理解熱電偶的工作原理

1、2020/8/8,1,第4章 熱電偶傳感器,本章學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容有: 1、了解溫度測量的基本概念和方法； 2、理解熱電偶的工作原理，； 3、了解熱電偶的分類及特點(diǎn)。,2020/8/8,2,溫度測量的基本概念,一、溫度測量的基本概念 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！,低溫,高溫,2020/8/8,3,二、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)

2、等。,2020/8/8,4,幾種溫標(biāo)的對(duì)比,正常體溫為37 C ，相當(dāng)于華氏溫度多少度？,2020/8/8,5,熱力學(xué)溫標(biāo)（K）,熱力學(xué)溫標(biāo)是建立在熱力學(xué)第二定律基礎(chǔ)上的最科學(xué)的溫標(biāo)，是由開爾文（Kelvin）根據(jù)熱力學(xué)定律提出來的，因此又稱開氏溫標(biāo)。它的符號(hào)是T，單位是開爾文（K） 。,威廉湯姆遜開爾文勛爵像,2020/8/8,6,三、溫度測量及傳感器分類,溫度傳感器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、非電測型等。,2020/8/8,7,介紹幾種溫度測量方法,示溫涂料（變色

3、涂料）,裝滿熱水后圖案變得清晰可辨,2020/8/8,8,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,2020/8/8,9,體積熱膨脹式,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,2020/8/8,10,紅外溫度計(jì),2020/8/8,11,熱電偶測溫的主要優(yōu)點(diǎn),1、它屬于自發(fā)電型傳感器：測量時(shí)可以不需外加電源，可直接驅(qū)動(dòng)動(dòng)圈式儀表；使用十分方便，所以常被用作測量爐子、管道內(nèi)的氣體或液體的溫度及固體的表面溫度。 2、測溫范圍廣：下限可達(dá)-270C ，上限可達(dá)1800C以上； 3、各溫區(qū)中的熱電勢均符合國際計(jì)量委員會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)。

4、4、便于遠(yuǎn)距離測量和多點(diǎn)測量，可測溫度、溫度差或者平均溫度,2020/8/8,12,先看一個(gè)實(shí)驗(yàn)熱電偶工作原理演示,熱電極A,右端稱為：自由端（參考端、冷端）,熱電偶的工作原理,左端稱為：測量端（工作端、熱端）,熱電極B,熱電勢,A,B,2020/8/8,13,從實(shí)驗(yàn)到理論：熱電效應(yīng),指南針的偏轉(zhuǎn)說明回路中有電動(dòng)勢產(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) 將兩種不同的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）A、B組合成閉合回路。若兩結(jié)點(diǎn)處溫度不同，則回路中將有電流流動(dòng)，即回路中有熱電動(dòng)勢存在。 此電動(dòng)勢的大小除了與材料本身的性質(zhì)有關(guān)以外,還決定于結(jié)點(diǎn)處的溫差，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)或塞貝克效應(yīng)。,202

5、0/8/8,14,結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生熱電勢的微觀解釋及圖形符號(hào),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。,自由電子,A,B,eAB（ T ）,T,2020/8/8,15,熱電偶就是根據(jù)此原理設(shè)計(jì)制作的將溫差轉(zhuǎn)換為電勢量的熱電式傳感器。熱電效應(yīng)產(chǎn)生的熱電勢是由接觸電勢和溫差電勢兩部分組成的。,2020/8/8,16,（一）接觸電勢,產(chǎn)生原因：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

6、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：,k：波爾茲曼常數(shù)； e：單位電荷電量； nA、nB：溫度為T時(shí),導(dǎo)體A、B的自由電子密度。,2020/8/8,17,（二）溫差電動(dòng)勢,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！,溫度的影響,2020/8/8,18,定義：同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電勢溫差電動(dòng)勢,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

