热电偶温传感器学习教案

1、会计学1热电偶温传感器热电偶温传感器第一页，共66页。第1页/共66页第二页，共66页。第2页/共66页第三页，共66页。第3页/共66页第四页，共66页。n非金属n二碳化钨二碳化钼、石墨碳化物 2 按用途和结构(jigu)分类 普通工业类 直形、角形、锥形 专用类第4页/共66页第五页，共66页。就是热电效应，也称作“塞贝克效应（Seebeck effect）”。Thomas Johann Seebeck 9 April 1770 10 December 1831第5页/共66页第六页，共66页。回路(hul)中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即温差电势和接触电势。热电偶原理图

2、TT0AB冷端热端第6页/共66页第七页，共66页。接触电势原理图 TeAB第7页/共66页第八页，共66页。eAB(T) 导体A、B结点在温度T 时形成的接触电动势；E 单位电荷， e =1.610-19C； k 波尔兹曼常数(chngsh)， k =1.3810-23 J/K ；NA、NB 导体A、B在温度为T 时的自由电子密度。 BAABNNekTTeln第8页/共66页第九页，共66页。温差(wnch)电势原理图第9页/共66页第十页，共66页。eA(T，T0) 导体A两端温度为T、T0时形成(xngchng)的温差电动势； T，T0 高低端的绝对温度； A 汤姆逊系数，表示导体A两端

3、的温度差为1时所产生的温差电动势，例如在0时，铜的 =2V/。 温差温差(wnch)(wnch)电动势的大小取决于导体的材料及两端的温度。电动势的大小取决于导体的材料及两端的温度。eAeAdTTTeT T AA00，第10页/共66页第十一页，共66页。由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为 T、T0 ,如果 T T0 ，则必存在(cnzi)着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB第11页/共66页第十二页，共66页。NAT 导体 A 在结点温度(wnd)为 T 时的电子密度； NAT0 导体 A在结点温度(wnd

4、)为 T0 时的电子密度；NBT 导体 B 在结点温度(wnd)为 T 时的电子密度；NBT0 导体 B 在结点温度(wnd)为 T0 时的电子密度；A 导体 A 的汤姆逊系数；B 导体 B 的汤姆逊系数。如果 T T0 ，回路(hul)总电势： dTNNlnekTNNlnekTT,TeT,TeTeTeT,TET T BTATBTATABABABAB000000003. 回路回路(hul)总电势总电势第12页/共66页第十三页，共66页。()( )( )()BAABABABNNlnTTekTeTeT,TE000=3. 回路回路(hul)总电势总电势第13页/共66页第十四页，共66页。对于有几

5、种不同材料串联组成的闭合回路，接点温度分别(fnbi)为T1、T2 、 、Tn ，冷端温度为零度的热电势。其热电势为 NNABC1ABNABTeTeTeE 2第14页/共66页第十五页，共66页。 热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端(lin dun)温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。 只有用不同性质的导体(或半导体)才能(cinng)组合成热电偶；相同材料不会产生热电势，因为当A、B两种导体是同一种材料时，ln (NA/NB) = 0也即EAB(T，T0) = 0第15页/共66页第十六页，共66页。 导体材料确定(qudng)后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使EAB(

6、T0)=常数， 则回路热电势EAB(T，T0)就只与温度T有关，而且是T 的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。 只有(zhyu)当热电偶两端温度不同，热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生。00( ,)( )()( )( )ABABABET TETETf TCT 四点结论四点结论(jiln)：第16页/共66页第十七页，共66页。第17页/共66页第十八页，共66页。由一种(y zhn)均质导体组成的闭合回路，不论其导体是否存在温度梯度，回路中没有电流(即不产生电动势)；反之，如果有电流流动，此材料则一定是非均质的，即热电偶必须采用两种不同材料作为电极。第18页/共66页第十九页，共66

