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热电偶传感器第1页，共62页，编辑于2022年，星期一第一节第一节 温度测量的基本概念温度测量的基本概念 一、一、温度测量的基本温度测量的基本概念概念 温度标志着物温度标志着物质内部大量分子无规质内部大量分子无规则运动的剧烈程度。则运动的剧烈程度。温度越高，表示物体温度越高，表示物体内部分子热运动越剧内部分子热运动越剧烈。烈。模拟图：模拟图：在一个密闭的空间里，气体分子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！在高温时的运动速度比低温时快！低温低温高温高温第2页，共62页，编辑于2022年，星期一二、温标二、温标 1 1、温度的数值表示方法称为温标温度的数值表示方法称为温标。它规。它规定了温度的读数的起点（即零点）以及温度的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。单位。各类温度计的刻度均由温标确定。2 2、国际上规定的温标有：、国际上规定的温标有：摄氏温标、华摄氏温标、华氏温标、热力学温标氏温标、热力学温标等。等。第一节第一节 温度测量的基本概念温度测量的基本概念 第3页，共62页，编辑于2022年，星期一几种温标的对比几种温标的对比 正常体温为正常体温为37 C C，相当，相当于华氏温度于华氏温度多少度？多少度？二、温标二、温标 第一节第一节 温度测量的基本概念温度测量的基本概念 第4页，共62页，编辑于2022年，星期一热力学温标（热力学温标（K K）热力学温标是建立在热力学温标是建立在热力学第二定律基础上的热力学第二定律基础上的最科学的温标，是由开尔最科学的温标，是由开尔文（文（Kelvin）根据热力学）根据热力学定律提出来的，因此又称定律提出来的，因此又称开氏温标。它的符号是开氏温标。它的符号是T，单位是开尔文（单位是开尔文（K）。威廉威廉汤姆逊汤姆逊开尔文勋爵像开尔文勋爵像二、温标二、温标 第一节第一节 温度测量的基本概念温度测量的基本概念 第5页，共62页，编辑于2022年，星期一1990国际温标国际温标(ITS-90)从从1990年年1月月1日开始在全世界范围内日开始在全世界范围内采用采用1990年国际温标，简称年国际温标，简称ITS-90。它定义。它定义了一系列温度的固定点，测量和重现这些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，例如水固定点的标准仪器以及计算公式，例如水的三相点为的三相点为273.16K（0.01 C）等。）等。二、温标二、温标 第一节第一节 温度测量的基本概念温度测量的基本概念 第6页，共62页，编辑于2022年，星期一 按照按照用途用途可分为基准温度计和工业温度计；可分为基准温度计和工业温度计；按照测量方法又可分为按照测量方法又可分为接触式接触式和和非接触式非接触式；按工作原理又可分为按工作原理又可分为膨胀式膨胀式、电阻式电阻式、热电式热电式、辐射辐射式式等等；等等；按输出方式分，有自发电型、非电测型等。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三、温度测量及传感器分类第一节第一节 温度测量的基本概念温度测量的基本概念 第7页，共62页，编辑于2022年，星期一介绍几种温度测量方法介绍几种温度测量方法 示温涂料（变色涂料）示温涂料（变色涂料）装满热水后图案变得清晰可辨装满热水后图案变得清晰可辨三、温度测量及传感器分类三、温度测量及传感器分类第一节第一节 温度测量的基本概念温度测量的基本概念 第8页，共62页，编辑于2022年，星期一变色涂料在电脑内部温度中的示温作用变色涂料在电脑内部温度中的示温作用CPU散热风扇散热风扇低温时显示蓝色低温时显示蓝色温度升高后变为红色温度升高后变为红色三、温度测量及传感器分类三、温度测量及传感器分类第一节第一节 温度测量的基本概念温度测量的基本概念 第9页，共62页，编辑于2022年，星期一 不需要电源，耐用；但感温部不需要电源，耐用；但感温部件体积较大。件体积较大。