第10章+热电式传感器(改).ppt

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1、第第10章热电式传感器章热电式传感器第第1010章章 热电式传感器热电式传感器 温度是诸多物理现象中具有代表性的物理量，温度是诸多物理现象中具有代表性的物理量，温度是诸多物理现象中具有代表性的物理量，温度是诸多物理现象中具有代表性的物理量，现代生活中准确的温度是不可缺少的信息内容，现代生活中准确的温度是不可缺少的信息内容，现代生活中准确的温度是不可缺少的信息内容，现代生活中准确的温度是不可缺少的信息内容，如家用电器有：电饭煲、电冰箱、空调、微波炉如家用电器有：电饭煲、电冰箱、空调、微波炉如家用电器有：电饭煲、电冰箱、空调、微波炉如家用电器有：电饭煲、电冰箱、空调、微波炉这些家用电器中都少不了温

2、度传感器。这些家用电器中都少不了温度传感器。这些家用电器中都少不了温度传感器。这些家用电器中都少不了温度传感器。概述概述第第1010章章 热电式传感器热电式传感器概述概述 根据所用测温物质根据所用测温物质的不同和测温范围不的不同和测温范围不同，有煤油温度计、同，有煤油温度计、酒精温度计、水银温酒精温度计、水银温度计、气体温度计、度计、气体温度计、电阻温度计、温差温电阻温度计、温差温度计、辐射温度计、度计、辐射温度计、光测温度计等等光测温度计等等。第第1010章章 热电式传感器热电式传感器概述概述n温度是表征物体冷暖程度的物理量温度是表征物体冷暖程度的物理量,体现了物体体现了物体内部分子运动状态

3、的特征。内部分子运动状态的特征。n温度是不能直接测量的。只能通过物体随温度变温度是不能直接测量的。只能通过物体随温度变化的某些特征化的某些特征(如体积、长度、电阻等如体积、长度、电阻等)来间接测来间接测量。量。n热电式传感器将温度变化转换为电量热电式传感器将温度变化转换为电量(电阻、电电阻、电势等势等),应用广泛。应用广泛。第第1010章章 热电式传感器热电式传感器n按测温方法不同按测温方法不同,热电式传感器分为热电式传感器分为接触式和非接触式和非接触式接触式两种。两种。n接触式测温是基于接触式测温是基于热平衡原理热平衡原理,如水银温度计、如水银温度计、热敏电阻和热电偶等。热敏电阻和热电偶等。

4、n非接触式测温是基于非接触式测温是基于热辐射原理热辐射原理,如辐射温度计、如辐射温度计、红外测温仪等。红外测温仪等。概述概述第第1010章章 热电式传感器热电式传感器概述概述第第1010章章 热电式传感器热电式传感器第第1010章章 热电式传感器热电式传感器n续上表续上表概述概述第第1010章章 热电式传感器热电式传感器温标温标 温度标尺 建立温标必须具备三个条件：建立温标必须具备三个条件：(1)固定的温度点（基准点）固定的温度点（基准点）(2)测温仪器（确定测温质和测温量测温仪器（确定测温质和测温量）(3)温标方程（内插公式）温标方程（内插公式）(1)经验温标经验温标(2)热力学温标热力学温

5、标(3)国际温标国际温标(4)1990年国际温标年国际温标温度标尺温度标尺第第1010章章 热电式传感器热电式传感器(1)经验温标由由特定的测温质特定的测温质和和测温量测温量所确定的温标所确定的温标n华氏温标华氏温标1714年年德德国国人人华华伦伦海海特特(Fahrenheit)在在沸沸点点和和冰冰点点之之间间等等分分为为180份，每份为华氏份，每份为华氏1度度(10F)。n摄氏温标摄氏温标1742年年瑞瑞典典人人摄摄尔尔塞塞斯斯(Celsius)规规定定水水的的冰冰点点沸沸点点之之间间等等分分为为100份，每份为份，每份为1度度(10C)。经经验验温温标标特特点点：是是借借助助于于一一些些物