7、页。T0T0BTACT1CT0T1TAB作业(zuy)：证明第19页/共66页第二十页，共66页。ABT1T2AT0热电偶补偿(bchng)导线接线图E只要T1、T0不变，接入AB后不管(bgun)接点温度T2如何变化，都不影响总热电势。这便是引入补偿导线原理。EAB=EAB(T1)EAB(T0)说明：当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A、B同样热电特性的材料A、B(如图)即引入所谓(suwi)补偿导线时，当EAA(T2)=EBB(T2)，则回路总电动势为T2BT0热电偶检定中补偿导线和铜导线的使用问题第20页/共66页第二十一页，共66页。如果(rgu)不同的两种导体材料组成热电偶回路,

8、其接点温度分别为T1、T2(如图所示)时,则其热电势为EAB(T1, T2)；当接点温度为T2、T3时，其热电势为EAB(T2, T3)；当接点温度为T1、T3时，其热电势为EAB(T1, T3)，则BBA T2 T1 T3 AAB EAB（T1, T3）=EAB（T1, T2）+EAB（T2, T3）第21页/共66页第二十二页，共66页。对于冷端温度不是零度时，热电偶如何(rh)使用分度表的问题提供了依据。0，0，0E0，E，E00ABAB0ABTETETTTTABAB如当T2=0时，则：第22页/共66页第二十三页，共66页。温度温度0 0101020203030404050506060

9、707080809090热电动势热电动势mV0 00.0000.0000.3970.3970.7980.7981.2031.2031.6111.6112.0222.0222.4362.4362.8502.8503.2663.2663.6813.6811001004.0954.0954.5084.5084.9194.9195.3275.3275.7335.7336.1376.1376.5396.5396.9396.9397.3387.3387.7377.7372002008.1378.1378.5378.5378.9388.9389.3419.3419.7459.74510.15110.1511

10、0.56010.56010.96910.96911.38111.38111.79311.79330030012.20712.20712.62312.62313.03913.03913.45613.45613.87413.87414.29214.29214.71214.71215.13215.13215.55215.55215.97415.97440040016.39516.39516.81816.81817.24117.24117.66417.66418.08818.08818.51318.51318.93818.93819.36319.36319.78819.78820.21420.2145

11、0050020.64020.64021.06621.06621.49321.49321.91921.91922.34622.34622.77222.77223.19823.19823.62423.62424.05024.05024.47624.47660060024.90224.90225.32725.32725.75125.75126.17626.17626.59926.59927.02227.02227.44527.44527.86727.86728.28828.28828.70928.70970070029.12829.12829.54729.54729.96529.96530.3833

12、0.38330.79930.79931.21431.21431.27431.27432.04232.04232.45532.45532.86632.86680080033.27733.27733.68633.68634.09534.09534.50234.50234.90934.90935.31435.31435.71835.71836.12136.12136.52436.52436.92536.92590090037.32537.32537.72437.72438.12238.12238.91538.91538.91538.91539.31039.31039.70339.70340.0964

13、0.09640.48840.48840.87940.8791000100041.26941.26941.65741.65742.04542.04542.43242.43242.81742.81743.20243.20243.58543.58543.96843.96844.34944.34944.72944.7291100110045.10845.10845.48645.48645.86345.86346.23846.23846.61246.61246.98546.98547.35647.35647.72647.72648.09548.09548.46248.4621200120048.8284

14、8.82849.19249.19249.55549.55549.91649.91650.27650.27650.63350.63350.99050.99051.34451.34451.69751.69752.04952.0491300130052.39852.39852.74752.74753.09353.09353.43953.43953.78253.78254.12554.12554.46654.46654.80754.807第23页/共66页第二十四页，共66页。0CB0AC0ABEEETTTTTT，4. 标准电极标准电极(dinj)定则定则作业(zuy)：证明第24页/共66页第二十五