气体的体积与热力气体的体积与热力学温度成正比学温度成正比介绍几种温度测量方法介绍几种温度测量方法 体积热膨胀式体积热膨胀式 三、温度测量及传感器分类三、温度测量及传感器分类第一节第一节 温度测量的基本概念温度测量的基本概念 第10页，共62页，编辑于2022年，星期一介绍几种温度测量方法介绍几种温度测量方法 红外温度计红外温度计三、温度测量及传感器分类三、温度测量及传感器分类第一节第一节 温度测量的基本概念温度测量的基本概念 第11页，共62页，编辑于2022年，星期一热电偶测温的主要优点热电偶测温的主要优点:1、它它属属于于自自发发电电型型传传感感器器：测测量量时时可可以以不不需需外外加加电电源源，可直接驱动动圈式仪表；可直接驱动动圈式仪表；2、测温范围广、测温范围广：下限可达：下限可达-270 C C，上限可达，上限可达18001800 C C以上；以上；3 3、各温区中的热电势均符合、各温区中的热电势均符合国际计量委员会国际计量委员会的标准。的标准。三、温度测量及传感器分类三、温度测量及传感器分类第一节第一节 温度测量的基本概念温度测量的基本概念 第12页，共62页，编辑于2022年，星期一热电极热电极A A右端称为：右端称为：自由端自由端（参考端、（参考端、冷端）冷端）第二节第二节 热电偶的工作原理热电偶的工作原理 左端称为：左端称为：测量端测量端（工作端、（工作端、热端）热端）热电极热电极B B热电势热电势AB先看一个实验先看一个实验热电偶工作原理演示热电偶工作原理演示结论：结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。一、热电效应一、热电效应 第13页，共62页，编辑于2022年，星期一 1821年，德国物理学家年，德国物理学家赛贝克赛贝克用两种不同金属组成用两种不同金属组成闭合回路闭合回路，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指针发生偏转针发生偏转（说明什么？），（说明什么？），如果用两盏酒精灯对两个结点如果用两盏酒精灯对两个结点同时同时加热，指针的偏转角反而减小加热，指针的偏转角反而减小（又说明什么？）（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。动，电流的强弱与两个结点的温差有关。从实验到理论：热电效应从实验到理论：热电效应第二节第二节 热电偶的工作原理热电偶的工作原理 一、热电效应一、热电效应 第14页，共62页，编辑于2022年，星期一自由自由电子电子ABeAB（T T）T T结点产生热电势的结点产生热电势的微观微观解释及解释及图形符号图形符号 两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密度不同，两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属在两金属A和和B的接触点处会发生自由电子的的接触点处会发生自由电子的扩散现象扩散现象。自由电子将从密度。自由电子将从密度大的金属大的金属A扩散到密度小的金属扩散到密度小的金属B，使，使A失去电子带正电失去电子带正电，B得到电子带负得到电子带负电电，从而产生，从而产生热电势热电势。从实验到理论：热电效应从实验到理论：热电效应第二节第二节 热电偶的工作原理热电偶的工作原理 一、热电效应一、热电效应 第15页，共62页，编辑于2022年，星期一热电效应的热电效应的定义：定义：将两种不同材料的导体将两种不同材料的导体A和和B串接成一个闭合回路，当两个接点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。效应。第二节第二节 热电偶的工作原理热电偶的工作原理 一、热电效应一、热电效应 第16页，共62页，编辑于2022年，星期一ABTT0kk玻耳兹曼常数，玻耳兹曼常数，ee电子电荷量，电子电荷量，TT接触处的温度，接触处的温度，N NA A，N NB B分别为导体分别为导体A A和和B B的自由电子密度。的自由电子密度。接触电动势接触电动势不同材料之间不同材料之间:节点处电子的扩散所致节点处电子的扩散所致第二节第二节 热电偶的工作原理热电偶的工作原理 二、热电势二、热电势（接触电动势和温差电动势接触电动势和温差电动势）第17页，共62页，编辑于2022年，星期一 温差电动势温差电动势A A，B B汤姆逊温度系数。汤姆逊温度系数。同种材料：同种材料：两端温度不同两端温度不同电子运动速度不同电子运动速度不同第二节第二节 热电偶的工作原理热电偶的工作原理 二、热电势二、热电势（接触电动势和温差电动势接触电动势和温差电动势）ABTT0第18页，共62页，编辑于2022年，星期一由导体材料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：T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB 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。