熱電偶測溫原理及應(yīng)用詳解PPT課件

1、2021-11-161概述第1頁/共32頁2021-11-162紅外人體探測器現(xiàn)代樓宇自動化(電源管理、安全監(jiān)測、照明控制、空調(diào)控制、停車管理、水/廢水管理和電梯監(jiān)控)中溫度是不可缺少的，概述第2頁/共32頁2021-11-163現(xiàn)代工業(yè)中溫度測量和控制是不可缺少的，概述精確的煙草烘干木材烘干第3頁/共32頁2021-11-164 溫度傳感器的種類很多： 熱膨脹溫度傳感器：有液體、氣體的玻璃式溫 度計(jì)、體溫計(jì)，結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用廣泛； 半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器：家電、汽車上使用，價(jià)格便宜、用量大、成本低、性能差別不大； 金屬電阻、熱電偶、紅外溫度傳感器：工業(yè)上常用，性能價(jià)格差別比較大，精度高的通常價(jià)格

2、比較昂貴。 集成溫度傳感器，利用晶體管PN結(jié)電流、電壓隨溫度變化，有專用集成電路，體積小、響應(yīng)快、價(jià)廉，測量150以下溫度。 概述第4頁/共32頁2021-11-165第9講 溫度傳感器原理與應(yīng)用-熱電偶Thermoelectric Couple Sensors一、熱電偶的工作原理；二、熱電偶測溫實(shí)驗(yàn)三、熱電偶測溫基本定律四、熱電偶的冷端補(bǔ)償及補(bǔ)償導(dǎo)線第5頁/共32頁2021-11-166YC-811 報(bào)警溫度計(jì) 分辨率: 0.1C/0.1F K Type:鎳鉻-鎳硅熱電偶 可測溫度范圍-200C 1372C 可設(shè)定上下限蜂鳴報(bào)警n實(shí)驗(yàn)：測冰水溫度、測沸水溫度（觀察準(zhǔn)確度和響應(yīng)時(shí)間）第6頁/共

3、32頁2021-11-167結(jié)論：當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度不相同時(shí)，回路中將產(chǎn)生電動勢。 熱電極A自由端（冷端、參考端） 測量端（熱端、工作端） 熱電極B熱電勢ABnAnB結(jié)點(diǎn)1結(jié)點(diǎn)2一、 熱電偶的工作原理 第7頁/共32頁2021-11-168結(jié)論：結(jié)論：熱電偶兩結(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的總的熱電勢等于熱端熱電勢與冷端熱電勢之差，是兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫差tt 的函數(shù)： EAB（T，T0）=eAB （ T T ）- - eAB （ T T0 ）熱電勢與兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫差t 成函數(shù)關(guān)系第8頁/共32頁2021-11-1691、熱電效熱電效應(yīng)應(yīng) 1821年，德國物理學(xué)家賽貝克用兩種不同金屬組成閉合回路，并用酒精燈加熱其中一個(gè)結(jié)點(diǎn)，發(fā)

4、現(xiàn)放在回路中的指南針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，如果用兩盞酒精燈對兩個(gè)結(jié)點(diǎn)同時(shí)加熱，指南針的偏轉(zhuǎn)角反而減小。顯然，指南針的偏轉(zhuǎn)說明回路中有電動勢產(chǎn)生并有電流在回路中流動，電流的強(qiáng)弱與兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫差有關(guān)。將兩種不同材料的導(dǎo)體A和B串接成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)溫度不同時(shí)，在回路中就會產(chǎn)生熱電勢，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。！兩端溫度不同的導(dǎo)體會產(chǎn)生電動勢！兩種不同的導(dǎo)體接在一起會產(chǎn)生電動勢？能用來制作傳感器嗎ABTT0第9頁/共32頁2021-11-16102、熱電勢的組成：接觸電勢當(dāng)相互接觸的兩金屬密度不同時(shí)產(chǎn)生接觸電勢。溫差電勢同一金屬，若兩端的溫度不同則產(chǎn)生溫差電勢。第10頁/共32頁2021-11-16

5、11 兩種不同的金屬互相接觸時(shí)，由于不同金屬內(nèi)自由電子的密度不同，在兩金屬A和B的接觸點(diǎn)處會發(fā)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象。自由電子將從密度大的金屬A擴(kuò)散到密度小的金屬B，使A失去電子帶正電，B得到電子帶負(fù)電，從而產(chǎn)生接觸電勢。 自由電子ABEAB（ T ）T接觸電勢的大小與溫度有關(guān)BTATABNNekTTEln)(式中: K波爾茲曼常數(shù); e單位電荷電量; NAT、NBT溫度為T導(dǎo)體A、B的電子密度。方向：從密度小指向密度大的接觸電勢第11頁/共32頁2021-11-1612ABTT0兩個(gè)結(jié)點(diǎn)處分別有兩個(gè)接觸電勢，且方向相反。整個(gè)回路中總的接觸電動勢為：00lnln)()(00BTATBTATABA

