1、2022-6-211第第4 4章章 热电偶传感器热电偶传感器 本章学习的主要内容有本章学习的主要内容有:1、了解、了解温度测量温度测量的的基本概念基本概念和方法；和方法；2、理解、理解热电偶热电偶的工作原理，；的工作原理，；3、了解热电偶的、了解热电偶的分类及特点分类及特点。 2022-6-212温度测量的基本概念温度测量的基本概念 一一、温度测量温度测量的基本概念的基本概念 温度标志着物温度标志着物质内部大量分子无质内部大量分子无规则运动的剧烈程规则运动的剧烈程度。温度越高，表度。温度越高，表示物体内部分子热示物体内部分子热运动越剧烈。运动越剧烈。 模拟图：模拟图：在一个密闭的空间里，气体分
2、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2022-6-213二、温标二、温标 1 1、温度的数值表示方法称为温标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）它规定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以及温度的单位。各类温度计的刻度均由温标确定。由温标确定。 2 2、国际上规定的温标有：摄氏温标、国际上规定的温标有：摄氏温标、华氏温标、热力学温标等。华氏温标、热力学温标等。 2022-6-214几种温标的对比几种温标的对比 正常体温正常体温为为37 C C ，相当于华相当于华氏温度多氏温
3、度多少度？少度？2022-6-215热力学温标（热力学温标（K K） 热力学温标是建热力学温标是建立在热力学第二定律立在热力学第二定律基础上的最科学的温基础上的最科学的温标，是由开尔文标，是由开尔文（Kelvin）根据热力）根据热力学定律提出来的，因学定律提出来的，因此又称开氏温标。它此又称开氏温标。它的符号是的符号是T，单位是，单位是开尔文（开尔文（K） 。威廉威廉汤姆逊汤姆逊开尔文勋爵像开尔文勋爵像2022-6-216三、温度测量及传感器分类三、温度测量及传感器分类 温度传感器按照温度传感器按照用途用途可分为基准温度计和可分为基准温度计和工业温度计；按照测量方法又可分为工业温度计；按照测量
4、方法又可分为接触式接触式和和非接触式非接触式；按工作原理又可分为；按工作原理又可分为膨胀式膨胀式、电阻电阻式式、热电式热电式、辐射式辐射式等等；按输出方式分，有等等；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。 2022-6-217介绍几种温度测量方法介绍几种温度测量方法 示温涂料（变色涂料）示温涂料（变色涂料）装满热水后图案装满热水后图案变得清晰可辨变得清晰可辨2022-6-218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散散热风扇热风扇低温时显示低温时显示蓝色蓝色温度升高后变为红色温度升高后变为红色2022-6-219体积体积热膨胀式热膨胀式
5、 不需要电源，耐用；但不需要电源，耐用；但感温部件体积较大。感温部件体积较大。 气体的体积与气体的体积与热力学温度成正比热力学温度成正比2022-6-2110红外温度计红外温度计2022-6-2111热电偶测温的主要优点热电偶测温的主要优点 1、它属于、它属于自发电型自发电型传感器：测量时可以传感器：测量时可以不需外加电源，可直接驱动动圈式仪表；使用不需外加电源，可直接驱动动圈式仪表；使用十分方便，所以常被用作测量炉子、管道内的十分方便，所以常被用作测量炉子、管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度。气体或液体的温度及固体的表面温度。 2、测温范围广、测温范围广：下限可达：下限可达-270 C
6、 C ，上限，上限可达可达18001800 C C以上；以上； 3 3、各温区中的热电势均符合、各温区中的热电势均符合国际计量委国际计量委员会员会的标准。的标准。 4 4、便于远距离测量和多点测量，可测温、便于远距离测量和多点测量，可测温度、温度差或者平均温度度、温度差或者平均温度2022-6-2112先看一个实验先看一个实验热电偶工作原理演示热电偶工作原理演示 热电极热电极A A右端称为：右端称为：自由端自由端（参考（参考端、端、冷冷端端） 热电偶的工作原理热电偶的工作原理 左端称为：左端称为：测量端测量端（工作（工作端、端、热热端端） 热电极热电极B B热电势热电势AB2022-6-211