第19页，共62页，编辑于2022年，星期一实验和理论均以证明：热电偶回路的热电动势主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电势引起的。又由于要是由接触电势引起的。又由于E EABAB（T T）和）和E EABAB（T T0 0）的极性相反，所以回路总电势为：）的极性相反，所以回路总电势为：第20页，共62页，编辑于2022年，星期一结论：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；第21页，共62页，编辑于2022年，星期一若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。第22页，共62页，编辑于2022年，星期一2)2)中间导体定律中间导体定律 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。导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。TT0V1)1)均质导体定律均质导体定律 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。度以及温度分布如何均不产生热电动势。第二节第二节 热电偶的工作原理热电偶的工作原理 三、热电偶测温基本定律三、热电偶测温基本定律第23页，共62页，编辑于2022年，星期一若三个接点的温度均为若三个接点的温度均为T T0 0，则回路的总热电势为，则回路的总热电势为 E EABCABC（T T0 0）=E=EABAB(T(T0 0)+E)+EBCBC(T(T0 0)+E)+ECACA(T(T0 0)=0)=0若若A A、B B接点温度为接点温度为T T，其余接点温度为，其余接点温度为T T0 0，且，且T TT T0 0，则回路的总热电势为则回路的总热电势为 E EABCABC（T T，T T0 0）=E=EABAB(T)+E(T)+EBCBC(T(T0 0)+E)+ECACA(T(T0 0)因为因为E EABAB(T(T0 0)=-E)=-EBCBC(T(T0 0)+E)+ECACA(T(T0 0)所以所以 E EABCABC（T T，T T0 0）=E=EABAB(T)-E(T)-EABAB(T(T0 0)第24页，共62页，编辑于2022年，星期一3)3)中间温度定律中间温度定律 热电偶在两接点温度热电偶在两接点温度t t、t t0 0时的热电动势等于该热电偶在接点温度为时的热电动势等于该热电偶在接点温度为t t、t tn n和和t tn n、t t0 0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：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。中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据。第二节第二节 热电偶的工作原理热电偶的工作原理 三、热电偶测温基本定律三、热电偶测温基本定律第25页，共62页，编辑于2022年，星期一 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。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：件：(1)(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；性或近似线性的单值函数关系；(2)(2)耐高温、抗辐射性能好，在较宽的温度范围内其化学、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；物理性能稳定；(3)(3)电阻温度系数小，电导率要高；电阻温度系数小，电导率要高；第三节第三节 热电偶的材料、结构及种类热电偶的材料、结构及种类1、热电偶的材料、热电偶的材料(4)(4)易于复制，工艺性与互换性好，便于制度统一的分度表，易于复制，工艺性与互换性好，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。材料要有一定的韧性，焊接性能好，以利于制作。第26页，共62页，编辑于2022年，星期一 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：n 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。