熱電偶測溫原理及應用

工程測試技術基礎

湖北工業(yè)大學機械學院Welcometo

MyClass主講:鄔文俊講師--湖北工業(yè)大學精品課程科學引領工程，工程引入課堂

設計和制作：何濤教授及工程測試技術基礎課程教學團隊

2/5/20231溫度是物理現象中具有代表性的物理量是十大計量單位之一現代生活中溫度測量和控制是不可缺少的，如家用電器：電飯煲、電冰箱、空調、微波爐這些家用電器中都少不了溫度傳感器。概述2/5/20232紅外人體探測器現代樓宇自動化(電源管理、安全監(jiān)測、照明控制、空調控制、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2/5/20233現代工業(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2/5/20234

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、體溫計，結構簡單，應用廣泛；

半導體熱敏電阻傳感器：家電、汽車上使用，價格便宜、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，性能價格差別比較大，精度高的通常價格比較昂貴。集成溫度傳感器，利用晶體管PN結電流、電壓隨溫度變化，有專用集成電路，體積小、響應快、價廉，測量150℃以下溫度。概述2/5/20235第9講溫度傳感器原理與應用

-熱電偶ThermoelectricCoupleSensors一、熱電偶的工作原理；二、熱電偶測溫實驗三、熱電偶測溫基本定律四、熱電偶的冷端補償及補償導線2/5/20236YC-811報警溫度計

分辨率:0.1°C/0.1°F

KType:鎳鉻-鎳硅熱電偶可測溫度范圍-200°C~1372°C可設定上下限蜂鳴報警實驗：測冰水溫度、測沸水溫度（觀察準確度和響應時間）2/5/20237結論：當兩個結點溫度不相同時，回路中將產生電動勢。

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ABnA>nB結點1結點2一、熱電偶的工作原理

2/5/20238結論：熱電偶兩結點所產生的總的熱電勢等于熱端熱電勢與冷端熱電勢之差，是兩個結點的溫差Δt

的函數：EAB（T，T0）=eAB（

T）-eAB（

T0

）熱電勢與兩個結點的溫差Δt成函數關系2/5/202391、熱電效應

1821年，德國物理學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結點，發(fā)現放在回路中的指南針發(fā)生偏轉，如果用兩盞酒精燈對兩個結點同時加熱，指南針的偏轉角反而減小。顯然，指南針的偏轉說明回路中有電動勢產生并有電流在回路中流動，電流的強弱與兩個結點的溫差有關。將兩種不同材料的導體A和B串接成一個閉合回路，當兩個接點溫度不同時，在回路中就會產生熱電勢，形成電流，此現象稱為熱電效應。！兩端溫度不同的導體會產生電動勢！兩種不同的導體接在一起會產生電動勢？能用來制作傳感器嗎ABTT02/5/2023102、熱電勢的組成：接觸電勢當相互接觸的兩金屬密度不同時產生接觸電勢。溫差電勢同一金屬，若兩端的溫度不同則產生溫差電勢。2/5/202311兩種不同的金屬互相接觸時，由于不同金屬內自由電子的密度不同，在兩金屬A和B的接觸點處會發(fā)生自由電子的擴散現象。自由電子將從密度大的金屬A擴散到密度小的金屬B，使A失去電子帶正電，B得到電子帶負電，從而產生接觸電勢。

自由電子＋ABEAB（

T）T接觸電勢的大小與溫度有關式中:K——波爾茲曼常數;e——單位電荷電量;NAT、NBT——溫度為T導體A、B的電子密度。方向：從密度小指向密度大的接觸電勢2/5/202312ABTT0兩個結點處分別有兩個接觸電勢，且方向相反。整個回路中總的接觸電動勢為：如果兩個結點的溫度相同，T=T0，則總接觸電動勢為0圖中：NA>NB，T>T0以順時針為正EAB(T)EAB(T0)2/5/202313同一導體的兩端溫度不同時,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比從低溫端跑到高溫端的要多,結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電,因此,在導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式中:K——波爾茲曼常數;e——單位電荷電量;NAT——溫度為T導體A的電子密度。＋AEA(T,T0)方向：從低溫指向高溫溫差電勢2/5/202314ABTT0整個回路中總的溫差電動勢為：如果AB兩金屬的密度相同，則總溫差電動勢為0以順時針為正EB(T,T0)EA(T,T0)2/5/202315接觸電勢當相互接觸的兩金屬的密度不同時產生接觸電勢，其大小與結點的溫度相關。溫差電勢同一金屬，若兩端的溫度不同則產生溫差電勢，其大小其密度相關。結論：2/5/202316回路中總熱電動勢為：EAB(T,T0)=EB(T,T0)+EAB(T)-