6、物质质的的物物理理量量与与温温度度之之间间的的关关系系，用用实实验验方方法法得得到到的的经经验验公公式式来来确确定定温温度度值值的的标标尺尺，因因此此有有局限性局限性和和任意性任意性。第第1010章章 热电式传感器热电式传感器(2)热力学温标n1948年年物物理理学学家家开开尔尔文文(Kelvin)首首先先提提出出将将温温度度数数值值与与理理想想热热机机的的效效率率相相联联系系，根根据据热热力力学学第第二二定定律律来来定定义义温温度度数数值值，建建立立一一个个与与测测温温质质无无关关的的温温标标热热力力学温标。学温标。确确定定的的温温度度数数值值：热热力力学学温温度度，绝绝对对温温度度，用用符

7、符号号T表示，单位：开尔文，用表示，单位：开尔文，用K表示。表示。n热热力力学学温温度度的的起起点点为为绝绝对对零零度度，所所以以它它不不可可能能为为负负值值，且且冰冰点点是是273.15K，沸沸点点是是373.15K。请请注注意意水水的的冰冰点点和三相点是不一样的，两者相差和三相点是不一样的，两者相差0.01K。第第1010章章 热电式传感器热电式传感器(3)国际温标 1927年国际温标(ITS-27)19271927年年第第七七届届国国际际计计量量大大会会决决定定采采用用热热力力学学温温标标做做国际温标。称为国际温标。称为19271927年国际温标年国际温标(ITS-27)(ITS-27)

8、具有具有3 3个基本特点个基本特点：尽可能接近热力学温标尽可能接近热力学温标;复显精度高并能确保量值的统一；复显精度高并能确保量值的统一；用以复现的标准温度计使用方便，性能稳定。用以复现的标准温度计使用方便，性能稳定。国际温标经过几次修改：国际温标经过几次修改：19481948年年国国际际温温标标(ITS(ITS48)48)，19681968年年国国际际实实用用温温标标(IPTS(IPTS68)68)，19901990年国际温标年国际温标(ITS(ITS90)90)第第1010章章 热电式传感器热电式传感器(4)1990年国际温标(ITS90)n根据第根据第18届国际计量大会的决议，届国际计量

9、大会的决议，自自1990年年1月月1日起开始在全世界实行日起开始在全世界实行我国：自我国：自1994年年1月月1日开始全面实施日开始全面实施90国际温标主要有三方面内容国际温标主要有三方面内容：温度单位温度单位 定义固定温度点定义固定温度点 复现固定温度点的方法复现固定温度点的方法 第第1010章章 热电式传感器热电式传感器温度单位符符号号：T，单单位位为为开开尔尔文文(K)，K的的定定义义为为水水的的三相点温度的三相点温度的1/273.16。用用与与冰冰点点273.15K的的差差值值表表示示的的热热力力学学温温度度称称为为摄摄氏氏温温度度，符符号号为为t，单单位位为为度度(0C)，即即t=T

10、-273.15，并有并有10C=1K。摄摄氏氏度度(0C)是是由由国国际际温温标标重重新新定定义义的的，是是以以热热力学温标为基础的。力学温标为基础的。n 90国国际际温温标标定定义义国国际际开开尔尔文文温温度度T90和和国国际际摄摄氏度氏度t90，其间关系如同其间关系如同T和和t一样，即一样，即 t90=T90-273.15第第1010章章 热电式传感器热电式传感器定义固定温度点n90国国际际温温标标的的定定义义固固定定温温度度点点是是利利用用一一系系列列纯纯物物质质各各相相间间可可复复现现的的平平衡衡状状态态或或蒸蒸汽汽压压所所建建立立起来的特征温度点。起来的特征温度点。n这这些些特特征征

11、温温度度点点的的温温度度指指定定值值是是由由国国际际上上公公认认的最佳测量手段测定的。的最佳测量手段测定的。第第1010章章 热电式传感器热电式传感器复现固定温度点的方法n90国国际际温温标标把把温温度度分分为为4个个温温区区，各各个个温温区区的的范范围围、使用的标准测温仪器分别为：使用的标准测温仪器分别为：n0.655.0K间为间为3He或或4He蒸汽压温度计；蒸汽压温度计；n3.024.5561K间为间为3He或或4He定容气体温度计；定容气体温度计；n13.8033K961.780C间为铂电阻温度计；间为铂电阻温度计；n961.780C以上为光学或光电高温计。以上为光学或光电高温计。n在

