《自动检测技术与装置》电子课件

《自动检测技术与装置》电子课件,自动检测技术与装置,自动检测,技术,装置,电子,课件 1.热电效应热电效应热电偶的工作原理热电偶的工作原理 第五节 热电式检测元件热电式检测元件是利用敏感元件将热电式检测元件是利用敏感元件将温度变化温度变化转换为转换为电电量的变化量的变化，从而达到测量温度的目的，从而达到测量温度的目的.第五节 热电式检测元件热电势热电势热电势热电势 E EABAB(T,TT,T0 0)B BA AT T0 0T T热电偶热电偶热电偶热电偶热电极热电极热电极热电极热端（工作端）热端（工作端）热端（工作端）热端（工作端）冷端（自由端）冷端（自由端）冷端（自由端）冷端（自由端）B BA AT T0 0T T（1 1 1 1）接触电动势）接触电动势）接触电动势）接触电动势接触电势接触电势接触电势接触电势温差电势温差电势温差电势温差电势若金属若金属A的自由电子浓度大于金属的自由电子浓度大于金属B的，则在同一瞬间由的，则在同一瞬间由A扩扩散到散到B的电子将比由的电子将比由B扩散到扩散到A的电子多，因而的电子多，因而A A对于对于B B因失去因失去电子而带正电，电子而带正电，B B获得电子而带负电，在接触处便产生电场。获得电子而带负电，在接触处便产生电场。A、B之间便产生了一定的接触电动势。之间便产生了一定的接触电动势。热电势热电势热电势热电势 E EABAB(T,TT,T0 0)第五节 热电式检测元件B BA AT T0 0T T接触电动势的大小与两种金属的材料、接点的温度有关，与导体接触电动势的大小与两种金属的材料、接点的温度有关，与导体的直径、长度及几何形状无关。的直径、长度及几何形状无关。对于温度为对于温度为T的接点，有下列接触电动势公式：的接点，有下列接触电动势公式：上式说明接触电动势的大小与上式说明接触电动势的大小与上式说明接触电动势的大小与上式说明接触电动势的大小与接点温度接点温度接点温度接点温度的高低及导体中的的高低及导体中的的高低及导体中的的高低及导体中的电子密电子密电子密电子密度度度度有关。有关。有关。有关。第五节 热电式检测元件B BA AT T0 0T T对于任何一种金属，当其两端温度不同时，两端的自由电子浓对于任何一种金属，当其两端温度不同时，两端的自由电子浓度也不同，温度高的一端浓度大，具有较大的动能；温度低的度也不同，温度高的一端浓度大，具有较大的动能；温度低的一端浓度小，动能也小。因此高温端的自由电子要向低温端扩一端浓度小，动能也小。因此高温端的自由电子要向低温端扩散，高温端因失去电子而带正电，低温端得到电子而带负电，散，高温端因失去电子而带正电，低温端得到电子而带负电，形成温差电动势，又称汤姆森电动势形成温差电动势，又称汤姆森电动势。（2 2）温差电动势）温差电动势）温差电动势）温差电动势第五节 热电式检测元件B BA AT T0 0T T温差电动势的大小取决于导体的材料及两端的温度。导体温差电动势的大小取决于导体的材料及两端的温度。导体A两端两端的温差电动势可用下式表示：的温差电动势可用下式表示：eA（T，T0）:导体导体A两端温度分别为两端温度分别为T、T0时形成的温差电动势；时形成的温差电动势；T、T0:高、低温端的绝对温度；高、低温端的绝对温度；A:汤姆逊系数，表示导体汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为两端的温度差为1时所产生的温差电动势。时所产生的温差电动势。第五节 热电式检测元件同样导体同样导体B两端的温差电动势如下式所示：两端的温差电动势如下式所示：B BA AT T0 0T T闭合回路总的热电势闭合回路总的热电势闭合回路总的热电势闭合回路总的热电势(3)(3)回路总电动势回路总电动势回路总电动势回路总电动势第五节 热电式检测元件 热电偶回路的热电动势只与组成热电偶的材料及两端接点的温热电偶回路的热电动势只与组成热电偶的材料及两端接点的温度有关；与度有关；与热电偶的长度、粗细、形状无关热电偶的长度、粗细、形状无关。2.2.2.2.热电偶基本性质热电偶基本性质热电偶基本性质热电偶基本性质 只有用不同性质的材料才能组合成热电偶，相同材料不会产生只有用不同性质的材料才能组合成热电偶，相同材料不会产生热电动势。因为当热电动势。因为当A、B两种导体是同一种材料时，两种导体是同一种材料时，ln（NA/NB）=0，所以，所以EAB（T，T0）=0。