7、3从实验到理论：热电效应n指南针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回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点的温差有关路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关n将两种不同的导体（或半导体）A、B组合成闭合回路。若两结点处温度不同，则回路中将有电流流动，即回路中有热电动势存在。n此电动势的大小除了与材料本身的性质有关以外,还决定于结点处的温差，这种现象称为热电效应或塞贝克效应。2022-6-2114结点产生热电势的结点产生热电势的微观微观解释及解释及图形符号图形符号 两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的
8、密度不同，在两金属自由电子的密度不同，在两金属A和和B的接触点处会的接触点处会发生自由电子的发生自由电子的扩散现象扩散现象。自由电子将从密度大的金。自由电子将从密度大的金属属A扩散到密度小的金属扩散到密度小的金属B，使，使A失去电子带正电失去电子带正电，B得到电子带负电得到电子带负电，从而产生，从而产生热电势热电势。 自由自由电子电子ABeAB（ T T ）T T2022-6-2115n热电偶就是根据此原理设计制作的将温差转换为电势量的热电式传感器。热电效应产生的热电势是由接触电势和温差电势两部分组成的。2022-6-2116（一）接触电势n产生原因：两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自
9、由电子的密度不同，在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，从而产生接触电势：自自由由电电子子ABe eABAB(T(T) )T Tk：波尔兹曼常数；：波尔兹曼常数； e：单位电荷电量；：单位电荷电量； nA、nB：温度为：温度为T时时,导体导体A、B的自由电子密度。的自由电子密度。2022-6-2117（二）温差电动势n温度标志着物质内部大量分子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。 模拟图：在一个密闭的空模拟图：在一个密闭的空间里，气体分子在高温时间里，气体分子在高温时的运
10、动速度比低温时快！的运动速度比低温时快！温度的影响温度的影响2022-6-2118定义：同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势温差电动势n同一导体的两端温度不同时, 高温端的电子能量要比低温端的电子能量大, 因而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, 形成一个静电场，该静电场阻止电子继续向低温端迁移，最后达到动态平衡。因此， 在导体两端便形成温差电势，公式：为汤姆逊系数，表示导体两端温度为汤姆逊系数，表示导体两端温度为为1摄氏度时产生的温差电势。摄氏度时产生的温差电势。2022-6-2119热电偶回路的热电
11、势n热电偶回路中总的热电势应是接触电势与温差电势之和。E EABAB（T T，T T0 0）= =e eABAB（T T）+e eB B（T T，T T0 0）- -e eABAB（T T0 0）- -e eA A（T T，T T0 0）经实践证明，在热电偶中起主要作用的是接触电动势，经实践证明，在热电偶中起主要作用的是接触电动势，温差电动势只占极小部分。可以忽略不计：温差电动势只占极小部分。可以忽略不计：2022-6-2120有关热电偶热电势的讨论有关热电偶热电势的讨论 热电偶两结点所产生的总的热电偶两结点所产生的总的热电势热电势等于热端热电势等于热端热电势与冷端热电势与冷端热电势之差之差，
12、是两个结点的，是两个结点的温差温差tt 的函数的函数： EAB（T，T0）=eAB （ T T ）- - eAB （ T T0 ）当热电偶两电极材料固定后，热电动势便是两当热电偶两电极材料固定后，热电动势便是两接点温度为接点温度为T和和T0时的函数差：时的函数差：2022-6-2121对于已选定的热电偶对于已选定的热电偶, 当参考端温度当参考端温度T0恒定时恒定时, EAB(T0)为常数为常数,则总的热电动势就只与温度则总的热电动势就只与温度T成单值函数关成单值函数关系系, 即即热电势大致与热电势大致与两个结点的两个结点的温差温差tt 成正比成正比2022-6-2122二、有关热电偶的几点结论
13、n规定：AB(T,T0)的含义，按位置顺序uA表示热电偶正极；B表示负极uT表示测量端温度；T0表示冷端温度；u符号变化，位置规定的含义不变。uAB(T,T0)=-EBA(T,T0)=-EAB(T0,T)n解释：当nAnB,A为正极，B为负极。脚注AB的顺序表示电动势的方向。当脚注顺序改变时，电动势前面的符号（、）随之改变。2022-6-2123n1）热电势的大小仅与材料的性质及其两端点的温度有关，而与热电偶的形状、大小无关。u烧断的热电偶可重新焊接，用于测温。n2）如果构成热电偶的两个热电极为材料相同的均质导体，则无论两结点温度如何，热电偶回路内的总热电势为零均质导体定律u必须采用两种不同的