7、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, 形成一個(gè)靜電場，該靜電場阻止電子繼續(xù)向低溫端遷移，最后達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。因此， 在導(dǎo)體兩端便形成溫差電勢，公式：,為湯姆遜系數(shù)，表示導(dǎo)體兩端溫度為1攝氏度時(shí)產(chǎn)生的溫差電勢。,2020/8/8,19,熱電偶回路的熱電勢,熱電偶回路中總的熱電勢應(yīng)是接觸電勢與溫差電勢之和。,EAB（T，T0）=eAB（T）+eB（T，T0）-eAB（T0）-eA（T，T0）,經(jīng)實(shí)踐證明，在熱電偶中起主要作用的是接觸電動(dòng)勢， 溫差電動(dòng)勢只占極小部分?？梢院雎圆挥?jì)：,2020/8/8,20,有關(guān)熱電偶熱電勢的討論,熱電

8、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t 的函數(shù)： EAB（T，T0）=eAB （ T ）- eAB （ T0 ）,當(dāng)熱電偶兩電極材料固定后，熱電動(dòng)勢便是兩接點(diǎn)溫度為T和T0時(shí)的函數(shù)差：,2020/8/8,21,對(duì)于已選定的熱電偶, 當(dāng)參考端溫度T0恒定時(shí), EAB(T0)為常數(shù),則總的熱電動(dòng)勢就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)系, 即,熱電勢大致與兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫差t 成正比,2020/8/8,22,二、有關(guān)熱電偶的幾點(diǎn)結(jié)論,規(guī)定：AB(T,T0)的含義，按位置順序 A表示熱電偶正極；B表示負(fù)極 T表示測量端溫度；T0表示冷端溫度； 符號(hào)變化，位置規(guī)定的含義不變。 AB

9、(T,T0)=-EBA(T,T0)=-EAB(T0,T) 解釋：當(dāng)nAnB,A為正極，B為負(fù)極。腳注AB的順序表示電動(dòng)勢的方向。當(dāng)腳注順序改變時(shí)，電動(dòng)勢前面的符號(hào)（、）隨之改變。,2020/8/8,23,1）熱電勢的大小僅與材料的性質(zhì)及其兩端點(diǎn)的溫度有關(guān)，而與熱電偶的形狀、大小無關(guān)。 燒斷的熱電偶可重新焊接，用于測溫。 2）如果構(gòu)成熱電偶的兩個(gè)熱電極為材料相同的均質(zhì)導(dǎo)體，則無論兩結(jié)點(diǎn)溫度如何，熱電偶回路內(nèi)的總熱電勢為零均質(zhì)導(dǎo)體定律 必須采用兩種不同的材料作為熱電極。,溫差電動(dòng)勢只占極小部分,2020/8/8,24,3）如果熱電偶兩結(jié)點(diǎn)溫度相等t=t0，熱電偶回路內(nèi)的總電勢亦為零。 4）熱電偶A

10、B的熱電勢與A、B材料的中間溫度無關(guān)，只與結(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)。 5）中間導(dǎo)體定律 利用熱電偶進(jìn)行測溫, 必須在回路中引入連接導(dǎo)線和儀表, 接入導(dǎo)線和儀表后會(huì)不會(huì)影響回路中的熱電勢呢？,2020/8/8,25,熱電偶定律,1、中間導(dǎo)體定律 利用熱電偶進(jìn)行測溫, 必須在回路中引入連接導(dǎo)線和儀表, 接入導(dǎo)線和儀表后會(huì)不會(huì)影響回路中的熱電勢呢？ 中間導(dǎo)體定律：在熱電偶測溫回路內(nèi), 接入第三種導(dǎo)體C, 只要其兩端溫度相同, 則對(duì)回路的總熱電勢沒有影響。,2020/8/8,26,證明:中間導(dǎo)體定律 由于溫差電勢可忽略不計(jì), 則回路中的總熱電勢等于各接點(diǎn)的接觸電勢之和,EABC(T,T0)=eAB(T)+eBC(

11、T0)+eCA(T0) （*） 當(dāng)T=T0時(shí),有 EABC(T0)=eAB(T0 )+eBC(T0)+eCA(T0)=0 由此得eAB(T0 )-eBC(T0)-eCA(T0)=0 代入（*）式 ABC(T,T0)=eAB(T)-eAB(T0)=eAB(T,T0) 同理,加入第四、第五種導(dǎo)體后,只要加入的導(dǎo)體兩端溫度相等,同樣不影響回路中的總熱電勢。,2020/8/8,27,利用熱電偶測溫時(shí)，連接導(dǎo)線和顯示儀表等均可看成中間導(dǎo)體。根據(jù)中間導(dǎo)體定律只要保證連接導(dǎo)線和顯示儀表各自兩端的溫度相同，則對(duì)熱電偶的熱電勢沒有影響。因此中間導(dǎo)體定律對(duì)熱電偶的實(shí)際應(yīng)用有十分重要的意義。圖利用中間導(dǎo)體定律制成開