第五节 热电式检测元件 只有当热电偶只有当热电偶两端温度不同时两端温度不同时，不同材料组成的热电偶才能有，不同材料组成的热电偶才能有热电动势产生；当热电偶两端温度相同时，不同材料组成的热电热电动势产生；当热电偶两端温度相同时，不同材料组成的热电偶也不产生热电动势，即偶也不产生热电动势，即EAB（T，T0）=0。导体材料确定后，热电动势的大小只与热电偶两端的温度有关。导体材料确定后，热电动势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使如果使eAB（T0）=常数，则回路热电动势常数，则回路热电动势EAB（T，T0）就只与温）就只与温度度T有关，而且是有关，而且是T的单值函数，这就是利用的单值函数，这就是利用热电偶测温的基本原理热电偶测温的基本原理。第五节 热电式检测元件 对于有几种不同材料串联组成的闭合回路，若各接对于有几种不同材料串联组成的闭合回路，若各接点温度分别为点温度分别为T1、T2TN，闭合回路总的热电动势，闭合回路总的热电动势为：为：第五节 热电式检测元件3.3.热电偶基本定律热电偶基本定律热电偶基本定律热电偶基本定律(1)均质导体定律均质导体定律如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，无论两接点的温度如如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，无论两接点的温度如何，热电动势均为零；反之，如果有热电动势产生，两个热电极何，热电动势均为零；反之，如果有热电动势产生，两个热电极的材料则一定是不同的。的材料则一定是不同的。根据这一定律，可以检验两个热电极材料的成分是否相同根据这一定律，可以检验两个热电极材料的成分是否相同(称为同称为同名极检验法名极检验法)，也可以检查热电极材料的均匀性。，也可以检查热电极材料的均匀性。第五节 热电式检测元件(2)(2)中间导体定律中间导体定律中间导体定律中间导体定律在热电偶回路中接入第三种导体在热电偶回路中接入第三种导体在热电偶回路中接入第三种导体在热电偶回路中接入第三种导体C C，只要第三种导体的，只要第三种导体的，只要第三种导体的，只要第三种导体的两接点温两接点温两接点温两接点温度相同度相同度相同度相同，则回路中总的热电动势不变。，则回路中总的热电动势不变。，则回路中总的热电动势不变。，则回路中总的热电动势不变。右图回路中的总电动势为：右图回路中的总电动势为：右图回路中的总电动势为：右图回路中的总电动势为：第五节 热电式检测元件如果回路中三个接点的温度都相同，即如果回路中三个接点的温度都相同，即如果回路中三个接点的温度都相同，即如果回路中三个接点的温度都相同，即T TT T0 0，则回路总电动势必，则回路总电动势必，则回路总电动势必，则回路总电动势必为零，即：为零，即：为零，即：为零，即：则则则则即即即即第五节 热电式检测元件如果按右图接入第三种导体如果按右图接入第三种导体如果按右图接入第三种导体如果按右图接入第三种导体C C，则回路中的总电动势为：则回路中的总电动势为：则回路中的总电动势为：则回路中的总电动势为：而而而而所以所以所以所以第五节 热电式检测元件(3)(3)标准电极定律标准电极定律标准电极定律标准电极定律如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动势如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就可知。已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就可知。第五节 热电式检测元件两式相减得：两式相减得：两式相减得：两式相减得：第五节 热电式检测元件若一个热电偶由若一个热电偶由A、B、C三种导体组成，且回路中三个接点的三种导体组成，且回路中三个接点的温度都相同，则回路总电动势必为零，即：温度都相同，则回路总电动势必为零，即：或或或或第五节 热电式检测元件代入式代入式代入式代入式即导体即导体即导体即导体A A与与与与B B组成的热电偶的热电动势也可知。组成的热电偶的热电动势也可知。组成的热电偶的热电动势也可知。组成的热电偶的热电动势也可知。第五节 热电式检测元件可得：可得：可得：可得：解解：由由标标准准电电极极定定律律，镍镍铬铬和和考考铜铜热热电电偶偶的的热热电电动动势势应应等等于于镍镍铬铬合金与合金与纯铂纯铂热电偶与热电偶与考铜考铜与与纯铂纯铂热电偶的热电动势的差，即热电偶的热电动势的差，即例例 热端为热端为100、冷端为、冷端为0时，时，镍铬镍铬合金与合金与纯铂纯铂组成的热电偶组成的热电偶的热电动势为的热电动势为2.95mV，而，而考铜考铜与与纯铂纯铂组成的热电偶的热电动势为组成的热电偶的热电动势为-4.0mV，求，求镍铬镍铬和和考铜考铜组合而成的热电偶所产生的热电动势。