14、材料作为热电极。0ln),(tt00dTNNekttEAtAtAB温差电动温差电动势只占极小势只占极小部分部分2022-6-2124n3）如果热电偶两结点温度相等t=t0，热电偶回路内的总电势亦为零。n4）热电偶AB的热电势与A、B材料的中间温度无关，只与结点温度有关。n5）中间导体定律 u利用热电偶进行测温, 必须在回路中引入连接导线和仪表, 接入导线和仪表后会不会影响回路中的热电势呢？0ln),(tt00dTNNekttEBtAtAB2022-6-2125热电偶定律n1、中间导体定律 u利用热电偶进行测温, 必须在回路中引入连接导线和仪表, 接入导线和仪表后会不会影响回路中的热电势呢？中间
15、导体定律：在热电偶测温回路内中间导体定律：在热电偶测温回路内, 接入第三种导体接入第三种导体C, 只只要其两端温度相同要其两端温度相同, 则对回路的总热电势没有影响。则对回路的总热电势没有影响。2022-6-2126l 证明:中间导体定律 由于温差电势可忽略不计, 则回路中的总热电势等于各接点的接触电势之和E EABCABC(T,T(T,T0 0)=e)=eABAB(T)+e(T)+eBCBC(T(T0 0)+e)+eCACA(T(T0 0) ) （* *）当当T=TT=T0 0时时, ,有有E EABCABC(T(T0 0)=e)=eABAB(T(T0 0 )+e )+eBCBC(T(T0
16、0)+e)+eCACA(T(T0 0)=0)=0由此得由此得e eABAB(T(T0 0 ) )-e-eBCBC(T(T0 0)-e)-eCACA(T(T0 0)=0)=0代入代入（* *）式式ABCABC(T,T(T,T0 0)=e)=eABAB(T)-e(T)-eABAB(T(T0 0)=e)=eABAB(T,T(T,T0 0) ) 同理同理, ,加入第四、第五种导体后加入第四、第五种导体后, ,只要加入的导体两端温只要加入的导体两端温度相等度相等, ,同样不影响回路中的总热电势。同样不影响回路中的总热电势。 2022-6-2127n利用热电偶测温时，连接导线和显示仪表等均可看成中间导体。
17、根据中间导体定律只要保证连接导线和显示仪表各自两端的温度相同，则对热电偶的热电势没有影响。因此中间导体定律对热电偶的实际应用有十分重要的意义。图利用中间导体定律制成开路电偶测量金属和金属壁面的温度。n根据此定律，除可在热电偶测温回路中接入各种类型的显示仪表或调节器外，也可以推广到对液态金属材料和固态金属材料表面的温度测量，如图所示。有时为了提高测量精度，或者为了使用上的方便，将热电极A和B直接插入液态金属或焊在固体金属表面上。例如，用热电偶连续测量铁水的温度就是这样的。在连续测量过程中，热电极不断地被铁水熔掉，而根据这个定律，就不需要先焊接了。 T0ABT金属壁面MM连接管热电偶液态金属202
18、2-6-2128n2、中间温度定律n热电偶T与T0之间若有一温度Tn，热电偶的热电动势AB(T,T0)可以用AB(T,Tn)与AB(Tn,T0)的和来表示。n证明n中间温度定律为热电偶分度表的制定和使用奠定了基础。2022-6-2129n3、参考电极定律u当结点温度为t, t0时，用导体A，B组成的热电偶的热电动势等于AC热电偶和CB热电偶的热电动势的代数和。)t(t,E-)t(t,E)t(t,E0BC0AC0AB+Att0+tt0+tt0CCBBA)(tE-(t)E)t(t,E0ACAC0AC)(tE-(t)E)t(t,E0BCBC0BC如图，导体如图，导体A A、B B分别与标准电极分别与
19、标准电极C C组成热电偶，若它们所产生的组成热电偶，若它们所产生的热电动势为已知，即热电动势为已知，即那么，导体那么，导体A A与与B B组成的热电偶，其组成的热电偶，其热电动势可由下式求得：热电动势可由下式求得：2022-6-2130参考电极定律是一个极为实用的定律n纯金属的种类很多，合金类型更多。要得出这些金属之间组合而成热电偶的热电动势，工作量极大。由于铂的物理、化学性质稳定，熔点高，易提纯，所以，通常选用高纯铂丝作为标准电极，只要测得各种金属与纯铂组成的热电偶的热电动势表4-2，则各种金属之间相互组合而成的热电偶的热电动势可直接计算。n例如：热端为100，冷端为0时，镍铬合金与纯铂组成
