熱電偶傳感器課件

學(xué)習(xí)內(nèi)容●回顧●

測(cè)溫?zé)犭娮鑲鞲衅鳌?/p>

氣敏電阻傳感器

●

濕敏電阻傳感器

學(xué)習(xí)目標(biāo)：●了解溫度測(cè)量的基本概念和方法；●了解熱電偶的工作原理與結(jié)構(gòu)類型；●掌握熱電偶的分類、特點(diǎn)及使用；●了解冷端延長(zhǎng)的方法；●了解冷端溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ê图夹g(shù)、控溫儀表的使用等。9.0測(cè)溫傳感器回顧問題一：常見測(cè)溫計(jì)？問題二：玻璃液體溫度計(jì)的工作原理？問題三：雙金屬溫度計(jì)的工作原理？液體的熱脹冷縮。

兩種線脹系數(shù)不同的金屬材料鉚合在一起。相同溫度變化下，就會(huì)有不同的收縮效果，導(dǎo)致金屬片彎曲，溫度變化越大，金屬片彎曲程度越大。這樣把溫度的變化轉(zhuǎn)換成位移量的變化。雙金屬溫度計(jì)熱電阻的測(cè)溫原理是基于導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨著溫度的變化而變化的特性。熱電阻按性質(zhì)不同，可分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻兩類。前者仍稱為熱電阻，而后者的靈敏度比前面高十幾倍以上，又稱熱敏電阻。問題四：熱電阻、熱敏電阻、熱電偶？

熱電偶測(cè)溫原理是基于熱電效應(yīng)。將兩種（一對(duì)）不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連接成閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)處的溫度不同時(shí)，回路中將產(chǎn)生熱電勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。

溫度標(biāo)志著物質(zhì)內(nèi)部大量分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。溫度越高，表示物體內(nèi)部分子熱運(yùn)動(dòng)越劇烈。

模擬圖：在一個(gè)密閉的空間里，氣體分子在高溫時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度比低溫時(shí)快！9.1溫度測(cè)量的基本概念

9.1.2溫標(biāo)

1、溫度的數(shù)值表示方法稱為溫標(biāo)。

它規(guī)定了溫度的讀數(shù)的起點(diǎn)（即零點(diǎn)）以及溫度的單位。各類溫度計(jì)的刻度均由溫標(biāo)確定。

2、國(guó)際上規(guī)定的溫標(biāo)有：攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)、熱力學(xué)溫標(biāo)等。

（1）攝氏溫標(biāo)（℃，中國(guó)習(xí)慣）（2）華氏溫標(biāo)（，西方國(guó)家習(xí)慣）

（3）熱力學(xué)溫標(biāo)（K，折磨人的東西）

幾種溫標(biāo)的對(duì)比正常體溫為37C

，相當(dāng)于華氏溫度多少度？熱力學(xué)溫度多少？溫標(biāo)冰水混合物沸水溫度等分符號(hào)單位攝氏溫標(biāo)0100100t℃華氏溫標(biāo)32212180θ熱力學(xué)溫標(biāo)273.15373.15100TK

按照用途可分為基準(zhǔn)溫度計(jì)和工業(yè)溫度計(jì)；按照測(cè)量方法又可分為接觸式和非接觸式；按工作原理又可分為膨脹式、電阻式、熱電式、輻射式等等；按輸出方式分，有自發(fā)電型、非電測(cè)型等。

溫度測(cè)量及傳感器分類

示溫涂料（變色涂料）裝滿熱水后圖案變得清晰可辨變色涂料在電腦內(nèi)部溫度中的示溫作用CPU散熱風(fēng)扇低溫時(shí)顯示藍(lán)色溫度升高后變?yōu)榧t色不需要電源，耐用；但感溫部件體積較大。

氣體的體積與熱力學(xué)溫度成正比

體積熱膨脹式

紅外溫度計(jì)9.2熱電偶傳感器的工作原理

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)角反而減小（又說明什么？）

。

顯然，指南針的偏轉(zhuǎn)說明回路中有電動(dòng)勢(shì)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)。熱電極A右端稱為：自由端（參考端、冷端）

左端稱為：測(cè)量端（工作端、熱端）

熱電極B熱電勢(shì)AB先看一個(gè)實(shí)驗(yàn)——熱電偶工作原理演示結(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)。熱電效應(yīng)

自由電子＋ABeAB（

T）T

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(huì)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)生熱電勢(shì)。

熱電效應(yīng)的定義：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(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。

熱電效應(yīng)產(chǎn)生的熱電勢(shì)用EAB（T，T0）表示。是由接觸電勢(shì)（珀?duì)柼鸓eltier效應(yīng)）和溫差電勢(shì)（湯姆森Thomson效應(yīng)）兩部分組成。

ABTT0k——玻耳茲曼常數(shù)，e——電子電荷量，T——接觸處的溫度，NA，NB——分別為導(dǎo)體A和B的自由電子密度。不同材料之間:

節(jié)點(diǎn)處電子的擴(kuò)散所致

接觸電動(dòng)勢(shì)（珀?duì)柼鸓eltier效應(yīng)）

溫差電動(dòng)勢(shì)（湯姆森Thomson效應(yīng)）σA，σB——湯姆遜溫度系數(shù)。同種材料：兩端溫度不同電子運(yùn)動(dòng)速度不同回路中總電動(dòng)勢(shì)：ABTT02)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(huì)影響熱電偶回路的總熱電動(dòng)勢(shì)。1)均質(zhì)導(dǎo)體定律由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的橫截面積、長(zhǎng)度以及溫度分布如何，均不產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)。熱電偶測(cè)溫基本定律ABTT0=ACTT0—CBTT03)標(biāo)準(zhǔn)電極定律兩種導(dǎo)體A,B分別與參考電極C組成熱電偶，如果他們所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)為已知，A和B兩極配對(duì)后的熱電動(dòng)勢(shì)可用下式求得：4)中間溫度定律熱電偶在兩接點(diǎn)溫度t、t0時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度為t、tn和tn、t0時(shí)的相應(yīng)熱電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和。中間溫度定律可以用下式表示：中間溫度定律為補(bǔ)償導(dǎo)線的使用提供了理論依據(jù)。TT0V中間溫度定律為補(bǔ)償導(dǎo)線的使用提供了理論依據(jù)。若熱電偶的兩熱電極被兩根導(dǎo)體延長(zhǎng)，只要接入的兩根導(dǎo)體組成的熱電偶的熱電特性與被延長(zhǎng)的熱電偶的熱電特性相同，且它們之間連接的兩點(diǎn)溫度相同，則總回路的熱電勢(shì)與連接點(diǎn)溫度無關(guān)，只與延長(zhǎng)以后的熱電偶兩端的溫度有關(guān)。中間導(dǎo)體定律側(cè)重不同材料；中間溫度定律側(cè)重不同溫度。

9.3熱電偶的材料、結(jié)構(gòu)及種類

根據(jù)金屬的熱電效應(yīng)原理，任意兩種不同材料的導(dǎo)體都可以作為熱電極組成熱電偶。

在實(shí)際應(yīng)用中，用作熱電極的材料應(yīng)具備如下幾方面的條件：(1)溫度測(cè)量范圍廣；(2)性能穩(wěn)定；

(3)物理化學(xué)性能好；熱電偶的材料1）普通工業(yè)裝配式熱電偶的結(jié)構(gòu)熱電偶的結(jié)構(gòu)

熱電偶通常由熱電極、絕緣管、保護(hù)套管和接線盒等幾個(gè)主要部分組成。2）鎧裝熱電偶的結(jié)構(gòu)

鎧裝熱電偶的制造工藝：把熱電極材料與高溫絕緣材料預(yù)置在金屬保護(hù)管中、運(yùn)用同比例壓縮延伸工藝、將這三者合為一體，制成各種直徑、規(guī)格的鎧裝偶體，再截取適當(dāng)長(zhǎng)度、將工作端焊接密封、配置接線盒即成為柔軟、細(xì)長(zhǎng)的鎧裝熱電偶。

鎧裝熱電偶特點(diǎn)：內(nèi)部的熱電偶絲與外界空氣隔絕，有著良好的抗高溫氧化、抗低溫水蒸氣冷凝、抗機(jī)械外力沖擊的特性。鎧裝熱電偶可以制作得很細(xì)，能解決微小、狹窄場(chǎng)合的測(cè)溫問題，且具有抗震、可彎曲、超長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。鎧裝型熱電偶外形法蘭鎧裝型熱電偶可長(zhǎng)達(dá)上百米薄壁金屬保護(hù)套管（鎧體）

BA鎧裝型熱電偶橫截面3）隔爆型熱電偶

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：隔爆熱電偶的接線盒在設(shè)計(jì)時(shí)采用防爆的特殊結(jié)構(gòu)，它的接線盒是經(jīng)過壓鑄而成的，有一定的厚度、隔爆空間，機(jī)構(gòu)強(qiáng)度較高；采用螺紋隔爆接合面，并采用密封圈進(jìn)行密封，因此，當(dāng)接線盒內(nèi)一旦放弧時(shí)，不會(huì)與外界環(huán)境的危險(xiǎn)氣體傳爆，能達(dá)到預(yù)期的防爆、隔爆效果。

使用場(chǎng)合：工業(yè)用的隔爆型熱電偶多用于化學(xué)工業(yè)自控系統(tǒng)中（由于在化工生產(chǎn)廠、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)常伴有各種易燃、易爆等化學(xué)氣體或蒸汽，如果用普通熱電偶則非常不安全、很容易引起環(huán)境氣體爆炸）。1）標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶2）非標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶非標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶包括鉑銠系、銥銠系及鎢錸系熱電偶等。

