温度检测—热电偶课件.ppt

1、本章学习的主要内容有本章学习的主要内容有:1 1、了解温度测量的基本概念和方法；、了解温度测量的基本概念和方法；2 2、了解热电偶、热电阻和热敏电阻的工作原理，以及、了解热电偶、热电阻和热敏电阻的工作原理，以及它们的分类及特点；它们的分类及特点；3 3、了解一些新型非接触测温传感器的原理和使用方法。、了解一些新型非接触测温传感器的原理和使用方法。第四章第四章 温度检测温度检测第一节第一节 测温方法及温标测温方法及温标 一、温度测量的基本概念一、温度测量的基本概念 温度标志着物质内温度标志着物质内部大量分子无规则运动的部大量分子无规则运动的剧烈程度。温度越高，表剧烈程度。温度越高，表示物体内部分

2、子热运动越示物体内部分子热运动越剧烈。剧烈。模拟图：在一个密闭的空间里，气体分模拟图：在一个密闭的空间里，气体分子在高温时的运动速度比低温时快！子在高温时的运动速度比低温时快！低温低温高温高温二、温标二、温标 1 1、温度的数值表示方法称为温标。它规定、温度的数值表示方法称为温标。它规定了温度的读数的起点（即零点）以及温度的单了温度的读数的起点（即零点）以及温度的单位。各类温度计的刻度均由温标确定。位。各类温度计的刻度均由温标确定。2 2、国际上规定的温标有、国际上规定的温标有-摄氏温标、摄氏温标、华氏温标、热力学温标等。华氏温标、热力学温标等。几种温标的对比几种温标的对比 正常体温为正常体温

3、为37 C C，相相当于华氏温当于华氏温度多少度？度多少度？热力学温标（热力学温标（K K）热力学温标是建立热力学温标是建立在热力学第二定律基础在热力学第二定律基础上的最科学的温标，是上的最科学的温标，是由开尔文（由开尔文（Kelvin）根据根据热力学定律提出来的，热力学定律提出来的，因此又称开氏温标。它因此又称开氏温标。它的符号是的符号是T，单位是开尔单位是开尔文（文（K）。威廉威廉汤姆逊汤姆逊开尔文勋爵像开尔文勋爵像三、温度测量及传感器分类三、温度测量及传感器分类 温度传感器按照测量方法可分为接触式和温度传感器按照测量方法可分为接触式和非接触式；按工作原理又可分为膨胀式、电阻非接触式；按工

4、作原理又可分为膨胀式、电阻式、热电式、辐射式等等；按输出方式分，有式、热电式、辐射式等等；按输出方式分，有自发电型、非电测型等。自发电型、非电测型等。几种温度测量方法几种温度测量方法 示温涂料（变色涂料）示温涂料（变色涂料）装满装满热水后图案热水后图案变得清晰可辨变得清晰可辨变色涂料在电脑内部温度中的示温作用变色涂料在电脑内部温度中的示温作用CPU散热风扇散热风扇低温时显示蓝色低温时显示蓝色温度升高后变为红色温度升高后变为红色红外温度计红外温度计第二节第二节 接触式测温接触式测温 热电式传感器热电式传感器 利用某种材料或元件与温度有关的物理特性，将温度的变利用某种材料或元件与温度有关的物理特性

5、，将温度的变化转换成电量的变化化转换成电量的变化.热电阻热电阻:温度变化温度变化电阻变化电阻变化金属材料金属材料:热电阻热电阻半导体材料半导体材料:热敏电阻热敏电阻中温中温低温低温热电偶热电偶:温度变化温度变化热电动势变化热电动势变化常用于高温领域常用于高温领域1 1 主要优点主要优点 1、它属于自发电型传感器：测量时可以不需、它属于自发电型传感器：测量时可以不需外加电源，可直接驱动动圈式仪表；外加电源，可直接驱动动圈式仪表；2、测温范围广：下限可达、测温范围广：下限可达-270 C C，上限可达上限可达18001800 C C以上；是目前接触式测温中应用最广泛的热以上；是目前接触式测温中应用