20、的热电偶的热电动势为2.95mV，考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为-4.0mV；则镍铬和考铜组合成的热电偶所产生的热电动势：u2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV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2022-6-2131三、热电偶冷端温度补偿n热电效应的原理可知，热电偶产生的热电动势与两端温度有关。只有将冷端的温度恒定，热电动势才是热端温度的单值函数。必要性：1、用热电偶的分度表查毫伏数-温度时，必须满足t0=0C的条件。在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化，这样t0不但不是0C，而且也不恒定， 因此将产生误差。2、 一般情况下，冷端温度均高于0C，热
21、电势总是偏小。应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失 。2022-6-2132nA、冷端冰浴法（0恒温器）n将热电偶的冷端置于温度为0的恒温器内(如冰水混合物)，使冷端温度处于0。这种装置通常用于实验室或精密的温度测量。在冰杯中，冰水混合物的温在冰杯中，冰水混合物的温度能较长时间地保持在度能较长时间地保持在0 0 C C不变。不变。2022-6-2133B、冷端恒温法n将热电偶的冷端置于各种恒温器内，使之保持温度恒定，避免由于环境温度的波动而引入误差。这类恒温器可以是盛有变压器油的容器，利用变压器油的热惰性恒温；也可以是电加热的恒温器。这类恒温器的温度不为0，故最后还需对热电偶进行冷端温度修正。
22、1被测流体管道 2热电偶 3接线盒 4补偿导线 5铜质导线 6毫伏表 7恒温器 8混合物 9试管 10新冷端 2022-6-2134冷端温度的修正计算n当热电偶的冷端温度t00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EAB（t，t0）与冷端为0时所测得的热电势EAB（t，0）不等。若冷端温度高于0，则EAB（t，t0）EAB（t，0）。下式计算并修正测量误差：nEAB（t，0）=EAB（t，t0）+EAB（t0，0）E EABAB(t(t，0)0)为热电偶热端温度为为热电偶热端温度为t t，冷端，冷端温度为温度为0 0时的热电动势；时的热电动势；E EABAB(t(t，t
23、t0 0) )为热电偶热端温度为为热电偶热端温度为t t，冷端，冷端温度为温度为t t0 0时的热电动势；时的热电动势；E EABAB(t(t0 0，0)0)为热电偶热端温度为为热电偶热端温度为t t0 0，冷，冷端温度为端温度为0 0时的热电动势。时的热电动势。2022-6-2135例：用镍铬-镍硅热电偶测炉温，当冷端温度为30 (且为恒定时)，测出热端温度为t时的热电动势为39.17mV，求炉子的真实温度。2022-6-2136由镍铬-镍硅热电偶分度表查出E(30，0)=1.203mV根据公式计算出再通过分度表查出其对应的实际温度为：t=9772022-6-2137nC 机械调零法n在精度
24、要求不高的场合，可将动圈仪表的机械零点调至热电偶冷端所处的温度T0处。2022-6-2138电桥补偿法n电桥补偿法是利用不平衡电桥产生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化值，可购买与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥。 XT-WBC热电偶端补偿器2022-6-2139（一）补偿导线法n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，便于敷设。 n所谓补偿导线：实际上是一对材料化学成分不同的导线，在0100温度范围内与配接的热电偶有一致的热电特性，但价格相对要便宜。若利用补偿导线，将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所(如仪表室)，其实质是相
25、当于将热电极延长。2022-6-2140补偿导线型号补偿导线型号书书p70 p70 表表4 43 3 2022-6-2141补偿导线外形 AABB屏蔽层屏蔽层保护层保护层2022-6-2142在使用延长线时的应注意以下几方面：n各种延长线只能与相应型号的热电偶配用，而且必须在规定的温度范围内使用；n注意极性，不能接反，否则会造成更大的误差；n延长线与热电偶连接的两个结点，其温度必须相同。2022-6-2143第三节第三节 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10