n 测量温度较高，一般用来测量1000以上高温。n 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。n 材料属贵金属，成本较高。n 热电势较弱。热电偶常用材料热电偶常用材料第27页，共62页，编辑于2022年，星期一2)铂铑30铂铑6热电偶(B型)正极：铂铑合金（用70铂，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：l 材料性能稳定，测量精度高。l 还原性气体中易被侵蚀。l 低温热电势极小，冷端温度在50以下可不加补偿。l 成本高。第28页，共62页，编辑于2022年，星期一3)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：u 价格比较便宜，在工业上广泛应用。u 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。u 复现性好，热电势大，但精度不如WRLB。第29页，共62页，编辑于2022年，星期一4)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：l 价格比较便宜，工业上广泛应用。l 在常用热电偶中它产生的热电势最大。l 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。第30页，共62页，编辑于2022年，星期一几种持殊用途的热电偶（1 1）铱铱和和铱铱合合金金热热电电偶偶 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 2）钨钨铼铼热热电电偶偶 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 3）金金铁铁镍镍铬铬热热电电偶偶 主要用在低温测量，可在2273K范围内使用，灵敏度约为10V。（4 4）钯钯铂铂铱铱1515热热电电偶偶 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。第31页，共62页，编辑于2022年，星期一（6 6）铜）铜康铜热电偶，分度号康铜热电偶，分度号MKMK 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 5）铁）铁康铜热电偶，分度号康铜热电偶，分度号TKTK 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。第32页，共62页，编辑于2022年，星期一1）普通工业装配式热电偶的结构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。管和接线盒等几个主要部分组成。2、热电偶的结构、热电偶的结构第三节第三节 热电偶的材料、结构及种类热电偶的材料、结构及种类第33页，共62页，编辑于2022年，星期一工业热电偶结构示意图1接线盒；2保险套管3绝缘套管4热电偶丝1234 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。第34页，共62页，编辑于2022年，星期一2）铠装热电偶的结构铠装热电偶的结构2、热电偶的结构、热电偶的结构 铠装热电偶的制造工艺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：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、规格的铠装偶体，再截取适当长度、将工作端焊接密封、配置接线径、规格的铠装偶体，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。盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。铠装热电偶特点：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、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。超长等优点。