6、最广泛的热电式传感器。电式传感器。3 3、各温区中的热电势均符合国际计量委员会、各温区中的热电势均符合国际计量委员会的标准。的标准。一、热电偶测温（接触式、热电式）一、热电偶测温（接触式、热电式）热电偶工作原理演示热电偶工作原理演示 结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势!热热电极电极A A右端：右端：自由端自由端参考端参考端冷端冷端 2 2 工作原理工作原理 左端：左端：测量端测量端工作端工作端热端热端热热电极电极B B热电势热电势AB从实验到理论：从实验到理论：热电效应热电效应 1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金年，德国物理

7、学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（点（称为结点称为结点），发现放在回路中的指南针发生），发现放在回路中的指南针发生偏转（偏转（说明什么？说明什么？），如果用两盏酒精灯对两个），如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转角反而减小（结点同时加热，指南针的偏转角反而减小（又说又说明什么？明什么？）。显然，指南针的偏转说明回路中有电动势产显然，指南针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。点的温差有关。金属金属A A 电子密度大电子密度

8、大金属金属B B 电子密度小电子密度小T TT To oE EABAB(T)(T)E EABAB(T(To o)热电效应的机理热电效应的机理E EABAB(T)(T)和和E EABAB(T(To o):):接触电势接触电势若若TTTTo oE EA A(T,T(T,To o)E EB B(T,T(T,To o)E EA A(T,T(T,To o)和和E EB B(T,T(T,To o):):温差电势温差电势-包括接触电势和温差电势包括接触电势和温差电势测量端测量端工作端工作端热端热端自由端自由端参考端参考端冷端冷端正电极正电极负电极负电极结论结论-1 1 若热电偶两电极材料相同若热电偶两电极材

9、料相同,那么即使两端温度不那么即使两端温度不2 2 同，闭合回路的总热电势仍为零。同，闭合回路的总热电势仍为零。2 2 若热电偶两电极材料不同若热电偶两电极材料不同,而两端温度相同而两端温度相同,闭合闭合3 3 回路中也不会产生总热电势。回路中也不会产生总热电势。3 3 所以所以,热电偶的工作条件是热电偶的工作条件是:电极由不同材料组成电极由不同材料组成,4 4 且两接触端温度不一样。且两接触端温度不一样。5 5 4 4 热电势的大小仅与热电势的大小仅与热电极材料热电极材料和和两端温度两端温度有关。有关。3 3 热电偶基本定律热电偶基本定律1、均质导体定则、均质导体定则 均质导体构成的闭合回路

10、均质导体构成的闭合回路,不可能产生热电效应，构不成不可能产生热电效应，构不成 热电偶。热电偶。热电偶的电极均匀性越好，则其质量越好。热电偶的电极均匀性越好，则其质量越好。2、中间导体定律、中间导体定律 导体导体A、B组成的热电偶中插入第三种导体组成的热电偶中插入第三种导体C，只要导体只要导体C两端温度相同，则对热点偶总热电势无影响。两端温度相同，则对热点偶总热电势无影响。MABCT0T123MCABBT0T1T1234 意义：意义：可用测量仪表可用测量仪表直接测量热电势直接测量热电势意义：为制定分度表奠定了理论基础意义：为制定分度表奠定了理论基础3、中间温度定律、中间温度定律A AB BA A

11、B BT TT To oT Tn nT Tn n 热电偶热电偶AB在接点温度为在接点温度为T和和To的热电势的热电势EAB(T,To)应当应当等于它在接点温度等于它在接点温度T、Tn和和Tn、To的热电势的代数和的热电势的代数和,即即 E EABAB(T,To)=(T,To)=E EABAB(T,Tn(T,Tn)+)+E EABAB(Tn,To(Tn,To)4 4 热电偶的种类及结构热电偶的种类及结构 八种八种国际通用热电偶：国际通用热电偶：B:B:铂铑铂铑3030铂铑铂铑6 6 R:R:铂铑铂铑1313铂铂 S:S:铂铑铂铑1010铂铂 K:K:镍铬镍铬镍硅镍硅 N:N:镍铬硅镍铬硅镍硅镍硅

