第8章 热电偶传感器.ppt

1、学习目标与任务 1.了解温度测量的基本概念和方法； 2.了解热电偶的工作原理与结构类型； 3.掌握热电偶的型号构成及选用方法； 4.学会用其进行温度测量； 5.了解常见热电偶测温系统的组成与功能；,第八章 热电偶传感器,第一节 温度测量的基本概念,一、温度测量的基本概念 温度标志着物质内部大量分子无规则运动的剧烈程度。温度越高，表示物体内部分子热运动越剧烈。,模拟图：在一个密闭的空间里，气体分子在高温时的运动速度比低温时快！,低温,高温,二、温标,1、温度的数值表示方法称为温标。它规定了温度的读数的起点（即零点）以及温度的单位。各类温度计的刻度均由温标确定。 2、国际上规定的温标有：摄氏温标、

2、华氏温标、热力学温标等。,第一节 温度测量的基本概念,几种温标的对比,正常体温为37 C ，相当于华氏温度多少度？,二、温标,第一节 温度测量的基本概念,热力学温标（K）,热力学温标是建立在热力学第二定律基础上的最科学的温标，是由开尔文（Kelvin）根据热力学定律提出来的，因此又称开氏温标。它的符号是T，单位是开尔文（K） 。,威廉汤姆逊开尔文勋爵像,二、温标,第一节 温度测量的基本概念,1990国际温标(ITS-90),从1990年1月1日开始在全世界范围内采用1990年国际温标，简称ITS-90。它定义了一系列温度的固定点，测量和重现这些固定点的标准仪器以及计算公式，例如水的三相点为27

3、3.16K（0.01C）等。,二、温标,第一节 温度测量的基本概念,按照用途可分为基准温度计和工业温度计； 按照测量方法又可分为接触式和非接触式； 按工作原理又可分为膨胀式、电阻式、热电式、辐射式等等； 按输出方式分，有自发电型、非电测型等。,三、温度测量及传感器分类,第一节 温度测量的基本概念,介绍几种温度测量方法,示温涂料（变色涂料）,装满热水后图案变得清晰可辨,三、温度测量及传感器分类,第一节 温度测量的基本概念,变色涂料在电脑内部温度中的示温作用,CPU散热风扇,低温时显示蓝色,温度升高后变为红色,三、温度测量及传感器分类,第一节 温度测量的基本概念,不需要电源，耐用；但感温部件体积较

4、大。,气体的体积与热力学温度成正比,介绍几种温度测量方法,体积热膨胀式,三、温度测量及传感器分类,第一节 温度测量的基本概念,介绍几种温度测量方法,红外温度计,三、温度测量及传感器分类,第一节 温度测量的基本概念,热电偶测温的主要优点:,1、它属于自发电型传感器：测量时可以不需外加电源，可直接驱动动圈式仪表； 2、测温范围广：下限可达-270C ，上限可达1800C以上； 3、各温区中的热电势均符合国际计量委员会的标准。,三、温度测量及传感器分类,第一节 温度测量的基本概念,热电极A,右端称为：自由端（参考端、冷端）,第二节 热电偶的工作原理,左端称为：测量端（工作端、热端）,热电极B,热电势

5、,A,B,先看一个实验热电偶工作原理演示,结论： 当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。,一、热电效应,1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在回路中的指针发生偏转（说明什么？），如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指针的偏转角反而减小（又说明什么？） 。 显然，指针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。,从实验到理论：热电效应,第二节 热电偶的工作原理,一、热电效应,自由电子,A,B,eAB（ T ）,T,结点产生热电势的微观解释及图形符号,两种不同的金属互相接触时，由于不同

6、金属内自由电子的密度不同，在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，从而产生热电势。,从实验到理论：热电效应,第二节 热电偶的工作原理,一、热电效应,热电效应的定义： 将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。,第二节 热电偶的工作原理,一、热电效应,k玻耳兹曼常数，e电子电荷量， T接触处的温度，NA，NB分别为导体A和B的自由电子密度。,接触电动势,不同材料之间: 节点处电子的扩散所致,第二节 热电偶的工作原理,二、热

