第2章 熱電偶傳感器

1、2022-5-142一、教學(xué)目標(biāo)一、教學(xué)目標(biāo)（1 1）了解熱電偶的材料、結(jié)構(gòu)和種類。了解熱電偶的材料、結(jié)構(gòu)和種類。 （2 2）掌握熱電偶傳感器的工作原理。）掌握熱電偶傳感器的工作原理。（3 3）掌握熱電偶的冷端補(bǔ)償方法。）掌握熱電偶的冷端補(bǔ)償方法。二、教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)二、教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)1 1、重點(diǎn)：、重點(diǎn)：熱電效應(yīng)和熱電偶的基本定律。熱電效應(yīng)和熱電偶的基本定律。2 2、難點(diǎn)：、難點(diǎn)：熱電偶冷端補(bǔ)償?shù)某Ｓ梅椒?。熱電偶冷端補(bǔ)償?shù)某Ｓ梅椒āＨ?、教學(xué)學(xué)時(shí)三、教學(xué)學(xué)時(shí) 6 6學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)溫度：表征物體冷熱程度的物理量。溫度標(biāo)準(zhǔn)： 熱力學(xué)溫度：T k （開(kāi)爾文） 攝氏溫度：t （攝氏度） 關(guān)系式：0Ct+273

2、.15T 種類：u熱電偶傳感器u熱電阻傳感器u半導(dǎo)體溫度傳感器考慮因素：溫度測(cè)量范圍，精度，響應(yīng)時(shí)間，穩(wěn)定性/，線性度，靈敏度等 1、它屬于自發(fā)電型傳感器：測(cè)量時(shí)可以不需外加電源，可直接驅(qū)動(dòng)動(dòng)圈式儀表； 2、測(cè)溫范圍廣：下限可達(dá)-270C ，上限可達(dá)1800C以上； 3、各溫區(qū)中的熱電勢(shì)均符合國(guó)際計(jì)量委員會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)。2022-5-147 1821年，德國(guó)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)接觸點(diǎn)（稱為結(jié)點(diǎn)），發(fā)現(xiàn)放在回路中的指南針發(fā)生偏轉(zhuǎn)（說(shuō)明什么？），如果用兩盞酒精燈對(duì)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)同時(shí)加熱，指南針的偏轉(zhuǎn)角反而減?。ㄓ终f(shuō)明什么？） 。 顯然，指南針的偏轉(zhuǎn)說(shuō)明回路中有電動(dòng)勢(shì)

3、產(chǎn)生并有電流在回路中流動(dòng)，電流的強(qiáng)弱與兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫差有關(guān)。 2022-5-1482022-5-149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(dòng)勢(shì)。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(dòng)勢(shì)。 熱電極熱電極A A右端稱為：右端稱為：自由端自由端（參考端、（參考端、冷端）冷端） 左端稱為：左端稱為：測(cè)量端測(cè)量端（工作端、（工作端、熱端）熱端） 熱電極熱電極B B熱電勢(shì)熱電勢(shì)AB2.1 2.1 熱電偶傳感器的工作原理熱電偶傳感器的工作原理2.1.1 熱電效應(yīng) 熱電偶的工作原理是基于物體的熱電效應(yīng)。 由兩種不同材料的導(dǎo)體A和B 組成閉合回路，如圖21所示。當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度不同時(shí)，回路中將產(chǎn)生電

4、動(dòng)勢(shì)。這種現(xiàn)象即稱為熱電效應(yīng)或塞貝克效應(yīng)。兩種不同材料的導(dǎo)體所組成的回路稱為“熱電偶”。組成熱電偶的導(dǎo)體稱為“熱電極”。熱電偶所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱為熱電動(dòng)勢(shì)。 熱電偶的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)中，置于溫度為T的被測(cè)對(duì)象中的結(jié)點(diǎn)稱之為測(cè)量端，又稱為工作端或熱端，而置于參考溫度為T0的另一結(jié)點(diǎn)稱之為參考端，又稱自由端或冷端。熱電勢(shì)主要由溫差電勢(shì)和接觸電勢(shì)組成。 1.溫差電勢(shì)溫差電勢(shì)是由于同一種熱電極兩端溫度不同而產(chǎn)生的一種電勢(shì)。如果兩端溫度tt0時(shí)，熱電極內(nèi)的自由電子就會(huì)從溫度高的一端向溫度低的一端轉(zhuǎn)移，這樣就會(huì)有電勢(shì)的產(chǎn)生。 圖圖2-2 2-2 溫差電勢(shì)的產(chǎn)生原理溫差電勢(shì)的產(chǎn)生原理熱電偶回路的總電勢(shì)主要是由接觸電勢(shì)