12、 E:E:镍铬镍铬铜镍铜镍 J:J:铁铁铜镍铜镍 T:T:铜铜铜镍铜镍 用于制造用于制造铂铂热电偶热电偶的各种的各种铂铂热电偶丝热电偶丝几种常用热电偶的测温范围及热电势几种常用热电偶的测温范围及热电势 分度号分度号 名称名称 测量温度范围测量温度范围 1000 C热电势热电势/mVB铂铑铂铑3030铂铑铂铑6 6501820 C C4.8344.834R铂铑铂铑1313铂铂-501768 C C10.50610.506S铂铑铂铑1010铂铂-501768 C C9.5879.587K镍铬镍铬镍铬镍铬(铝铝)-2701370 C C41.27641.276E镍铬铜镍镍铬铜镍(康康 铜铜)2708

13、00 C C?几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线分析几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线分析 哪几种热电偶哪几种热电偶的测温上限较高？的测温上限较高？结论：结论：哪几种热电偶的哪几种热电偶的线性较差？线性较差？哪一种热电偶哪一种热电偶的灵敏度较高？的灵敏度较高？哪一种热电偶哪一种热电偶的灵敏度较低？的灵敏度较低？为什么所有的曲线均过原点（零度点）？为什么所有的曲线均过原点（零度点）？热电偶的分度表热电偶的分度表 热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法。直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是：自

14、由端（冷端）温度必须为的约束条件是：自由端（冷端）温度必须为0 0 C C。K K热电偶的热电偶的分度表分度表 比较查出的比较查出的3 3个个热电势，可以看热电势，可以看出热电势是否线出热电势是否线性？性？例例:分度表的使用分度表的使用 用分度号为用分度号为s的热电偶测温，其参比端温度为的热电偶测温，其参比端温度为 20,测得热电势测得热电势E(t,20)=11.30mV。试求被测温度。试求被测温度t。如何由热电偶的热电势查热端温度值如何由热电偶的热电势查热端温度值 设冷端为设冷端为0 0 C C，根据以下电路中的毫伏表的示值及根据以下电路中的毫伏表的示值及K热电偶的分度表，查出热端的温度热电

15、偶的分度表，查出热端的温度tx 。普通装配型普通装配型热电偶的外形热电偶的外形安装安装螺纹螺纹安装安装法兰法兰 四四 热电偶冷端的延长热电偶冷端的延长 采用相对廉价的补偿导线，可延长热电偶的冷采用相对廉价的补偿导线，可延长热电偶的冷端，使之远离高温区；可节约大量贵金属；易弯曲，端，使之远离高温区；可节约大量贵金属；易弯曲，便于敷设。便于敷设。型号型号配用热电偶配用热电偶正正-负负导线外皮颜色导线外皮颜色 正正-负负SCSC铂铑铂铑1010-铂铂红红-绿绿KCKC镍铬镍铬 -镍硅镍硅红红-蓝蓝WCWC5/265/26钨铼钨铼5 5-钨铼钨铼2626 红红-橙橙 补偿导线在补偿导线在0 01001

16、00 C范围内的热电势与配套的范围内的热电势与配套的热电偶的热电势相等，所以不影响测量精度。热电偶的热电势相等，所以不影响测量精度。补偿导线外形补偿导线外形 AB屏蔽层屏蔽层保护层保护层 五五 热电偶的冷端温度补偿热电偶的冷端温度补偿 必要性：必要性：1、用热电偶的分度表查毫伏数、用热电偶的分度表查毫伏数-温度时，必须满温度时，必须满足足t0=0 C的条件。在实际测温中，冷端温度常随环境的条件。在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化，这样温度而变化，这样t0不但不是不但不是0 C，而且也不恒定，而且也不恒定，因此将产生误差。因此将产生误差。2、一般情况下，冷端温度均高于一般情况下，冷端温度均

17、高于0 C，热电势热电势总是偏小。应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失总是偏小。应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失。冷端温度补偿的方法冷端温度补偿的方法 1、冷端恒温法：、冷端恒温法：将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中，使冷端的温度保持在恒温容器中，使冷端的温度保持在0 C不变。不变。此法也称冰浴法，它消除了此法也称冰浴法，它消除了t0不等于不等于0 C而引而引入的误差，由于冰融化较快，所以一般只适入的误差，由于冰融化较快，所以一般只适用于实验室中。用于实验室中。冰浴法冰浴法 在冰瓶中，冰水混合物的温在冰瓶中，冰水混合物的温度能较长时间地保持在度能较长