EAB(T0)-EA(T,T0)以順時針為正藍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（均質導體），則不存在接觸電動勢，兩導體內溫差電動勢，大小相等，方向相反，總熱電勢為0。即為均質導體定律如果兩結點溫度相同（T=T0），則不存在溫差電動勢，兩結點處接觸電動勢，大小相等，方向相反，總熱電勢為0.EAB(T)EAB(T0)由一種均質導體組成的閉合回路中,不論導體的截面和長度如何以及各處的溫度分布如何,都不能產生熱電勢。2/5/202317熱電勢=接觸電勢+溫差電勢EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)+EB(T,T0)-EA(T,T0)結論：當nA=nB，不存在接觸電勢EAB

E總=EB(T,T0)-

EA(T,T0)=0當T=T0，不存在溫差電勢EA、EB

E總=EAB(T)-EAB(T0)=02/5/202318（1）在總熱電勢中,溫差電勢比接觸電勢小很多,可忽略不計,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,當參考端溫度T0恒定時,EAB(T0)=C為常數,則總的熱電勢就只與溫度T成單值函數關系,即EAB(T,T0)=EAB(T)-C=f(T)3、熱電勢與被測溫度的關系：（3）實際應用中,熱電勢與溫度之間關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,通過實驗建立起來的熱電勢與工作端溫度之間的數值對應關系。2/5/202319K熱電偶的分度表

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。2/5/2023204、幾種常用熱電偶分度號

名稱

測量溫度范圍

1000C熱電勢/mVB鉑銠30－鉑銠650～1820C4.834R鉑銠13—鉑-50～1768C10.506S鉑銠10—鉑-50～1768C9.587K鎳鉻－鎳鉻(鋁)-200～1372C41.276E鎳鉻－銅鎳(康銅)－270～800C——?2/5/202321幾種常用熱電偶的熱電勢與溫度的關系曲線分析

哪幾種熱電偶的測溫上限較高？

結論：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較低？為什么所有的曲線均過原點（零度點）？2/5/202322二、熱電偶測溫實驗測出變色涂料的變色溫度超溫報警實驗CPU散熱風扇低溫時顯示藍色溫度升高后變?yōu)榧t色2/5/202323問題：1、測量時，熱端在哪？冷端在哪？熱電勢是用什么檢測儀表測量的？測量儀表的導線與熱電阻的導體不同，是不是會對測量結果產生影響？2、冷端怎么保持0度？若是不為0度怎么辦？2/5/2023241)中間導體定律在熱電偶回路中接入第三種材料的導體，只要其兩端的溫度相等，該導體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。TT0V同時也解決了測量頭熱端遠離冷端的問題，中間可用其他導線連接。三、熱電偶測溫基本定律2/5/2023252)中間溫度定律熱電偶AB在接點溫度為T、T0時的熱電勢EAB(T,T0）等于熱電偶AB在接點溫度T、Tc和Tc、T0時的熱電勢的代數和：EAB(T,T0）=EAB(T,Tc）+EAB(Tc,T0）

ABTT0=ABTTC+ABTcT0該定律是參考端溫度計算修正法的理論依據。在實際熱電偶測溫回路中,利用熱電偶這一性質,可對參考端溫度不為0℃的熱電勢進行修正。2/5/202326熱電偶基本定律解決了兩個問題：1、實際測量時冷端和熱端相隔很遠（中間導體定律）熱電偶補償導線2、實際測量時冷端溫度不為0度（中間溫度定律

）冷端補償四、熱電偶補償導線及冷端溫度補償2/5/202327

在實際測溫時,需要把熱電偶輸出的電勢信號傳輸到遠離現場數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線將熱電偶的冷端延伸出來。工程中采用一種補償導線,它通常由兩種不同性質的廉價金屬導線制成,而且在0~100℃溫度范圍內,要求補償導線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。熱電偶補償導線2/5/202328(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以修正,修正值為EAB(t0,0)。經修正后的實際熱電勢,可由分度表中查出被測實際溫度值。EAB(T,0）=EAB(T,T0）+EAB(T0,0）(2)參考端0℃恒溫法：在實驗室及精密測量中,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)參考端溫度自動補償法（補償電橋法）：補償電橋法是利用不平衡電橋產生的不平衡電壓作為補償信號,來自動補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。冷端補償方法2/5/202329如圖所示,不平衡電橋由三個電阻溫度系數較小的錳銅絲繞制的電阻r1、r2、r3、電阻溫度