7、电势 （接触电动势和温差电动势）,温差电动势,A，B汤姆逊温度系数。,同种材料： 两端温度不同电子运动速度不同,第二节 热电偶的工作原理,二、热电势 （接触电动势和温差电动势）,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TT0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：,T0,T,eAB(T),eAB(T0),eA(T,T0),eB(T,T0),A,B,回路总电势,NAT、NAT0导体A在结点温度为T和T0时的电子密度； NBT、NBT0导体B在结点温度为T和T0时的电子密度； A 、 B导体A和B的汤姆逊系数。,实验和理论均以证明：热电偶回路的热电动势主要是由接触

8、电势引起的。又由于EAB（T）和EAB（T0）的极性相反，所以回路总电势为：,结论： 如果热电偶两材料相同，则无论接点处的温度 如何，总电势为零； 如果两接点处的温度相同，尽管A、B材料不同， 总热电势为零； 热电偶产生的热电势只与材料、接点处的温度有 关，而与材料的尺寸、几何形状无关；,若A、B材料确定，热电势EAB(T,T0)是两接点温度T 和T0的函数差,即如果T0保持恒定,则f(T0)=C(常数) 热电势EAB(T,T0)只是工作端温度T的单值函数。,2)中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。,1)均质导体

9、定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。,第二节 热电偶的工作原理,三、热电偶测温基本定律,若三个接点的温度均为T0，则回路的总热电势为 EABC（T0）= EAB(T0)+ EBC(T0)+ ECA(T0)=0 若A、B接点温度为T，其余接点温度为T0，且T T0， 则回路的总热电势为 EABC（T，T0）= EAB(T)+ EBC(T0)+ ECA(T0) 因为EAB(T0)=-EBC(T0)+ ECA(T0) 所以 EABC（T，T0）= EAB(T)- EAB(T0),3)中间温度定律 热电偶在两接点温度t、t0时的热电动势等于该热

10、电偶在接点温度为t、tn和tn、t0时的相应热电动势的代数和。中间温度定律可以用下式表示：,中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据。,第二节 热电偶的工作原理,三、热电偶测温基本定律,根据金属的热电效应原理，任意两种不同材料的导体都可以作为热电极组成热电偶。,在实际应用中，用作热电极的材料应具备如下几方面的条件：,(1)在同样的温差下产生的热电势要大，且其热电势与温度之间呈线性或近似线性的单值函数关系；,(2)耐高温、抗辐射性能好，在较宽的温度范围内其化学、物理性能稳定；,(3)电阻温度系数小，电导率要高；,第三节 热电偶的材料、结构及种类,1、热电偶的材料,(4)易于复制，工艺性与互换性

11、好，便于制度统一的分度表， 材料要有一定的韧性，焊接性能好，以利于制作。,1)铂铂铑热电偶(S型) 工业用热电偶丝：0.5mm，实验室用可更细些。 正极：铂铑合金丝,用90铂和10铑(重量比)冶炼而成。 负极：铂丝。 测量温度：长期：1300、短期：1600。 特点： 材料性能稳定，测量准确度较高；可做成标准热电偶 或基准热电偶。用途：实验室或校验其它热电偶。 测量温度较高，一般用来测量1000以上高温。 在高温还原性气体中（如气体中含Co、H2等）易被侵 蚀，需要用保护套管。 材料属贵金属，成本较高。 热电势较弱。,热电偶常用材料,2)铂铑30铂铑6热电偶(B型) 正极：铂铑合金（用70铂，

12、30铑冶炼而成）。 负极：铂铑合金（用94铂，6铑冶炼而成）。 测量温度：长期可到1600，短期可达1800。 特点： 材料性能稳定，测量精度高。 还原性气体中易被侵蚀。 低温热电势极小，冷端温度在50以下可不加补偿。 成本高。,3)镍铬镍硅(镍铝)热电偶(K型) 工业用热电偶丝： 1.22.5mm，实验室用可细些。 正极：镍铬合金(用88.489.7镍、910铬，0.6硅，0.3锰，0.40.7钴冶炼而成)。 负极：镍硅合金(用95.797镍,23硅,0.40.7钴冶炼而成)。 测量温度：长期1000，短期1300。 特点： 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