第三节第三节 热电偶的材料、结构及种类热电偶的材料、结构及种类第35页，共62页，编辑于2022年，星期一铠装热电偶结构第36页，共62页，编辑于2022年，星期一铠装型热电偶外形铠装型热电偶外形法兰法兰铠装型热电偶可铠装型热电偶可 长达上百米长达上百米薄壁金属薄壁金属 保护套管保护套管（铠体）（铠体）BA绝缘绝缘 材料材料铠装型热电偶横铠装型热电偶横截面截面第37页，共62页，编辑于2022年，星期一3)3)快速反应薄膜热电偶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，其热接点极薄电偶。如图，其热接点极薄(0.01(0.010.lm)0.lm)4123快速反应薄膜热电偶1热电极;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。第38页，共62页，编辑于2022年，星期一 设设冷端为冷端为0 0 C C，根据以下电路中的毫伏表的根据以下电路中的毫伏表的示值示值及及K热电偶的热电偶的分度表，分度表，查出查出热端的温度热端的温度tx 。如何由热电偶的热电势查热端温度值如何由热电偶的热电势查热端温度值第39页，共62页，编辑于2022年，星期一K K热电偶的热电偶的分度表分度表 比较查出的比较查出的3个热电势，可个热电势，可以看出热电势是以看出热电势是否否线性？线性？第40页，共62页，编辑于2022年，星期一4.型型号号表表示示第41页，共62页，编辑于2022年，星期一第四节第四节 热电偶的冷端温度补偿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被测温度。端温度保持恒定才能使热电势正确反映热端的被测温度。由于很难保证冷端温度在恒定由于很难保证冷端温度在恒定00故常采取一些冷端补故常采取一些冷端补偿措施，主要有：偿措施，主要有：冷端恒温法冷端恒温法 、补偿导线法补偿导线法 、计算修正法、计算修正法、桥补偿法桥补偿法等几种。等几种。第42页，共62页，编辑于2022年，星期一1.冷端恒温法冷端恒温法0恒温器恒温器 将热电偶的冷端置于温度为将热电偶的冷端置于温度为0的恒温器内。用于实验室或的恒温器内。用于实验室或精密的温度测量。精密的温度测量。（冰浴法冰浴法）其他恒温器其他恒温器 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，需对热电偶进行冷端温度修正。行冷端温度修正。第四节第四节 热电偶的冷端温度补偿热电偶的冷端温度补偿第43页，共62页，编辑于2022年，星期一冰浴法接线图冰浴法接线图 11被测流体管道被测流体管道 22热电偶热电偶 33接线盒接线盒 44补偿补偿导线导线 55铜质导线铜质导线 66毫伏表毫伏表 77冰瓶冰瓶 88冰水冰水混合物混合物 99试管试管 1010新的冷端新的冷端 第44页，共62页，编辑于2022年，星期一2.补偿导线法补偿导线法 由于受到材料价格的限制不可能做很长，而要使其冷端不受由于受到材料价格的限制不可能做很长，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。可以做到这一点。所谓所谓补偿导线补偿导线，实际上是一对材料化学成分不同的导线，在，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。宜。型号型号配用热电偶配用热电偶正正-负负导线外皮颜色导线外皮颜色 正正-负负SCSC铂铑铂铑1010-铂铂红红-绿绿KCKC镍铬镍铬-镍硅镍硅红红-蓝蓝WCWC5/265/26钨铼钨铼5 5-钨铼钨铼2626 红红-橙橙补偿导线在补偿导线在0 0150150 C范范围内的热电势与配套的热围内的热电势与配套的热电偶的热电势相等，所以电偶的热电势相等，所以不影响测量精度。不影响测量精度。第四节第四节 热电偶的冷端温度补偿热电偶的冷端温度补偿第45页，共62页，编辑于2022年，星期一2.补偿导线法补偿导线法 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。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。下面以炉温测量为例说明补偿导线的作用。如采用镍铬如采用镍铬-镍硅热电偶测炉温，热端为镍硅热电偶测炉温，热端为800 800，冷端为，冷端为50 50 ，仪，仪表室为表室为20 20。先分别查表得：先分别查表得：E E（800,0800,0）=33.277mV=33.277mV、E(50,0)=2.022mV E(50,0)=2.022mV、E(20,0)=0.798mV E(20,0)=0.798mV。