5、引起。 圖圖2-3 2-3 接觸電勢(shì)的產(chǎn)生原理接觸電勢(shì)的產(chǎn)生原理兩種不同的金屬互相接觸時(shí)，由于不同兩種不同的金屬互相接觸時(shí)，由于不同金屬內(nèi)金屬內(nèi)自由電子的密度不同自由電子的密度不同，在兩金屬，在兩金屬A A和和B B的接觸點(diǎn)處會(huì)發(fā)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)的接觸點(diǎn)處會(huì)發(fā)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象。象。熱電偶兩結(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的總的熱電勢(shì)等于熱端熱電勢(shì)與冷端熱電勢(shì)之差，是兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫差t 的函數(shù)： EAB（t，t0）=EAB （ t ）- EAB （ t 0 ）熱電勢(shì)大致與兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫差熱電勢(shì)大致與兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫差t t 成正比成正比熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)由上式可以得出下列結(jié)論：如果熱電偶兩電極材料相同，即使兩端溫度不

6、同( tt0 ），但總輸出電動(dòng)勢(shì)仍為零。 因此必需由兩種不同材料才能構(gòu)成熱電偶；如果熱電偶兩結(jié)點(diǎn)溫度相同,則回路總的熱電動(dòng)勢(shì)必然等于零.熱電動(dòng)勢(shì)的大小只與材料和結(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)，與熱電偶的尺寸形狀無(wú)關(guān),溫差越大，熱電動(dòng)勢(shì)越大。2022-5-14141.均質(zhì)導(dǎo)體定律由兩種均質(zhì)導(dǎo)體組成的熱電偶，其熱電勢(shì)的大小只與兩材料及兩接點(diǎn)溫度有關(guān)，與熱電偶的大小尺寸、形狀、電極各處的溫度分布無(wú)關(guān)。如果熱電偶回路中的兩個(gè)熱電極的材料相同，不管其是否存在溫差，熱電偶回路中的熱電勢(shì)均為零(為什么？）；如果熱電偶回路中的兩個(gè)熱電極的材料不均勻，則當(dāng)熱電極各處在不同溫度時(shí)，熱電偶回路中將產(chǎn)生附加熱電勢(shì)(為什么？）； ，造成

7、測(cè)量誤差。 若在熱電偶回路中插入中間導(dǎo)體，只要中間導(dǎo)體兩端溫度相同，則對(duì)熱電偶回路的總熱電動(dòng)勢(shì)無(wú)影響。這就是中間導(dǎo)體定律。利用熱電偶來(lái)實(shí)際測(cè)溫時(shí)，利用熱電偶來(lái)實(shí)際測(cè)溫時(shí)，連接導(dǎo)線、顯示儀表和接連接導(dǎo)線、顯示儀表和接插件等均可看成是中間導(dǎo)插件等均可看成是中間導(dǎo)體，體，只要保證中間導(dǎo)體兩只要保證中間導(dǎo)體兩端的溫度相同端的溫度相同，則對(duì)熱電，則對(duì)熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)沒(méi)有影響。偶的熱電動(dòng)勢(shì)沒(méi)有影響。因此中間導(dǎo)體定律對(duì)熱電因此中間導(dǎo)體定律對(duì)熱電偶的實(shí)際應(yīng)用是非常重要偶的實(shí)際應(yīng)用是非常重要的。的。圖圖2-5 2-5 接入中間導(dǎo)體的熱電偶回路接入中間導(dǎo)體的熱電偶回路根據(jù)中間導(dǎo)體定律，可以在熱電偶回路中接入一個(gè)電

