摄氏温标（C）摄氏温标把在标准大气压下冰的熔点定为零度（0C），把水的沸点定为100度（100C）。在这两固定点间划分100等分，每一等分为摄氏1度，符号为t。2）华氏温标（F）它规定在标准大气压下，冰的熔点为32F，水的沸点为212F。在这两固定点间划分180等分，每一等分为华氏1度，符号为。华氏温标与摄氏温标之间的关系为：/F=（1.8t/C+32）（8-1）3）热力学温标（K）热力学温标是建立在热力学第二定律基础上的最科学的温标，由开尔文根据热力学定律提出来的，因此又成为开氏温标。其符号位T，单位为开尔文（K）。t/C=T/K－273.15（8-2）或T/K=t/C+273.15（8-3）3．温度测量及传感器分类8.2.2热电偶传感器的工作原理及实用电路1．热电偶工作原理（1）热电效应将两种不同成分的导体组成一闭合回路。当闭合回路的两个结点分别置于不同的温度场中时，回路中将产生一个电势，该电势的方向和大小与导体的材料及两结点的温度有关，这种现象称为“热电效应”，两种导体组成的回路称为“热电偶”，这两种导体称为“热电极”，产生的电势则称为“热电势”，热电偶的两个结点，一个称为工作端或热端，另一个称为自由端或冷端。图8.2热电偶回路原理图接触电动势接触电动势的数值取决于两种不同导体的材料特性和接触点的温度。两接点的接触电动势eAB(T)可表示为AB＋＋＋－－－ABnn()ABET含义：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。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。BAABNNekTTeln)(eAB(T)—AB两材料在温度T接触电动势T—接触处的绝对温度K—玻尔兹曼常数(K=1.38×10-23J/K)e—电子电荷(e=1.6×10-19C)NA、NB—热电极材料AB的自由电子密度(2)温差电动势温差电势AeA(T,To)ToTdTTTeTTAA0),(0温差电势原理图机理：高温端的电子能量要比低温端的电子能量大，从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多，结果高温端因失去电子而带正电，低温端因获得多余的电子而带负电，在导体两端便形成温差电动势。eA(T，T0)——导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势；T，T0——高低端的绝对温度；σA——汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1℃时所产生的温差电动势，例如在0℃时，铜的σ=2μV/℃。热电偶回路中产生的总热电势eAB(T,T0)=eAB(T)＋eB(T,T0)－eAB(T0)－eA(T,T0)忽略温差电动势，热电偶的热电势可表示为：•影响因素取决于材料和接点温度，与形状、尺寸等无关•两热电极相同材料时，总电动势为0•两接点温度相同时，总电动势为0•对于已选定的热电偶，当参考端温度T0恒定时，eAB(T0)=c为常数，则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，即可见：只要测出eAB（T,T0）的大小，就能得到被测温度T，这就是利用热电偶测温的原理。讨论00(,)()()()()ABEttftftftCt在热电偶测温回路内，接入第三种导体时，只要第三种导体的两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响。（1）均质导体定律如果热电偶中的两个热电极材料相同，无论结点的温度如何，热电势为零。（2）中间导体定律ABt0t0tCABT0tCB1t1t（a)（b)2.热电偶基本定律eABC(t,to)=eAB(t)-eAB(to)=eAB(t,to)若热电偶回路中插入中间导体,只要中间导体两端温度相同,则对热电偶回路总的热电动势无影响。插入导体C后的热电动势为：eABC(t,to)=eAB(t)+eBC(to)+eCA(to)eBC(to)+eCA(to)=-eAB(to)eABC(t,to)=eAB(t)-eAB(to)=eAB(t,to)应用：利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线和仪表，接入导线和仪表后不会影响回路中的热电势。中间导体定律证明、应用测量仪表及引线作为第三种导体的热电偶回路tABt0t0CCBt1t1AACCtt0(a)(b)•同理，热电偶回路中插入多种导体后,只要保证插入导体两端测试相同,则对热电偶的电动势无影响。•实际应用中用导体和显示仪表的连接均可看为中间导体。（3）中间温度定律eAB(t,t0)=eAB(t,tn)+eAB(tn,t0)在热电偶测温回路中，tn为热电极上某一点的温度，热电偶AB在接点温度为t、t0时的热电势eAB(t,t0)等于热电偶AB在接点温度t、tn和tn、t0时的热电势eAB(t,tn)和eAB(tn,t0)的代数和，即中间温度定律tt0ABTnTn)(AA)(BBeAB(t,to)=eAB(t,tn)+eAB(tn,to)=[eAB(t)-eAB(tn)]+[eAB(tn)-eAB(t0)]=eAB(t)-eAB(t0)=eAB(t,to)eAB(t,to)=eAB(t,tn)+eAB(tn,to)中间温度定律证明中间温度定律的应用•根据这个定律，可以连接与热电偶热电特性相近的导体A′和B，将热电偶冷端延伸到温度恒定的地方，这就为热电偶回路中应用补偿导线提供了理论依据。