26、10铂铂 、 K:K:镍铬镍铬镍硅镍硅 、N:N:镍铬硅镍铬硅镍硅镍硅 、 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) -
27、2701370 C C41.27641.276E镍铬铜镍镍铬铜镍 (康康 铜铜)270800 C C?5种热电偶的测温范围与热电势各有什么特点？种热电偶的测温范围与热电势各有什么特点？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 我国从我国从1991年开始采用国际计量委员会规年开始采用国际计量委员会规定的定的“1990年国际温标年国际温标”（简称（简称ITS-90）的新）的新标准。按此标准，制定了相应的分度表，并且标准。按此标准，制定了相应的分度表，并且有相应的线性化集成电路与之对应。有相应的线性化集成电路与之对应。 直接从热电偶的
28、分度表查温度与热电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：势的关系时的约束条件是：自由端（冷端）自由端（冷端）温度必须为温度必须为0 0 C C。 本教材本教材p41p41的的表表4 41 1列出了列出了工业中常工业中常用的用的热电偶如镍铬热电偶如镍铬-镍硅（镍硅（K）的分度表。的分度表。2022-6-2146普通装配型普通装配型热电偶热电偶的外形的外形安装安装螺纹螺纹安装安装法兰法兰2022-6-2147普通普通装配型装配型热电偶的热电偶的结构结构放大图放大图 接线盒接线盒引出线套管引出线套管 固定螺纹固定螺纹 （出厂时用塑料包裹）（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）热电
29、偶工作端（热端） 不锈钢不锈钢保护管保护管 2022-6-2148n普通型热电偶主要用于测量气体、液体、蒸汽等物质的温度。由于在基本相似的条件下使用，因此普通型热电偶已制成标准形式。n棒形、角形、锥形等2022-6-2149铠装型热电偶外形铠装型热电偶外形法兰法兰铠装型热电偶可铠装型热电偶可 长达上百米长达上百米薄壁金属薄壁金属 保护套管保护套管（铠体）（铠体） BA绝缘绝缘 材料材料铠装型热电偶铠装型热电偶横截面横截面2022-6-2150铠装型热电偶铠装型热电偶 铠装热电偶的制造工艺：铠装热电偶的制造工艺：把热电极材料与高温绝把热电极材料与高温绝缘材料预置在金属保护管中、运用同比例压缩延伸
30、工缘材料预置在金属保护管中、运用同比例压缩延伸工艺、将这三者合为一体，制成各种直径、规格的铠装艺、将这三者合为一体，制成各种直径、规格的铠装偶体，再截取适当长度、将工作端焊接密封、配置接偶体，再截取适当长度、将工作端焊接密封、配置接线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。 铠装热电偶特点：铠装热电偶特点：内部的热电偶丝与外界空气隔内部的热电偶丝与外界空气隔绝，有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗绝，有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力冲击的特性。铠装热电偶可以制作得很细，机械外力冲击的特性。铠装热电偶可以制作得很细，能解决能解决微小、狭窄场合微小
31、、狭窄场合的测温问题，且具有抗震、的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。可弯曲、超长等优点。 2022-6-2151隔爆隔爆型热电偶外形型热电偶外形厚壁保护管厚壁保护管压铸的接线盒压铸的接线盒电缆线电缆线2022-6-2152隔爆隔爆型热电偶型热电偶 结构特点结构特点：隔爆热电偶的接线盒在设计时采用防：隔爆热电偶的接线盒在设计时采用防爆的特殊结构，它的接线盒是经过爆的特殊结构，它的接线盒是经过压铸压铸而成的，有一而成的，有一定的厚度、隔爆空间，定的厚度、隔爆空间，机构强度机构强度较高；采用螺纹隔爆较高；采用螺纹隔爆接合面，并采用密封圈进行密封，因此，当接线盒内接合面，并采用密封圈进行密封，因此，当接线盒内一旦放弧时，不会与外界环境的危险气体传爆，能达一旦放弧时，不会与外界环境的危险气体传爆，能达到预期的防爆、隔爆效果。到预期的防爆、隔爆效果。 使用场合：使用场合：工业用的隔爆型热电偶多用于工业用的隔爆型热电偶多用于化学工化学工业业自控系统中（由于在化工生产厂、生产现场常伴有自控系统中（由于在化工生产厂、生产现场常伴有各种易燃、易爆等化学气体或蒸汽，如果用普通热电各种易燃、易爆等化学气体或蒸汽，如果用普通热电偶则非常不安全、很容易引起环境气体爆炸）。偶则非常不安全、很容易引起环境气体爆炸）。2022-6-2153其他其他热电偶外形热电偶外形小形小形K K型热电偶型热电偶