15、页，共66页。0BC0AC0ABEEETTTTTT，第25页/共66页第二十六页，共66页。热电偶材料应满足： 物理性能稳定，热电特性不随时间改变(gibin)； 化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐蚀； 热电势高，导电率高，且电阻温度系数小； 便于制造； 复现性好，便于成批生产。第26页/共66页第二十七页，共66页。第27页/共66页第二十八页，共66页。工业用热电偶丝：工业用热电偶丝： 1.22.5mm，实验室用可细些。，实验室用可细些。正极：镍铬合金正极：镍铬合金(用用88.489.7镍、镍、910铬，铬，0.6硅，硅，0.3锰，锰，0.40.7钴冶炼钴冶炼(ylin)而成而成

16、)。负极：镍硅合金负极：镍硅合金(用用95.797镍镍,23硅硅,0.40.7钴冶钴冶炼炼(ylin)而成而成)。测量温度：长期测量温度：长期1000，短期，短期1300。特点：特点： 价格比较便宜，在工业上广泛应用。价格比较便宜，在工业上广泛应用。 高温下抗氧化能力强，在还原性气体和含有高温下抗氧化能力强，在还原性气体和含有SO2， H2S等气体中易被侵蚀。等气体中易被侵蚀。 复现性好，热电势大，但精度不如复现性好，热电势大，但精度不如WRLB。 第28页/共66页第二十九页，共66页。工业用热电偶丝：工业用热电偶丝：1.22mm，实验室用可更细些。，实验室用可更细些。正极：镍铬合金正极：镍

17、铬合金负极：考铜合金（用负极：考铜合金（用56铜，铜，44镍冶炼而成）。镍冶炼而成）。测量温度：长期测量温度：长期600，短期，短期800。特点：特点： 价格比较便宜，工业上广泛应用。价格比较便宜，工业上广泛应用。 在常用热电偶中它产生的热电势最大。在常用热电偶中它产生的热电势最大。 气体硫化物对热电偶有腐蚀气体硫化物对热电偶有腐蚀(fsh)作用。考铜易氧化变质，作用。考铜易氧化变质，适于在还原性或中性介质中使用。适于在还原性或中性介质中使用。 第29页/共66页第三十页，共66页。正极：铂铑合金正极：铂铑合金(hjn)（用（用70铂，铂，30铑冶炼而铑冶炼而成）。成）。负极：铂铑合金负极：铂

18、铑合金(hjn)（用（用94铂，铂，6铑冶炼而成）。铑冶炼而成）。测量温度：长期可到测量温度：长期可到1600，短期可达，短期可达1800。特点：特点： 材料性能稳定，测量精度高。材料性能稳定，测量精度高。 还原性气体中易被侵蚀。还原性气体中易被侵蚀。 低温热电势极小，冷端温度在低温热电势极小，冷端温度在50以下可不加补偿。以下可不加补偿。 成本高。成本高。 第30页/共66页第三十一页，共66页。（1）铱和铱合金热电偶 如铱50铑铱10钌热电偶它能在氧化气氛中测量高达2100的高温。（2）钨铼热电偶 是60年代发展起来的，是目前(mqin)一种较好的高温热电偶，可使用在真空惰性气体介质或氢气

19、介质中，但高温抗氧能力差。国产钨铼-钨铼20热电偶使用温度范围3002000分度精度为1。第31页/共66页第三十二页，共66页。（3）金铁镍铬热电偶主要用在低温测量，可在2273K范围内使用，灵敏度约为10V。（4）钯铂铱15热电偶是一种高输出性能的热电偶，在1398时的热电势为47.255mV，比铂铂铑10热电偶在同样温度下的热电势高出3倍，因而(yn r)可配用灵敏度较低的指示仪表，常应用于航空工业。第32页/共66页第三十三页，共66页。（6）铜康铜热电偶，分度号MK 热电偶的热电势略高于镍铬-镍硅热电偶，约为43V/。复现性好，稳定性好，精度高，价格便宜。缺点是铜易氧化，广泛用于20