主要有：鉑銠30-鉑銠6熱電偶，分度號(hào)“B”；鉑銠10-鉑熱電偶，分度號(hào)“S”；鎳鉻-鎳硅熱電偶，分度號(hào)“K”；鎳鉻-康銅熱電偶，分度號(hào)“E”；鐵-康銅熱電偶，分度號(hào)“J”；銅-康銅熱電偶，分度號(hào)“T”。正極寫前面，負(fù)極后面。熱電偶的種類3）薄膜熱電偶兩種金屬薄膜連接而成的一種特殊結(jié)構(gòu)的熱電偶。K熱電偶的分度表

比較查出的3個(gè)熱電勢(shì)，可看出熱電勢(shì)是否線性？

設(shè)冷端為0C，根據(jù)以下電路中的毫伏表的示值及K熱電偶的分度表，查出熱端的溫度tx

。分度表的作用：如何由熱電偶的熱電勢(shì)查熱端溫度值

在實(shí)際測(cè)溫時(shí)，由于熱電偶長(zhǎng)度有限，自由端溫度將直接受到被測(cè)物溫度及周圍環(huán)境溫度的影響，造成誤差。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)。補(bǔ)償導(dǎo)線在0～100C范圍內(nèi)的熱電勢(shì)與配套的熱電偶的熱電勢(shì)相等，所以不影響測(cè)量精度。9.4熱電偶冷端的延長(zhǎng)

必須指出的是：使用補(bǔ)償導(dǎo)線僅能延長(zhǎng)熱電偶的冷端，雖然總的熱電勢(shì)在多數(shù)情況下會(huì)比不用補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)有所提高，但從本質(zhì)上看，并不是因?yàn)闇囟妊a(bǔ)償引起的而是因?yàn)槭估涠诉h(yuǎn)離高溫區(qū)、兩端溫差較大的緣故。在使用補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)，必須根據(jù)熱電偶型號(hào)選配補(bǔ)償導(dǎo)線，補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶兩接點(diǎn)處的溫度必須相同，極性不能接反，不能超出規(guī)定使用的溫度范圍。由于熱電偶的材料一般都比較貴重，而測(cè)溫點(diǎn)到儀表的距離都很遠(yuǎn)，為節(jié)省熱電偶材料，通常采用補(bǔ)償導(dǎo)線把熱電偶的冷端（自由端）延伸到溫度比較穩(wěn)定的控制室內(nèi)，連接到儀表上。熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的作用只起延伸熱電極，使熱電偶的冷端移動(dòng)到控制室的儀表端子上，它本身并不能消除冷端溫度變化對(duì)測(cè)溫的影響。不同的熱電偶需要不同的補(bǔ)償導(dǎo)線。常用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線補(bǔ)償導(dǎo)線外形

A’B’屏蔽層保護(hù)層9.5熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償

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。

3、主要方法有：冷端恒溫法、儀表機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整法、計(jì)算修正法、電橋補(bǔ)償法等幾種。1、冷端恒溫法0℃恒溫器將熱電偶的冷端置于溫度為0℃的恒溫器內(nèi)。用于實(shí)驗(yàn)室或精密的溫度測(cè)量。（冰浴法）其他恒溫器將熱電偶的冷端置于各種恒溫器內(nèi)，使之保持溫度恒定，避免由于環(huán)境溫度的波動(dòng)而引入誤差。這類恒溫器的溫度不為0℃，需對(duì)熱電偶進(jìn)行冷端溫度修正。冰浴法接線圖

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2、儀表機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整法對(duì)精確度要求不高且冷端溫度比較恒定，可將儀表的機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整至冷端的t0處，這相當(dāng)于在輸入熱電偶的電動(dòng)勢(shì)前就給儀表輸入一個(gè)熱電勢(shì)。此法雖有一定的誤差，但非常簡(jiǎn)便，在工業(yè)上經(jīng)常采用。3、計(jì)算修正法測(cè)量值再加上冷端溫度到0℃的熱電勢(shì)，現(xiàn)可利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算補(bǔ)償。例用Ｋ型熱電偶測(cè)溫度，冷端為40℃，測(cè)得的熱電勢(shì)為29.188(mV)，求被測(cè)溫度T。解：已知e(t,40)=29.188(mV)

查E(40,0)=1.611(mV)

故E(t,0)=29.188+1.611=30.799(mV)

查K型分度表得：T=740℃4、電橋補(bǔ)償法熱電偶的電勢(shì)與溫度為非線性關(guān)系；而電阻與溫度的關(guān)系是線性的，故是近似關(guān)系。補(bǔ)償原理見下圖：圖中R1與R2阻值遠(yuǎn)大于其它電阻，使橋路具有恒流性質(zhì)，并使I1=I2=0.5mA；因此，其輸出電壓：

U=e+URCM－UR5利用e與URCM的相反變化來補(bǔ)償熱電偶冷端溫度的改變，自動(dòng)補(bǔ)償?shù)臈l件為：Δe=I1RCMαΔt

電橋補(bǔ)償法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓來自動(dòng)補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢(shì)變化值，可購(gòu)買與被補(bǔ)償熱電偶對(duì)應(yīng)型號(hào)的補(bǔ)償電橋。

XT-WBC熱電偶冷端補(bǔ)償器由于熱電偶的材料一般都比較貴重