组合而成的热电偶所产生的热电动势。2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV第五节 热电式检测元件(4)(4)中间温度定律中间温度定律中间温度定律中间温度定律热电偶在两接点温度分别为热电偶在两接点温度分别为T、T0时的热电动势等于该热电偶在时的热电动势等于该热电偶在接点温度分别为接点温度分别为T、Tn和接点温度分别为和接点温度分别为Tn、T0时的相应热电动时的相应热电动势的代数和。势的代数和。第五节 热电式检测元件证明：证明：证明：证明：即：即：即：即：对于冷端温度不是零度时，热电偶如何分度表的问题提供了依据。对于冷端温度不是零度时，热电偶如何分度表的问题提供了依据。第五节 热电式检测元件当当当当T T T Tn n n n=0=0=0=0时，则：时，则：时，则：时，则：上式说明：只要上式说明：只要A、B组成的热电偶在冷端温度为零时的组成的热电偶在冷端温度为零时的“热电动热电动势势 温度温度”关系已知，则它在冷端温度不为零时的热电动势即可关系已知，则它在冷端温度不为零时的热电动势即可知。知。第五节 热电式检测元件中间温度定律表明：当在原来热电偶回路中间温度定律表明：当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料中分别引入与导体材料A、B相同热电特性相同热电特性的材料的材料C、D即引入所谓即引入所谓补偿导线补偿导线时，只要时，只要它们之间连接的两点温度相同，则总回路它们之间连接的两点温度相同，则总回路的热电动势与两连接点温度无关，只与的热电动势与两连接点温度无关，只与热热电偶两端的温度有关电偶两端的温度有关。第五节 热电式检测元件由于由于由于由于A A与与与与C C、B B与与与与D D的热电特性相同，由热电偶的基本性质的热电特性相同，由热电偶的基本性质的热电特性相同，由热电偶的基本性质的热电特性相同，由热电偶的基本性质可知：可知：可知：可知：e eACAC（T Tn n）=e eBDBD（T Tn n）=0=0，则回路总电动势为，则回路总电动势为，则回路总电动势为，则回路总电动势为:第五节 热电式检测元件第五节 热电式检测元件n热电偶冷端的温度补偿 只有当热电偶冷端的温度保持不变时，热电势才是被测温度的只有当热电偶冷端的温度保持不变时，热电势才是被测温度的单值函数。单值函数。一般情况下，分度表或者显示仪表都是以热电偶冷端温度为零度。一般情况下，分度表或者显示仪表都是以热电偶冷端温度为零度。实际使用时，冷端很难保持零度并且往往冷端温度有波动。因此要实际使用时，冷端很难保持零度并且往往冷端温度有波动。因此要对热电偶冷端进行温度补偿。对热电偶冷端进行温度补偿。第五节 热电式检测元件n热电偶的误差n分度引起的误差n冷端温度引起的误差n测量线路及仪表误差n干扰和漏电引起的误差第五节 热电式检测元件二、晶体管温度检测元件晶体管温度检测元件 nPN结温度检测元件 根据半导体原理，晶体管的PN结的伏安特 性与温度有关，利用这一特性可构成温度 检测元件第五节 热电式检测元件PN结的正向电压与温度的关系：结的正向电压与温度的关系：图2.36 二极管的温度特性在在-40100的温度区间内，的温度区间内，其其PN结电压与温度具有结电压与温度具有较好的线性关系。较好的线性关系。与热电偶相比具有较高的灵与热电偶相比具有较高的灵敏度。敏度。第五节 热电式检测元件n晶体三极管温度检测元件 当发射结处于正向偏置时，其发射极电流Ie与基极发射极间的电压Vbe的关系可表示为第五节 热电式检测元件图2.37硅晶体管的Vbe与温度T的特性曲线 图2.38硅晶体管的Vbe及dVbe/dT 与温度的特性曲线由于在金属中自由电子数目很多，温度对自由电子密度的影响很小，由于在金属中自由电子数目很多，温度对自由电子密度的影响很小，故温差电动势可以忽略不计，在热电偶回路中起主要作用的是接触故温差电动势可以忽略不计，在热电偶回路中起主要作用的是接触电动势。电动势。NAT和和NAT0可记做可记做NA，NBT和和NBT0可记做可记做NB，则，则 有有在标定热电偶时，一般使在标定热电偶时，一般使T0为常数，则为常数，则 第五节 热电式检测元件