则不补偿时输入仪表的热电势为：则不补偿时输入仪表的热电势为：E(800,50)=33.277-2.022=31.255mV E(800,50)=33.277-2.022=31.255mV（相当于（相当于751 751 ），），采用补偿导线后则为：采用补偿导线后则为：E(800,20)=33.277-0.798=32.479mV E(800,20)=33.277-0.798=32.479mV（相当于（相当于781 781 ），），第四节第四节 热电偶的冷端温度补偿热电偶的冷端温度补偿第46页，共62页，编辑于2022年，星期一3.计算修正法计算修正法 实际中，冷端温度高于实际中，冷端温度高于0，但恒定于，但恒定于Tn，则，则测量值再加上冷测量值再加上冷端温度端温度Tn到到0 的热电势，如下式所示的热电势，如下式所示第四节第四节 热电偶的冷端温度补偿热电偶的冷端温度补偿例用型热电偶测温度，冷端为例用型热电偶测温度，冷端为40，测得的热电势为，测得的热电势为29.188(mV)，求被测温度，求被测温度T。解：已知解：已知 e(t,40)=29.188(mV)查查 E(40,0)=1.611(mV)故故 E(t,0)=29.188+1.611=30.799(mV)查查K型分度表得：型分度表得：T=740 第47页，共62页，编辑于2022年，星期一4.温度修正法温度修正法 第四节第四节 热电偶的冷端温度补偿热电偶的冷端温度补偿5.冷端温度自动补偿法冷端温度自动补偿法 第48页，共62页，编辑于2022年，星期一第五节第五节 热电偶的应用及配套仪表热电偶的应用及配套仪表 由于我国生产的热电偶均符合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，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动圈式显示仪表命名为名为XC系列系列。有指示型（。有指示型（XCZ）和指示调节型（）和指示调节型（XCT）等系列品种。）等系列品种。与与K型热电偶配套的动圈仪表型号为型热电偶配套的动圈仪表型号为XCZ-101或或XCT-101等。数字等。数字式仪表也有式仪表也有指示型（指示型（XMZ）和指示调节型（）和指示调节型（XMT）等几种系列品种。等几种系列品种。第49页，共62页，编辑于2022年，星期一XCZ系列指针式显示仪表系列指针式显示仪表 XC系列系列动圈式仪表动圈式仪表测量机构的核心部件是一测量机构的核心部件是一个磁电式毫伏计。动圈式个磁电式毫伏计。动圈式仪表与热电偶配套测温时，仪表与热电偶配套测温时，热电偶、连接导线（补偿热电偶、连接导线（补偿导线）、调整电阻和显示导线）、调整电阻和显示仪表组成了一个闭合回路。仪表组成了一个闭合回路。1热电偶热电偶 2补偿导线补偿导线 3冷端补偿器冷端补偿器 4外接调整电阻外接调整电阻 5铜导线铜导线 6动圈动圈 7张丝张丝 8磁钢（极靴）磁钢（极靴）9指针指针 10刻度刻度面板面板 第50页，共62页，编辑于2022年，星期一XMZ系列智能数字显示仪表系列智能数字显示仪表 特点特点：1、带冷端温度、带冷端温度自动补偿自动补偿；2、单片机智能化设计，仪表零点、单片机智能化设计，仪表零点、量程等全部参数可量程等全部参数可按键设定按键设定；3、具有软件校验功能，可通过按键对仪、具有软件校验功能，可通过按键对仪表进行表进行校准校准；4、具有超量程指示、断线指示等、具有超量程指示、断线指示等故障自故障自诊断功能诊断功能；5、采用、采用开关电源开关电源，电压适应范围宽，仪，电压适应范围宽，仪表体积小、重量轻。表体积小、重量轻。6、220VAC或或24VDC供电电源供电电源。第51页，共62页，编辑于2022年，星期一XMT系列热电偶智能数字显示控制仪表的特点系列热电偶智能数字显示控制仪表的特点n带冷端温度自动补偿；带冷端温度自动补偿；n具有超量程指示、断线指示等故障自诊断功能；具有超量程指示、断线指示等故障自诊断功能；n双屏显示、副屏显示内容可设定；双屏显示、副屏显示内容可设定；n最多可带最多可带4路报警控制继电器输出；路报警控制继电器输出；n每个报警控制点的回差可设定；每个报警控制点的回差可设定；n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。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。第52页，共62页，编辑于2022年，星期一DDZDDZ型电动单元组合型电动单元组合仪表中的变送单元之一：仪表中的变送单元之一：轨装式温度变送器轨装式温度变送器 它能将热电偶（或热电阻）的它能将热电偶（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、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。