12、路電偶測量金屬和金屬壁面的溫度。 根據(jù)此定律，除可在熱電偶測溫回路中接入各種類型的顯示儀表或調(diào)節(jié)器外，也可以推廣到對(duì)液態(tài)金屬材料和固態(tài)金屬材料表面的溫度測量，如圖所示。有時(shí)為了提高測量精度，或者為了使用上的方便，將熱電極A和B直接插入液態(tài)金屬或焊在固體金屬表面上。例如，用熱電偶連續(xù)測量鐵水的溫度就是這樣的。在連續(xù)測量過程中，熱電極不斷地被鐵水熔掉，而根據(jù)這個(gè)定律，就不需要先焊接了。,2020/8/8,28,2、中間溫度定律 熱電偶T與T0之間若有一溫度Tn，熱電偶的熱電動(dòng)勢AB(T,T0)可以用AB(T,Tn)與AB(Tn,T0)的和來表示。 證明 中間溫度定律為熱電偶分度表的制定和使用奠定了

13、基礎(chǔ)。,2020/8/8,29,3、參考電極定律 當(dāng)結(jié)點(diǎn)溫度為t, t0時(shí)，用導(dǎo)體A，B組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢等于AC熱電偶和CB熱電偶的熱電動(dòng)勢的代數(shù)和。,如圖，導(dǎo)體A、B分別與標(biāo)準(zhǔn)電極C組成熱電偶，若它們所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢為已知，即,那么，導(dǎo)體A與B組成的熱電偶，其熱電動(dòng)勢可由下式求得：,2020/8/8,30,參考電極定律是一個(gè)極為實(shí)用的定律,純金屬的種類很多，合金類型更多。要得出這些金屬之間組合而成熱電偶的熱電動(dòng)勢，工作量極大。由于鉑的物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，熔點(diǎn)高，易提純，所以，通常選用高純鉑絲作為標(biāo)準(zhǔn)電極，只要測得各種金屬與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢表4-2，則各種金屬之間相互組合而成的

14、熱電偶的熱電動(dòng)勢可直接計(jì)算。 例如：熱端為100，冷端為0時(shí)，鎳鉻合金與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢為2.95mV，考銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢為-4.0mV；則鎳鉻和考銅組合成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢： 2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV,用于制造鉑熱電偶的各種鉑熱電偶絲,2020/8/8,31,三、熱電偶冷端溫度補(bǔ)償,熱電效應(yīng)的原理可知，熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢與兩端溫度有關(guān)。只有將冷端的溫度恒定，熱電動(dòng)勢才是熱端溫度的單值函數(shù)。,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，

15、 因此將產(chǎn)生誤差。 2、 一般情況下，冷端溫度均高于0C，熱電勢總是偏小。應(yīng)想辦法消除或補(bǔ)償熱電偶的冷端損失 。,2020/8/8,32,A、冷端冰浴法（0恒溫器） 將熱電偶的冷端置于溫度為0的恒溫器內(nèi)(如冰水混合物)，使冷端溫度處于0。這種裝置通常用于實(shí)驗(yàn)室或精密的溫度測量。,在冰杯中，冰水混合物的溫度能較長時(shí)間地保持在0C不變。,2020/8/8,33,B、冷端恒溫法,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。這類恒溫器可以是盛有變壓器油的容器，利用變壓器油的熱惰性恒溫；也可以是電加熱的恒溫器。這類恒溫器的溫度不為0，故最后還需對(duì)熱電偶進(jìn)行冷端溫度