13、和含有SO2， H2S等气体中易被侵蚀。 复现性好，热电势大，但精度不如WRLB。,4)镍铬考铜热电偶(E型) 工业用热电偶丝:1.22mm，实验室用可更细些。 正极：镍铬合金 负极：考铜合金（用56铜，44镍冶炼而成）。 测量温度：长期600，短期800。 特点： 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。 气体硫化物对热电偶有腐蚀作用。考铜易氧化变 质，适于在还原性或中性介质中使用。,几种持殊用途的热电偶 （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，是目前一种较好的高温热电偶，可使

14、用在真空惰性气体介质或氢气介质中，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。 （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，因而可配用灵敏度较低的指示仪表，常应用于航空工业。,（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20K473K的低温实验室测量中。,（5）铁康铜热电偶，分度

15、号TK 灵敏度高，约为53V/，线性度好，价格便宜，可在800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能力。,1）普通工业装配式热电偶的结构,热电偶通常由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等几个主要部分组成。,2、热电偶的结构,第三节 热电偶的材料、结构及种类,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部分组成。实验室用时，也可不装保护套管，以减小热惯性。,2）铠装热电偶的结构,2、热电偶的结构,铠装热电偶的制造工艺：把热电极材料与高温绝缘材料预置在金属保护管中、运用同比例压缩延伸工艺、将这三者合为一体，制成各种直径、规格的铠装偶

16、体，再截取适当长度、将工作端焊接密封、配置接线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。 铠装热电偶特点：内部的热电偶丝与外界空气隔绝，有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力冲击的特性。铠装热电偶可以制作得很细，能解决微小、狭窄场合的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。,第三节 热电偶的材料、结构及种类,铠装热电偶结构,铠装型热电偶外形,法兰,铠装型热电偶可 长达上百米,薄壁金属 保护套管（铠体）,铠装型热电偶横截面,3)快速反应薄膜热电偶 用真空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),4,1,2,3,快速反应薄膜热电偶 1热

17、电极; 2热接点; 3绝缘基板; 4引出线,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、铁康铜和铜康铜三种,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。,设冷端为0C，根据以下电路中的毫伏表的示值及K热电偶的分度表，查出热端的温度tx 。,如何由热电偶的热电势查热端温度值,K热电偶的分度表,比较查出的3个热电势，可以看出热电势是否线性？,4. 型 号 表 示,第四节 热电偶的冷端温度补偿,由于热电偶产生的电势与两端温度有关，只有将冷端温度保持恒定才能使热电势正确反映热端的

18、被测温度。 由于很难保证冷端温度在恒定0故常采取一些冷端补偿措施，主要有： 冷端恒温法 、 补偿导线法 、 计算修正法、 桥补偿法等几种。,1.冷端恒温法 0恒温器 将热电偶的冷端置于温度为0的恒温器内。用于实验室或精密的温度测量。 （冰浴法） 其他恒温器 将热电偶的冷端置于各种恒温器内，使之保持温度恒定，避免由于环境温度的波动而引入误差。这类恒温器的温度不为0，需对热电偶进行冷端温度修正。,第四节 热电偶的冷端温度补偿,冰浴法接线图,1被测流体管道 2热电偶 3接线盒 4补偿导线 5铜质导线 6毫伏表 7冰瓶 8冰水混合物 9试管 10新的冷端,2.补偿导线法 由于受到材料价格的限制不可能做