织、造纸等行业的测温控制系统中。第53页，共62页，编辑于2022年，星期一热电偶的测量线路热电偶的测量线路v1.测量单点温度的基本测温线路 v2.测量两点之间温差的测温线路 v3.热点偶并联测量线路v4.热点偶串联测量线路第54页，共62页，编辑于2022年，星期一应用实例应用实例(补充补充)盐浴炉温度控制系统用盐浴炉温度控制系统用S型热电偶检测温度信号，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热，并可实时显示加温曲线。可按预设温度曲线进行加热，并可实时显示加温曲线。第55页，共62页，编辑于2022年，星期一1）系统总体方案）系统总体方案 本系统采用晶闸管调功实现盐浴炉的温度控本系统采用晶闸管调功实现盐浴炉的温度控制，即通过控制晶闸管导通与关断的周波数比制，即通过控制晶闸管导通与关断的周波数比率，从而达到调功的目的。晶闸管的触发由单率，从而达到调功的目的。晶闸管的触发由单片机控制，通过单片机编程可方便地实现按预片机控制，通过单片机编程可方便地实现按预定温度曲线进行加热。定温度曲线进行加热。第56页，共62页，编辑于2022年，星期一盐浴炉炉温由热电偶感应，通过信号放大、采样盐浴炉炉温由热电偶感应，通过信号放大、采样保持、保持、A/D转换，再由单片机进行数据处理及线性转换，再由单片机进行数据处理及线性化校正，以实现盐浴炉实际温度的检测和显示。化校正，以实现盐浴炉实际温度的检测和显示。其系统总体框图如下：其系统总体框图如下：第57页，共62页，编辑于2022年，星期一2 2）温度检测电路温度检测电路 盐浴炉常用温度在盐浴炉常用温度在8001500之间，热电之间，热电偶是测温的一次仪表，对它的选择将直接影响偶是测温的一次仪表，对它的选择将直接影响检测精度。目前测温常选用检测精度。目前测温常选用K型镍铬型镍铬-镍硅热电镍硅热电偶，它具有较好的温度偶，它具有较好的温度-热电势线性度，便于后续热电势线性度，便于后续数据处理，但它不宜长期在数据处理，但它不宜长期在1300左右的高温下左右的高温下使用。因此，这里选用使用。因此，这里选用S型铂铑型铂铑-铂热电偶，其测铂热电偶，其测温范围为温范围为01600，它与，它与K型相比，有较高的型相比，有较高的精度，但它的线性度较差。精度，但它的线性度较差。第58页，共62页，编辑于2022年，星期一 为此，采取每为此，采取每10分一段，分一段，8001500之间共之间共分分70段，在每一段中取各段中点的热电势率段，在每一段中取各段中点的热电势率K作为作为各段诸点热电热率的平均值。该近似修正方法误差各段诸点热电热率的平均值。该近似修正方法误差小，不超过放大电路和小，不超过放大电路和A/D转换等环节所产生的误转换等环节所产生的误差。热电偶温度检测与放大电路如下图。差。热电偶温度检测与放大电路如下图。第59页，共62页，编辑于2022年，星期一 其其中中ViVi为为热热电电偶偶感感应应的的热热电电势势输输入入，经经自自稳稳零高精度运放零高精度运放ICL7650ICL7650放大后，放大后，V V0101=(R=(R4 4+R+R5 5)*Vi/R)*Vi/R4 4 再由第二级运放再由第二级运放A741A741放大后放大后V V0202=(R=(R8 8+R+R7 7)(R)(R4 4+R+R5 5)Vi/R)Vi/R4 4R R5 5 最最后后，为为实实现现阻阻抗抗变变换换匹匹配配需需射射极极跟跟随随器器，也也由由A741A741实实现现。A/D转转换换选选用用ADC0809，数数字字量量送送单单片片机机，进进行行数数值值处处理理后后得得实实际际炉炉温温，送送LED显示。显示。第60页，共62页，编辑于2022年，星期一 3 3）过零检测及晶闸管触发电路过零检测及晶闸管触发电路 本本系系统统采采用用双双向向晶晶闸闸管管，即即可可控控硅硅作作为为输输出出功功率率控控制制部部件件，通通过过可可控控硅硅调调压压来来实实现现交交流流调调功功。触触发发有有两两种种方方法法，即即移移相相触触发发和和过过零零触触发发。移移相相触触发发是是通通过过改改变变电电压压调调节节导导通通角角来来实实现现调调压压，但但改改变变电电压压波波形形。过过零零触触发发不不改改变变电电压压的的波波形形而而只只改改变变电电压压全全波波通通过过的的次次数数。过过零零检检测测及及晶晶闸闸管管触触发电路见下图。发电路见下图。第61页，共62页，编辑于2022年，星期一第62页，共62页，编辑于2022年，星期一