8、位計(jì)E，只要保證電位計(jì)與熱電偶連接處結(jié)點(diǎn)的溫度相等，就不會(huì)影響到熱電偶回路的總電勢(shì) 。（a a）冷端接入電位計(jì)（）冷端接入電位計(jì)（b b）熱端與冷端之間接入電位計(jì)）熱端與冷端之間接入電位計(jì)圖圖2-6 2-6 電位計(jì)接入熱電偶回路電位計(jì)接入熱電偶回路3.中間溫度定律 在兩種不同熱電極材料組成的熱電偶回路中，如果熱端溫度為t，冷端溫度為t0，中間溫度為tn，則熱電偶回路的總電勢(shì)等于t與tn熱電勢(shì)和tn與t0熱電勢(shì)的代數(shù)和，即AB0ABnABn0( , )( ,)( , )Et tEt tEt t4.參考電極定律如圖7-7所示，當(dāng)熱電偶的熱端溫度為t，冷端溫度為 t0時(shí)，用熱電極A和熱電極B組成的熱

9、電偶回路的總電勢(shì)等于熱電偶AC的熱電勢(shì)和熱電偶CB的熱電勢(shì)的代數(shù)和，即 AB0AC0CB0( , )( , )( , )Et tEt tEt t 圖圖2-7 2-7 接入標(biāo)準(zhǔn)電極的熱電偶回路接入標(biāo)準(zhǔn)電極的熱電偶回路1.裝配式熱電偶圖圖2-8 2-8 裝配式熱電偶的結(jié)構(gòu)示意圖裝配式熱電偶的結(jié)構(gòu)示意圖1 1接線柱；接線柱；2 2接線座；接線座；3 3絕緣套管；絕緣套管；4 4熱電極熱電極2.2 2.2 熱電偶的材料、結(jié)構(gòu)及種類熱電偶的材料、結(jié)構(gòu)及種類2022-5-1421安裝安裝螺紋螺紋安裝安裝法蘭法蘭接線盒2022-5-1422引出線套管引出線套管 固定螺紋固定螺紋 （出廠時(shí)用塑料包裹）（出廠時(shí)

10、用塑料包裹）熱電偶工作端（熱端）熱電偶工作端（熱端） 不銹鋼不銹鋼保護(hù)管保護(hù)管 (a)碰底型 (b)不碰底型 (c)露頭型 (d)帽型圖2-9 鎧裝式熱電偶斷面的結(jié)構(gòu)示意圖1金屬套管； 2絕緣材料； 3熱電極法蘭2022-5-1424鎧裝型熱電偶可鎧裝型熱電偶可 長(zhǎng)達(dá)上百米長(zhǎng)達(dá)上百米薄壁金屬薄壁金屬 保護(hù)套管保護(hù)套管（鎧體）（鎧體） BA絕緣絕緣 材料材料鎧裝型熱電偶鎧裝型熱電偶橫截面橫截面圖2-10 快速反應(yīng)薄膜熱電偶的結(jié)構(gòu)示意圖1熱電極； 2熱端結(jié)點(diǎn)； 3絕緣基板； 4引出線2022-5-1427小形小形K K型熱電偶型熱電偶 八種國(guó)際通用熱電偶：B:鉑銠30鉑銠6 、R:鉑銠13鉑 、S

11、:鉑銠10鉑 、K:鎳鉻鎳硅 、N:鎳鉻硅鎳硅 、 E:鎳鉻銅鎳、J:鐵銅鎳 、T:銅銅鎳 28用于制造用于制造鉑鉑熱電偶熱電偶的各種的各種鉑鉑熱電偶絲熱電偶絲2.2.2 2.2.2 熱電偶的材料熱電偶的材料名名 稱稱分度號(hào)分度號(hào)測(cè)溫范圍測(cè)溫范圍/100 時(shí)熱時(shí)熱電勢(shì)電勢(shì)/mV1 000 時(shí)的熱時(shí)的熱電勢(shì)電勢(shì)/mV特特 點(diǎn)點(diǎn)鉑銠鉑銠30-鉑銠鉑銠B501 8200.0334.834 熔點(diǎn)高，測(cè)溫上限高，性能穩(wěn)定，準(zhǔn)確度高，熔點(diǎn)高，測(cè)溫上限高，性能穩(wěn)定，準(zhǔn)確度高，價(jià)格昂貴，熱電勢(shì)小，線性差，只適用于價(jià)格昂貴，熱電勢(shì)小，線性差，只適用于高溫域的測(cè)量高溫域的測(cè)量鉑銠鉑銠13-鉑鉑R501 7680.