6、BNNekTNNekTTETE如果兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫度相同，T=T0，則總接觸電動勢為0圖中：NANB，TT0以順時(shí)針為正EAB(T)EAB(T0)第12頁/共32頁2021-11-1613同一導(dǎo)體的兩端溫度不同時(shí), , 高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大, , 因而從高溫端跑到低溫端的電子數(shù)比從低溫端跑到高溫端的要多, , 結(jié)果高溫端因失去電子而帶正電, , 低溫端因獲得多余的電子而帶負(fù)電, , 因此, , 在導(dǎo)體兩端便形成溫差電勢。自由電子TT0接觸電勢的大小與密度有關(guān)式中: K波爾茲曼常數(shù); e單位電荷電量; NAT溫度為T導(dǎo)體A的電子密度。dtdttNdNeKTTEATTTATA)(1)

7、,(00AEA(T,T0)方向：從低溫指向高溫溫差電勢第13頁/共32頁2021-11-1614ABTT0整個(gè)回路中總的溫差電動勢為：),(),(00TTETTEAB如果AB兩金屬的密度相同，則總溫差電動勢為0以順時(shí)針為正EB(T,T0)EA(T,T0)dtdttNdNeKddttNdNeKTTETTEATTTATBTTTBTAB)(1)(1),(),(0000第14頁/共32頁2021-11-1615接觸電勢當(dāng)相互接觸的兩金屬的密度不同時(shí)產(chǎn)生接觸電勢，其大小與結(jié)點(diǎn)的溫度相關(guān)。溫差電勢同一金屬，若兩端的溫度不同則產(chǎn)生溫差電勢，其大小其密度相關(guān)。結(jié)論：第15頁/共32頁2021-11-1616回

8、路中總熱電動勢為：EAB(T, T0)=EB(T, T0)+ EAB(T)- EAB(T0)-EA(T, T0)以順時(shí)針為正藍(lán)色的為接觸電勢綠色的為溫差電勢ABTT0EB(T,T0)EA(T,T0)如果A、B密度相同（均質(zhì)導(dǎo)體），則不存在接觸電動勢，兩導(dǎo)體內(nèi)溫差電動勢，大小相等，方向相反，總熱電勢為0。即為均質(zhì)導(dǎo)體定律如果兩結(jié)點(diǎn)溫度相同（T=T0），則不存在溫差電動勢，兩結(jié)點(diǎn)處接觸電動勢，大小相等，方向相反，總熱電勢為0.EAB(T)EAB(T0)由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路中, 不論導(dǎo)體的截面和長度如何以及各處的溫度分布如何, 都不能產(chǎn)生熱電勢。第16頁/共32頁2021-11-1617熱電

9、勢=接觸電勢+溫差電勢EAB(T, T0)=EAB(T)- EAB(T0) +EB(T, T0) - EA(T, T0) 結(jié)論：當(dāng)nA=nB， 不存在接觸電勢EAB E總= EB(T, T0)- EA(T, T0)=0 當(dāng)T=T0， 不存在溫差電勢EA、EB E總= EAB(T)- EAB(T0) =0 第17頁/共32頁2021-11-1618（1）在總熱電勢中, 溫差電勢比接觸電勢小很多, 可忽略不計(jì), 熱電偶的熱電勢可表示為： EAB(T, T0)=EAB(T)-EAB(T0) （2）對于已選定的熱電偶, 當(dāng)參考端溫度T0恒定時(shí), EAB (T0)=C為常數(shù), 則總的熱電勢就只與溫度T成

10、單值函數(shù)關(guān)系, 即 EAB(T, T0)= EAB(T)-C =f(T)3、熱電勢與被測溫度的關(guān)系：（3）實(shí)際應(yīng)用中, 熱電勢與溫度之間關(guān)系是通過熱電偶分度表來確定的。分度表是在參考端溫度為0時(shí), 通過實(shí)驗(yàn)建立起來的熱電勢與工作端溫度之間的數(shù)值對應(yīng)關(guān)系。第18頁/共32頁2021-11-1619K熱電偶的熱電偶的分度表分度表 熱電偶的冷端溫度為0C，查表得出被測溫度？如何利用分度表來確定溫度？3種環(huán)境下（K型熱電偶）熱端的熱電勢分別為0、為4、為-3.5。第19頁/共32頁2021-11-16204 4、幾種常用熱電偶、幾種常用熱電偶分度號分度號 名稱名稱 測量溫度范圍測量溫度范圍 1000