20、K473K的低温(dwn)实验室测量中。 （5 5）铁）铁康铜康铜(kn tn)(kn tn)热电偶，分度号热电偶，分度号TK TK 灵敏度高，约为灵敏度高，约为53V/53V/，线性度好，价，线性度好，价格便宜，可在格便宜，可在800800以下的还原介质中使用。主要以下的还原介质中使用。主要缺点是铁极易氧化，采用发蓝处理后可提高抗锈蚀缺点是铁极易氧化，采用发蓝处理后可提高抗锈蚀能力。能力。 第33页/共66页第三十四页，共66页。热电偶分度号热电偶分度号热电极材料热电极材料 正极正极负极负极 S 铂铑铂铑10 纯铂纯铂R 铂铑铂铑13 纯铂纯铂B 铂铑铂铑30 铂铑铂铑6 K 镍铬镍铬镍硅镍

21、硅 T 纯铜纯铜铜镍铜镍 J 铁铁铜镍铜镍 N 镍铬硅镍铬硅镍硅镍硅 E 镍铬镍铬铜镍铜镍第34页/共66页第三十五页，共66页。1 1工业用热电偶工业用热电偶 下图为典型工业用热电偶结构示意图。它下图为典型工业用热电偶结构示意图。它由热电偶丝、绝缘套管、保护套管以及接线盒等由热电偶丝、绝缘套管、保护套管以及接线盒等部分组成部分组成(z chn)(z chn)。实验室用时，也可不装保。实验室用时，也可不装保护套管，以减小热惯性。护套管，以减小热惯性。 工业(gngy)热电偶结构示意图1接线盒；2保险套管3绝缘套管4热电偶丝1234第35页/共66页第三十六页，共66页。各种( zhn)热电偶第

22、36页/共66页第三十七页，共66页。热电偶结构(jigu)第37页/共66页第三十八页，共66页。铠装(ki zhun)热电偶第38页/共66页第三十九页，共66页。 断面(dun min)如图所示。它是由热电偶丝、绝缘材料，金属套管三者拉细组合而成一体。又由于它的热端形状不同，可分为四种型式如图。优点是小型化（直径从12mm到0.25mm）、寿命、热惯性小，使用方便。 测温范围在1100以下的有：镍铬镍硅、镍铬考铜铠装式热电偶。第39页/共66页第四十页，共66页。 铠装式热电偶断面结构示意图1 金属套管； 2绝缘材料； 3热电极(dinj) (a) 碰底型；(b) 不碰底型；(c) 露头

23、型；(d) 帽型第40页/共66页第四十一页，共66页。用真空(zhnkng)蒸镀等方法使两种热电极材料蒸镀到绝缘板上而形成薄膜装热电偶。如图，其热接点极薄(0.010.lm) 因此，特别适用于对壁面温度的快速测量。安装时,用粘结剂将它粘结在被测物体壁面上。目前我国试制的有铁镍、铁康铜(kn tn)和铜康铜(kn tn)三种，尺寸为 6060.2mm;绝缘基板用云母、陶瓷片、玻璃及酚醛塑料纸等；测温范围在300以下；反应时间仅为几ms。 第41页/共66页第四十二页，共66页。薄膜热电偶第42页/共66页第四十三页，共66页。一种(y zhn)测量钢水温度的热电偶。它是用直径为0.050.lm

24、m的铂铑10一铂铑30热电偶装在U型石英管中，再铸以高温绝缘水泥，外面再用保护钢帽所组成。这种热电偶使用一次就焚化，但它的优点是热惯性小，只要(zhyo)注意它的动态标定，测量精度可达 57。第43页/共66页第四十四页，共66页。第44页/共66页第四十五页，共66页。原因热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须(bx)使冷端温度保持恒定；热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0为依据，否则会产生误差。方法u 冰点槽法u 计算修正法u 补正系数法u 零点迁移法u 冷端补偿器法u 软件处理法第45页/共66页第四十六页，共66页。把热电偶的参比端置于