18、时间地保持在0 0 C C不变。不变。冰浴法接线图冰浴法接线图 1被测流体管道被测流体管道 2热电偶热电偶 3接线盒接线盒 4补偿导线补偿导线 5铜质导线铜质导线 6毫伏表毫伏表 7冰瓶冰瓶 8冰水混合物冰水混合物 9试管试管 10新的冷端新的冷端 2、计算修正法、计算修正法 当热电偶的冷端温度当热电偶的冷端温度t0 0 C时，由于热端与冷时，由于热端与冷端的温差随冷端的变化而变化，所以测得的热电势端的温差随冷端的变化而变化，所以测得的热电势EAB（t，t0）与冷端为与冷端为0 C时所测得的热电时所测得的热电势势EAB（t，0 C）不等。若冷端温度高于不等。若冷端温度高于0 C，则，则EAB（

19、t，t0）EAB（t，0 C）。）。可以利用下式计算并修正测量误差：可以利用下式计算并修正测量误差：EAB（t，0 C）=EAB（t，t0）+EAB（t0，0 C）3、仪表机械零点调整法、仪表机械零点调整法 用螺丝刀用螺丝刀调节仪表调节仪表面板上的面板上的“机械零机械零点点”，使，使指针指到指针指到气温气温t0（图图中为中为40 40 C）的的刻度上。刻度上。机械零点机械零点指针被预调到室温（指针被预调到室温（40 C）可补偿冷端损失可补偿冷端损失4、电桥补偿法、电桥补偿法 XT-WBC热电偶热电偶 冷端补偿器冷端补偿器 电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压电桥补偿法是利用不平衡电桥产生

20、的不平衡电压来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值，可购买与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥。化值，可购买与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥。六六 热电偶的应用及配套仪表热电偶的应用及配套仪表 由于我国生产的热电偶均符合由于我国生产的热电偶均符合ITS-90国际温标国际温标所规定的标准，其一致性非常好，所以国家又规定所规定的标准，其一致性非常好，所以国家又规定了与每一种标准热电偶配套的仪表，它们的显示值了与每一种标准热电偶配套的仪表，它们的显示值为温度，而且均已线性化。国家标准的动圈式显示为温度，而且均已线性化。国家标准的动圈式显示仪表命名

21、为仪表命名为XC系列。有指示型（系列。有指示型（XCZ）和指示调节和指示调节型（型（XCT）等系列品种。与等系列品种。与K型热电偶配套的动圈型热电偶配套的动圈仪表型号为仪表型号为XCZ-101或或XCT-101等。数字式仪表也等。数字式仪表也有指示型（有指示型（XMZ）和指示调节型和指示调节型（XMT）等几种系等几种系列品种。列品种。XMZ系列智能系列智能数字显示仪表外形数字显示仪表外形 XC系列系列动圈式仪动圈式仪表测量机构的核心部件表测量机构的核心部件是一个磁电式毫伏计。是一个磁电式毫伏计。动圈式仪表与热电偶配动圈式仪表与热电偶配套测温时，热电偶、连套测温时，热电偶、连接导线（补偿导线）、

22、接导线（补偿导线）、调整电阻和显示仪表组调整电阻和显示仪表组成了一个闭合回路。成了一个闭合回路。1热电偶热电偶 2补偿导线补偿导线 3冷端补偿器冷端补偿器 4外接调整电阻外接调整电阻 5铜导线铜导线 6动圈动圈 7张丝张丝 8磁钢（极靴）磁钢（极靴）9指针指针 10刻度面板刻度面板 XMZ系列智能数字显示仪表系列智能数字显示仪表 特点：特点：1、带冷端温度自动补偿；、带冷端温度自动补偿；2、单片机智能化设计，仪表零点、量程等全部、单片机智能化设计，仪表零点、量程等全部参数可按键设定；参数可按键设定；3、具有软件校验功能，可通过按键对仪表进行校、具有软件校验功能，可通过按键对仪表进行校准；准；4、具有超量程指示、断线指示等故障自诊断功能；、具有超量程指示、断线指示等故障自诊断功能；5、采用开关电源，电压适应范围宽，仪表体积小、采用开关电源，电压适应范围宽，仪表体积小、重量轻。重量轻。6、220VAC或或24VDC供电电源供电电源。休休 息息 一一 下下