12、64710.506 測(cè)溫上限較高，準(zhǔn)確度高，性能穩(wěn)定，復(fù)現(xiàn)性測(cè)溫上限較高，準(zhǔn)確度高，性能穩(wěn)定，復(fù)現(xiàn)性好，熱電勢(shì)較小，不能在金屬蒸汽和還原好，熱電勢(shì)較小，不能在金屬蒸汽和還原性氣體中使用，在高溫下連續(xù)使用時(shí)其特性氣體中使用，在高溫下連續(xù)使用時(shí)其特性會(huì)逐漸變壞，價(jià)格昂貴，多用于精密測(cè)性會(huì)逐漸變壞，價(jià)格昂貴，多用于精密測(cè)量量鉑銠鉑銠10-鉑鉑S501 7680.6469.587測(cè)溫上限較高，準(zhǔn)確度高，性能穩(wěn)定，復(fù)現(xiàn)性好，測(cè)溫上限較高，準(zhǔn)確度高，性能穩(wěn)定，復(fù)現(xiàn)性好，熱電勢(shì)較小，不能在金屬蒸汽和還原性氣熱電勢(shì)較小，不能在金屬蒸汽和還原性氣體中使用，在高溫下連續(xù)使用時(shí)其特性會(huì)體中使用，在高溫下連續(xù)使用時(shí)其

13、特性會(huì)逐漸變壞，價(jià)格昂貴，但性能不如逐漸變壞，價(jià)格昂貴，但性能不如R型熱電型熱電偶，曾經(jīng)作為國(guó)際溫標(biāo)的法定標(biāo)準(zhǔn)電極偶，曾經(jīng)作為國(guó)際溫標(biāo)的法定標(biāo)準(zhǔn)電極鎳鉻鎳鉻-鎳硅鎳硅K2701 3704.09641.276 熱電勢(shì)大，線性好，穩(wěn)定性好，價(jià)格低廉，材熱電勢(shì)大，線性好，穩(wěn)定性好，價(jià)格低廉，材質(zhì)較硬，在高于質(zhì)較硬，在高于1 000 時(shí)長(zhǎng)期使用會(huì)引起時(shí)長(zhǎng)期使用會(huì)引起熱電勢(shì)漂移，多用于工業(yè)測(cè)量熱電勢(shì)漂移，多用于工業(yè)測(cè)量鎳鉻硅鎳鉻硅-鎳硅鎳硅N2701 3002.77436.256 一種新型熱電偶，各項(xiàng)性能均比一種新型熱電偶，各項(xiàng)性能均比K型熱電偶好，型熱電偶好，適用于工業(yè)測(cè)量適用于工業(yè)測(cè)量鎳鉻鎳鉻-康銅

14、康銅E2708006.31976.373熱電勢(shì)比熱電勢(shì)比K型熱電偶高一倍左右，線性好，耐高型熱電偶高一倍左右，線性好，耐高濕度，價(jià)格低廉，但不能用于還原性氣體，濕度，價(jià)格低廉，但不能用于還原性氣體，多用于工業(yè)測(cè)量多用于工業(yè)測(cè)量鐵鐵-康銅康銅J2107605.26957.953 價(jià)格低廉，在還原性氣體中較穩(wěn)定，但純鐵易價(jià)格低廉，在還原性氣體中較穩(wěn)定，但純鐵易被腐蝕和氧化，多用于工業(yè)測(cè)量被腐蝕和氧化，多用于工業(yè)測(cè)量銅銅-康銅康銅T2704004.279 價(jià)格低廉，加工性能好，離散性小，性能穩(wěn)定，價(jià)格低廉，加工性能好，離散性小，性能穩(wěn)定，線性好，準(zhǔn)確度高，銅在高溫時(shí)易被氧化，線性好，準(zhǔn)確度高，銅在高

15、溫時(shí)易被氧化，測(cè)溫上限低，多用于低溫域測(cè)量，可作為測(cè)溫上限低，多用于低溫域測(cè)量，可作為2000 溫域的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)溫域的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)必要性： 1、用熱電偶的分度表查毫伏數(shù)-溫度時(shí)，必須滿足t0=0C的條件。在實(shí)際測(cè)溫中，冷端溫度常隨環(huán)境溫度而變化，這樣t0不但不是0C，而且也不恒定， 因此將產(chǎn)生誤差。 2、一般情況下，冷端溫度均高于0C，熱電勢(shì)總是偏小。應(yīng)想辦法消除或補(bǔ)償熱電偶的冷端損失 。 圖2-11 補(bǔ)償導(dǎo)線法的接線圖 采用相對(duì)廉價(jià)的補(bǔ)償導(dǎo)線，可延長(zhǎng)熱電偶的冷端，使之遠(yuǎn)離高溫區(qū)；可節(jié)約大量貴金屬；易彎曲，便于敷設(shè)。 2022-5-1432 補(bǔ)償導(dǎo)線在補(bǔ)償導(dǎo)線在0 0100100 C C范圍內(nèi)的熱電