•该定律是参考端温度计算修正法的理论依据。在实际热电偶测温回路中,利用热电偶这一性质,可对参考端温度不为0℃的热电势进行修正。热电偶的分度表不同金属组成的热电偶，温度与热电动势之间有不同的函数关系，一般通过实验的方法来确定，并将不同温度下测得的结果列成表格，编制出热电势与温度的对照表，即分度表。S型(铂铑10-铂)热电偶分度表（4）标准电极定律ACCABB0tt0t0ttt0C0C0(,)(,)(,)ABABEttEttEtt－已知热电极AB与参考电极C组成的热电偶极点温度(t,to)时的热电动势分别为EAC(t,to)EBC(t,to)，则AB两热电极配对，热电动势EAB(t,to)计算为：标准电极定律的意义通常选用高纯铂丝作标准电极只要测得它与各种金属组成的热电偶的热电动势，则各种金属间相互组合成热电偶的热电动势就可根据标准电极定律计算出来。为了适应不同生产对象的测温要求和条件，热电偶的结构形式有：•普通型热电偶•特殊热电偶－铠装型热电偶－薄膜热电偶等。3.热电偶的结构及材料普通型热电偶结构接线盒热电极热端绝缘管保护管优点：测温端热容量小，动态响应快；机械强度高，挠性好，可安装在结构复杂的装置上。铠装型热电偶接线盒固定装置B-B金属导管绝缘材料热电极A放大ABB薄膜热电偶工作端绝缘基板热电极接头夹具引出导线特点：热接点可以做得很小（μm），具有热容量小、反应速度快（μs）等特点，适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量。热电极材料的选取性能稳定温度测量范围广物理化学性能稳定导电率要高，并且电阻温度系数要小材料的机械强度要高，复制性好、复制工艺简单，价格便宜工程用热电偶材料应满足条件：热电势变化尽量大，热电势与温度关系尽量接近线性关系，物理、化学性能稳定，易加工，复现性好，便于成批生产，有良好的互换性。4.热电偶的类型国际电工委员会（IEC）向世界各国推荐8种标准化热电偶（已列入工业标准化文件中，具有统一的分度表）。我国已采用IEC标准生产热电偶，并按标准分度表生产与之相配的显示仪表。标准化热电偶的主要性能和特点标准化热电偶的主要性能和特点(a)普通测温线路；(b)带有补偿器的测温线路；(c)具有温度变送器的测温线路；(d)具有一体化温度变送器的测温线路补偿器温度变送器温度变送器显示仪表显示仪表显示仪表显示仪表tAB补偿导线(a)tAB补偿导线(c)tAB补偿导线(b)tAB铜导线(d)5热电偶测温线路测量某一点的温度6．热电偶的温度补偿当热端温度为t时，分度表所对应的热电势eAB(t,0)与热电偶实际产生的热电势eAB(t,t0)之间的关系可根据中间温度定律得到下式：eAB(t,0)=eAB(t,t0)+eAB(t0，0)由此可见，eAB(t0，0)是冷端温度t0的函数，因此需要对热电偶冷端温度进行处理。热电偶一般做得较短，一般为350～2000mm。在实际测温时，需要把热电偶输出的电势信号传输到远离现场数十米远的控制室里的显示仪表或控制仪表，这样,冷端温度t0比较稳定。解决办法：工程中采用一种补偿导线。在0～100℃温度范围内，要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性(1)热电偶补偿导线显示仪表tABA’B’0t冷端。常用补偿导线在实验室及精密测量中，通常把冷端放入0℃恒温器或装满冰水混合物的容器中，以便冷端温度保持0℃。这是一种理想的补偿方法，但工业中使用极为不便。(2)冷端0℃恒温法当冷端温度t0不等于0℃，需要对热电偶回路的测量电势值eAB（t，t0）加以修正。当工作端温度为t时，分度表可查eAB(t,0)与eAB(t0,0)。根据中间温度定律得到：eAB(t,0)=eAB(t,t0)+eAB(t0，0)(3)冷端温度修正法例子用镍铬-镍硅热电偶测量加热炉温度。已知冷端温度t0=30℃，测得热电势eAB（t，t0）为33.29mV,求加热炉温度。解：查镍铬-镍硅热电偶分度表得eAB（30，0）1.203mV。可得eAB（t，0）=eAB(t,t0)+eAB(t0,0)=33.29+1.203=34.493mV由镍铬-镍硅热电偶分度表得t=829.8℃。(4)冷端温度自动补偿法（电桥补偿法）－＋ABR1RcuR2R3tE000(,)(,)UABABABCABEtttEttURU恒定值8.2.3金属热电阻传感器的工作原理及实用电路1．金属热电阻传感器基本工作原理热电阻是利用电阻与温度成一定函数关系的特性，由金属材料制成的感温元件。当被测温度变化时，导体的电阻随温度变化而变化，通过测量电阻值变化的大小而得出温度变化的情况及大小数值，这就是热电阻测温的基本工作原理。2．常用热电阻及特性常用热电阻材料有铂、铜、铁和镍等。(1)铂电阻当温度t在-200～0℃范围内时，铂的电阻与温度的关系可表示为Rt=R0〔1+At+Bt²+Ct³（t-100