19、很长，而要使其冷端不受测温对象的温度影响，必须使冷端远离温度对象，采用补偿导线可以做到这一点。 所谓补偿导线，实际上是一对材料化学成分不同的导线，在0150温度范围内与配接的热电偶有一致的热电特性，但价格相对要便宜。,补偿导线在0150C范围内的热电势与配套的热电偶的热电势相等，所以不影响测量精度。,第四节 热电偶的冷端温度补偿,2.补偿导线法 实质是相当于将热电极延长。根据中间温度定律，只要热电偶和补偿导线的二个接点温度一致，是不会影响热电动势输出的。 下面以炉温测量为例说明补偿导线的作用。 如采用镍铬-镍硅热电偶测炉温，热端为800 ，冷端为50 ，仪表室为20 。 先分别查表得： E（8

20、00,0）=33.277mV、 E(50,0)=2.022mV、 E(20,0)=0.798mV。 则不补偿时输入仪表的热电势为： E(800,50)=33.277-2.022=31.255mV（相当于751 ）， 采用补偿导线后则为： E(800,20)=33.277-0.798=32.479mV（相当于781 ），,第四节 热电偶的冷端温度补偿,3.计算修正法 实际中，冷端温度高于0 ，但恒定于Tn，则测量值再加上冷端温度Tn到0 的热电势，如下式所示,第四节 热电偶的冷端温度补偿,例用型热电偶测温度，冷端为40 ，测得的热电势为29.188(mV)，求被测温度T。 解：已知 e(t,40

21、)=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.温度修正法,第四节 热电偶的冷端温度补偿,5.冷端温度自动补偿法,第五节 热电偶的应用及配套仪表,由于我国生产的热电偶均符合ITS-90国际温标所规定的标准，其一致性非常好，所以国家又规定了与每一种标准热电偶配套的仪表，它们的显示值为温度，而且均已线性化。国家标准的动圈式显示仪表命名为XC系列。有指示型（XCZ）和指示调节型（XCT）等系列品种。与K型热电偶配套的动圈仪表型号为XCZ-101或XCT-101等。数字式仪表也有指示型

22、（XMZ）和指示调节型（XMT）等几种系列品种。,XCZ系列指针式显示仪表,XC系列动圈式仪表测量机构的核心部件是一个磁电式毫伏计。动圈式仪表与热电偶配套测温时，热电偶、连接导线（补偿导线）、调整电阻和显示仪表组成了一个闭合回路。,1热电偶 2补偿导线 3冷端补偿器 4外接调整电阻 5铜导线 6动圈 7张丝 8磁钢（极靴） 9指针 10刻度面板,XMZ系列智能数字显示仪表,特点： 1、带冷端温度自动补偿； 2、单片机智能化设计，仪表零点、量程等全部参数可按键设定； 3、具有软件校验功能，可通过按键对仪表进行校准； 4、具有超量程指示、断线指示等故障自诊断功能； 5、采用开关电源，电压适应范围宽

23、，仪表体积小、重量轻。 6、220VAC或24VDC供电电源。,XMT系列热电偶智能数字显示控制仪表的特点,带冷端温度自动补偿； 具有超量程指示、断线指示等故障自诊断功能； 双屏显示、副屏显示内容可设定； 最多可带4路报警控制继电器输出； 每个报警控制点的回差可设定； 每个报警控制点的报警方式（上限报警或下限报警）可分别设定。,DDZ型电动单元组合仪表中的变送单元之一： 轨装式温度变送器,它能将热电偶（或热电阻）的输入信号线性地转换成与温度成比例的电流（电压）信号，供给显示、控制仪表及计算机集散系统，广泛用于冶金、石油化工、热电站、纺织、造纸等行业的测温控制系统中。,热电偶的测量线路,1. 测量单点温度的基本测温线路 2. 测量两点之间温差的测温线路 3. 热点偶并联测量线路 4. 热点偶串联测量线路,应用实例(补充) 盐浴炉温度控制系统用S型热电偶检测温度信号，有冷端补偿，温度信号通过放大、采样保持、模数转换再送单片机保存，采用分段查表法获取各点温度。选用可控硅过零触发自动控制盐浴炉温度，控制周期为2s。可按预设温度曲线进行加