25、冰水混合物容器里，使T0=0。这种办法仅限于科学实验中使用。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点(bngdin)槽，使相互绝缘。第46页/共66页第四十七页，共66页。用普通室温计算出参比端实际(shj)温度TH，利用公式计算EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)例 用铜-康铜热电偶测某一温度T，参比端在室温环境 TH中，测得热电动势 EAB(T，TH) = 1.999mV，又用室温计测出 TH=21,查此种热电偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.832mV，故得EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，T0)

26、=1.999+0.832=2.831(mV)再次查分度表，与2.831mV对应的热端温度T=68。第47页/共66页第四十八页，共66页。0.801.202.442.85第48页/共66页第四十九页，共66页。T T k T H式中：T为未知的被测温度； T为参比端在室温下热电偶电势与分度表上对应的某个温度； TH室温； k为补正(bzhng)系数，其它参数见下表。把参比端实际温度TH乘上系数k，加到由EAB(T，TH)查分度表所得(su d)的温度上，成为被测温度T。用公式表达即第49页/共66页第五十页，共66页。温度T/补正系数 k铂铑10-铂（S）镍铬-镍硅（K）1000.821.00

27、2000.721.003000.690.984000.660.985000.631.006000.620.967000.601.008000.591.009000.561.0010000.551.0711000.531.1112000.5313000.5214000.5215000.5216000.52第50页/共66页第五十一页，共66页。例 用铂铑10铂热电偶测温，已知冷端温度TH=35，这时热电动势为 11.348 mV查S型热电偶的分度表，得出与此相应的温度 T= 1150。再从下表中查出，对应于1150的补正系数 k = 0.53。于是，被测温度 T=1150+0.5335=1168

28、.3（）用这种办法稍稍简单一些，比计算修正法误差可能(knng)大一点，但误差不大于0.14。 第51页/共66页第五十二页，共66页。应用领域：如果冷端不是 0，但十分稳定（如恒温车间或有空调的场所）。实质：在测量结果中人为地加一个恒定值，因为(yn wi)冷端温度稳定不变，电动势 EAB(TH,0) 是常数，利用指示仪表上调整零点的办法，加大某个适当的值而实现补偿。第52页/共66页第五十三页，共66页。例 用动圈仪表配合热电偶测温时，如果把仪表的机械零点调到室温 TH 的刻度上，在热电动势为零时(ln sh)，指针指示的温度值并不是 0而是 TH。而热电偶的冷端温度已是 TH，则只有当热

29、端温度 T=TH 时，才能使 EAB(T,TH) = 0，这样，指示值就和热端的实际温度一致了。这种办法非常简便，而且一劳永逸，只要冷端温度总保持在 TH 不变，指示值就永远正确。 第53页/共66页第五十四页，共66页。利用不平衡电桥产生(chnshng)热电势补偿热电偶因冷端温度变化而引起热电势的变化值。不平衡电桥由R1、R2、R3(锰铜丝绕制)、RCu(铜丝绕制)四个桥臂和桥路电源组成。设计时，在 0 下使电桥平衡(R1 = R2 = R3 = RCu)，此时Uab=0 ，电桥对仪表读数无影响。 第54页/共66页第五十五页，共66页。冷端补偿器的作用(zuyng) mVEAB(T,T0)T0T0TAB+-abUUabRCuR1R2R3RT0 Ua Uab EAB(T,T0)第55页/共66页第五十六页，共66页。注意(zh y)：桥臂RCu必须和热电偶的冷端靠近，使处于同一温度之下。供电4V直流，在040或-2020的范围起补偿作用。注意，不同材质的热电偶所配的冷端补偿器，其中的限流电阻R不一样(yyng)，互换时必须重新调整。第56页/共66页第五十七页，共66页。对于计算机系统，不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。例如冷端温度恒定但不为0的情况，只需在采样后加一个与冷端温度对应的常数即可。 对于T0经常波动的情况，可利用热敏电阻或