16、修正。,1被測流體管道 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恒溫器 8混合物 9試管 10新冷端,2020/8/8,34,冷端溫度的修正計(jì)算,當(dāng)熱電偶的冷端溫度t00時(shí)，由于熱端與冷端的溫差隨冷端的變化而變化，所以測得的熱電勢EAB（t，t0）與冷端為0時(shí)所測得的熱電勢EAB（t，0）不等。若冷端溫度高于0，則EAB（t，t0）EAB（t，0）。下式計(jì)算并修正測量誤差： EAB（t，0）=EAB（t，t0）+EAB（t0，0）,EAB(t，0)為熱電偶熱端溫度為t，冷端溫度為0時(shí)的熱電動(dòng)勢； EAB(t，t0)為熱電偶熱端溫度為t，冷端溫度為t0時(shí)的熱電動(dòng)勢； EAB(t0

17、，0)為熱電偶熱端溫度為t0，冷端溫度為0時(shí)的熱電動(dòng)勢。,2020/8/8,35,例：用鎳鉻-鎳硅熱電偶測爐溫，當(dāng)冷端溫度為30 (且為恒定時(shí))，測出熱端溫度為t時(shí)的熱電動(dòng)勢為39.17mV，求爐子的真實(shí)溫度。,2020/8/8,36,由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表查出E(30，0)=1.203mV根據(jù)公式計(jì)算出 再通過分度表查出其對(duì)應(yīng)的實(shí)際溫度為：t=977,2020/8/8,37,C 機(jī)械調(diào)零法 在精度要求不高的場合，可將動(dòng)圈儀表的機(jī)械零點(diǎn)調(diào)至熱電偶冷端所處的溫度T0處。,2020/8/8,38,電橋補(bǔ)償法,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變

18、化值，可購買與被補(bǔ)償熱電偶對(duì)應(yīng)型號(hào)的補(bǔ)償電橋。,XT-WBC熱電偶端補(bǔ)償器,2020/8/8,39,（一）補(bǔ)償導(dǎo)線法,采用相對(duì)廉價(jià)的補(bǔ)償導(dǎo)線，可延長熱電偶的冷端，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)。 所謂補(bǔ)償導(dǎo)線：實(shí)際上是一對(duì)材料化學(xué)成分不同的導(dǎo)線，在0100溫度范圍內(nèi)與配接的熱電偶有一致的熱電特性，但價(jià)格相對(duì)要便宜。若利用補(bǔ)償導(dǎo)線，將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的場所(如儀表室)，其實(shí)質(zhì)是相當(dāng)于將熱電極延長。,2020/8/8,40,補(bǔ)償導(dǎo)線型號(hào),書p70 表43,2020/8/8,41,補(bǔ)償導(dǎo)線外形,A,B,屏蔽層,保護(hù)層,2020/8/8,42,在使用延長線時(shí)的應(yīng)注意以下幾

19、方面：,各種延長線只能與相應(yīng)型號(hào)的熱電偶配用，而且必須在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)使用； 注意極性，不能接反，否則會(huì)造成更大的誤差； 延長線與熱電偶連接的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)，其溫度必須相同。,2020/8/8,43,第三節(jié) 熱電偶的種類及結(jié)構(gòu),八種國際通用熱電偶： B:鉑銠30鉑銠6 、R:鉑銠13鉑 、S: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,用于制造鉑熱電偶的各種鉑熱電偶絲,幾種常用熱電偶的測溫范圍及熱電勢,5種熱電偶的測溫范圍與熱電勢各有什么特點(diǎn)？,熱電偶的分度表,熱電偶的線性較差，多數(shù)情況下采用查表法,我國從1991年開始采用國際計(jì)量委員會(huì)規(guī)定的“1990年國際溫標(biāo)”（簡稱ITS-90）的新標(biāo)準(zhǔn)。按此標(biāo)準(zhǔn)，制定了相應(yīng)的分度表，并且有相應(yīng)的線性化集成電路與之對(duì)應(yīng)。,直接從熱電偶的分度表查溫度與熱電勢的關(guān)系時(shí)的約束條件是：自由端（冷端）溫度必須為0C。 本教材p41的表41列出了工業(yè)中常用的熱電偶如鎳鉻-鎳硅（K）的分度表。,2020/8/8,46,普通裝配型熱電偶的外形,安裝螺紋,安裝法蘭,2020/8/8,47,普通裝配型熱電偶的結(jié)構(gòu)放大圖,接線盒,引出線套管,固定螺紋 （出廠時(shí)用塑料包裹）,熱電偶工作端（熱端）,不銹鋼保護(hù)管,2020/8/8