16、勢(shì)與配套的熱范圍內(nèi)的熱電勢(shì)與配套的熱電偶的熱電勢(shì)電偶的熱電勢(shì)相等相等，所以，所以不影響不影響測(cè)量精度。測(cè)量精度。型號(hào)型號(hào)配用熱電偶配用熱電偶正正負(fù)負(fù)導(dǎo)線外皮導(dǎo)線外皮顏色顏色正正負(fù)負(fù)100 時(shí)的時(shí)的熱電勢(shì)熱電勢(shì)/ mVRC鉑銠鉑銠13-鉑鉑紅紅綠綠0.647NC鎳鉻硅鎳鉻硅-鎳硅鎳硅紅紅黃黃2.744EX鎳鉻鎳鉻-康銅康銅紅紅棕棕6.319JX鐵鐵-康銅康銅紅紅紫紫5.264TX銅銅-康銅康銅紅紅白白4.279使用補(bǔ)償導(dǎo)線注意問(wèn)題：使用補(bǔ)償導(dǎo)線注意問(wèn)題：1.1. 只能用在規(guī)定的溫度范圍（只能用在規(guī)定的溫度范圍（001001000 0C C）。）。2.2. 熱電偶與補(bǔ)償導(dǎo)線的兩個(gè)接點(diǎn)處熱電偶與補(bǔ)償

17、導(dǎo)線的兩個(gè)接點(diǎn)處溫度要保持相同。溫度要保持相同。3.3. 不同型號(hào)的熱電偶使用不同的補(bǔ)不同型號(hào)的熱電偶使用不同的補(bǔ)償導(dǎo)線。償導(dǎo)線。4.4. 補(bǔ)償導(dǎo)線正負(fù)極需與熱電偶正負(fù)補(bǔ)償導(dǎo)線正負(fù)極需與熱電偶正負(fù)極正確連接。極正確連接。5.5. 補(bǔ)償導(dǎo)線的作用是將冷端延長(zhǎng)。補(bǔ)償導(dǎo)線的作用是將冷端延長(zhǎng)。 冷端恒溫法常用在以下三種情況中：（1）將熱電偶的冷端置于放有冰水混合物的冰瓶中，使冷端溫度保持0 不變的方法稱為冰浴法，如圖7-12所示。采用這種方法可以消除冷端溫度t0不等于0 而引起的誤差。由于冰融化比較快，因而一般只適合在實(shí)驗(yàn)室中使用。（2）將熱電偶的冷端置于電熱恒溫器中，恒溫器的溫度要略高于環(huán)境溫度的上

18、限。（3）將熱電偶的冷端置于恒溫的空調(diào)房間中，使冷端溫度保持恒定。 1被測(cè)流體管道 2熱電偶 3接線盒 4補(bǔ)償導(dǎo)線 5銅質(zhì)導(dǎo)線 6毫伏表 7冰瓶 8冰水混合物 9試管 10新的冷端 2022-5-14352022-5-1436 在冰瓶中，冰水混合物的溫在冰瓶中，冰水混合物的溫度能較長(zhǎng)時(shí)間地保持在度能較長(zhǎng)時(shí)間地保持在0 0 C C不變。不變。 當(dāng)熱電偶的冷端溫度t0 0C時(shí)，由于熱端與冷端的溫差隨冷端的變化而變化，所以測(cè)得的熱電勢(shì)EAB（t，t0）與冷端為0C時(shí)所測(cè)得的熱電勢(shì)EAB（t，0C）不等。若冷端溫度高于0C，則EAB（t，t0）EAB（t，0C）?？梢岳孟率接?jì)算并修正測(cè)量誤差： EAB（t，0C）=EAB（t，t0）+EAB（t0，0C）2022-5-1437例2-1 用鎳鉻-鎳硅（K型）熱電偶測(cè)爐溫時(shí)，冷端溫度t0=30 ，用測(cè)溫毫伏表測(cè)得的熱電勢(shì)EAB（t，30 ）=38.505 mV，試求爐溫。解 ：查表2-3得EAB（30 ，0 ）=