11、C熱電勢熱電勢/ mVB鉑銠鉑銠3030鉑銠鉑銠6 6501820 C C4.8344.834R鉑銠鉑銠1313鉑鉑-501768 C C 10.50610.506S鉑銠鉑銠1010鉑鉑-501768 C C9.5879.587K鎳鉻鎳鉻鎳鉻鎳鉻 (鋁鋁) -2001372 C C 41.27641.276E鎳鉻銅鎳鎳鉻銅鎳 (康康 銅銅)270800 C C?第20頁/共32頁2021-11-1621幾種常用熱電偶的熱電勢與溫度的關(guān)幾種常用熱電偶的熱電勢與溫度的關(guān)系曲線分析系曲線分析 哪幾種熱電偶的測溫上限較高？ 結(jié)論：哪幾種熱電偶的線性較差？哪一種熱電偶的靈敏度較高？ 哪一種熱電偶的靈敏度

12、較低？為什么所有的曲線均過原點(diǎn)（零度點(diǎn)）？第21頁/共32頁2021-11-1622二、熱電偶測溫實(shí)驗(yàn) 測出變色涂料的變色溫度 超溫報(bào)警實(shí)驗(yàn)CPU散熱風(fēng)扇低溫時(shí)顯示藍(lán)色溫度升高后變?yōu)榧t色第22頁/共32頁2021-11-1623問題： 1、測量時(shí)，熱端在哪？冷端在哪？熱電勢是用什么檢測儀表測量的？測量儀表的導(dǎo)線與熱電阻的導(dǎo)體不同，是不是會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響？ 2、冷端怎么保持0度？若是不為0度怎么辦？第23頁/共32頁2021-11-16241)中間導(dǎo)體定律 在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只要其兩端的溫度相等，該導(dǎo)體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。TT0V同時(shí)也解決了測量頭熱端遠(yuǎn)

13、離冷端的問題，中間可用其他導(dǎo)線連接。三、熱電偶測溫基本定律第24頁/共32頁2021-11-16252) 中間溫度定律 熱電偶AB在接點(diǎn)溫度為T、T0時(shí)的熱電勢EAB(T, T0）等于熱電偶AB在接點(diǎn)溫度T、Tc和Tc、T0時(shí)的熱電勢的代數(shù)和： EAB(T, T0）= EAB(T, Tc）+ EAB(Tc, T0） ABTT0=ABTTC+ABTcT0該定律是參考端溫度計(jì)算修正法的理論依據(jù)。 在實(shí)際熱電偶測溫回路中,利用熱電偶這一性質(zhì),可對參考端溫度不為0的熱電勢進(jìn)行修正。 第25頁/共32頁2021-11-1626熱電偶基本定律解決了兩個(gè)問題：1、實(shí)際測量時(shí)冷端和熱端相隔很遠(yuǎn)（中間導(dǎo)體定律）

14、熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線2、實(shí)際測量時(shí)冷端溫度不為0度（中間溫度定律 ）冷端補(bǔ)償四、熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線及冷端溫度補(bǔ)償?shù)?6頁/共32頁2021-11-1627 在實(shí)際測溫時(shí), 需要把熱電偶輸出的電勢信號傳輸?shù)竭h(yuǎn)離現(xiàn)場數(shù)十米的控制室里的顯示儀表或控制儀表, 這樣參考端溫度t0也比較穩(wěn)定。熱電偶一般做得較短 需要用導(dǎo)線將熱電偶的冷端延伸出來。工程中采用一種補(bǔ)償導(dǎo)線, 它通常由兩種不同性質(zhì)的廉價(jià)金屬導(dǎo)線制成, 而且在0100溫度范圍內(nèi), 要求補(bǔ)償導(dǎo)線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。 熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線第27頁/共32頁2021-11-1628 (1)參考端溫度修正法：參考端溫度不等于0, 則需要對熱電偶回路的電勢值加

15、以修正, 修正值為EAB(t0 , 0)。 經(jīng)修正后的實(shí)際熱電勢, 可由分度表中查出被測實(shí)際溫度值。EAB(T, 0）= EAB(T, T0）+ EAB(T0, 0） (2)參考端0恒溫法： 在實(shí)驗(yàn)室及精密測量中, 通常把參考端放入裝滿冰水混合物的容器中, 以便參考端溫度保持0. (3)參考端溫度自動補(bǔ)償法（補(bǔ)償電橋法）： 補(bǔ)償電橋法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓作為補(bǔ)償信號, 來自動補(bǔ)償熱電偶測量過程中因參考端溫度不為0或變化而引起熱電勢的變化值。冷端補(bǔ)償方法第28頁/共32頁2021-11-1629 如圖所示, 不平衡電橋由三個(gè)電阻溫度系數(shù)較小的錳銅絲繞制的電阻r1、 r2 、r3、電阻溫度系數(shù)較大的銅絲繞制的電阻RCu 和穩(wěn)壓電源組成。 補(bǔ)償電橋與熱電偶參考端處在同一環(huán)境溫度