12、在水水的的冰冰点点以以上上的的温温度度使使用用摄摄氏氏度度单单位位(0C)，在在冰冰点点以下的温度使用热力学温度单位以下的温度使用热力学温度单位(K)。第第1010章章 热电式传感器热电式传感器 热电偶的基本工作原理是热电效应热电偶的基本工作原理是热电效应,即即将将温度变化转换为热电势变化温度变化转换为热电势变化。热电偶传感器。热电偶传感器结构简单结构简单,测温范围宽测温范围宽,热惯性小热惯性小,准确度高准确度高,是是工业上工业上最常用的温度检测器件之一。最常用的温度检测器件之一。10.110.1热电偶热电偶第第1010章章 热电式传感器热电式传感器热电偶传感器第第1010章章 热电式传感器热

13、电式传感器n优点：优点：n1.测量精度高。测量精度高。因热电偶直接与被测物体接触因热电偶直接与被测物体接触,不不受中间介质的影响。受中间介质的影响。n2.测量范围广。测量范围广。常用热电偶从常用热电偶从-501600可可连续测量。连续测量。n3.构造简单构造简单,使用方便使用方便。热电偶通常由两种不同金。热电偶通常由两种不同金属组成属组成,而且不受大小限制而且不受大小限制,外有保护套管外有保护套管,使用使用非常方便。适用于远距离测量和自动控制。非常方便。适用于远距离测量和自动控制。10.110.1热电偶热电偶第第1010章章 热电式传感器热电式传感器10.1.1 10.1.1 热电效应热电效应

14、第第1010章章 热电式传感器热电式传感器第第1010章章 热电式传感器热电式传感器n定义：定义：以两种以两种不同性质的导体或半导体材料不同性质的导体或半导体材料A A、B B串接成一个闭合回路串接成一个闭合回路,如果两导体的两个如果两导体的两个接合点接合点处的温度不同处的温度不同,即即TTTT0 0,则在两导体间产生热电则在两导体间产生热电势势,也称热电动势也称热电动势,常用常用E EABAB(T T,T T0 0)表示表示,同时在回同时在回路中有一定大小的电流路中有一定大小的电流,这种现象称为这种现象称为热电效应热电效应。10.1.1 10.1.1 热电效应热电效应图图10-110-1 热

15、电偶结构示意图热电偶结构示意图第第1010章章 热电式传感器热电式传感器n相关概念相关概念(1(1)热电极热电极:闭合回路中的导体或半导体闭合回路中的导体或半导体A A、B B；(2)(2)热电偶热电偶:闭合回路中的导体或半导体闭合回路中的导体或半导体A A、B B的组合；的组合；(3 3)工作端工作端:两个接点中两个接点中温度高温度高的一端；的一端；(4 4)参比端参比端:两个接点中两个接点中温度低温度低的一端；的一端；(5 5)热电动势热电动势:两导体的两导体的接触电势接触电势和和单一导体单一导体的的温差电温差电势势之和。之和。10.1.1 10.1.1 热电效应热电效应第第1010章章

16、热电式传感器热电式传感器 1.1.接触电势接触电势(1)产生主要原因产生主要原因:不同材料具有不同的自由电子不同材料具有不同的自由电子密度密度;两种不同材料的导体接触时两种不同材料的导体接触时,接触面会发生接触面会发生电子扩散。电子扩散。10.1.1 10.1.1 热电效应热电效应浓度高的失去电子显正电，浓度低的得到电子显负浓度高的失去电子显正电，浓度低的得到电子显负浓度高的失去电子显正电，浓度低的得到电子显负浓度高的失去电子显正电，浓度低的得到电子显负电。当扩散达到动态平衡时，得到一个稳定的接触电。当扩散达到动态平衡时，得到一个稳定的接触电。当扩散达到动态平衡时，得到一个稳定的接触电。当扩散

17、达到动态平衡时，得到一个稳定的接触电势电势电势电势。第第1010章章 热电式传感器热电式传感器 温度温度温度温度T T T T时热端接触电势：时热端接触电势：时热端接触电势：时热端接触电势：冷端接触电势冷端接触电势：、式中：式中：A A、B B 代表不同材料；代表不同材料；T T，T0 T0 为两端温度；为两端温度；波尔兹曼常数；波尔兹曼常数；电子电荷量；电子电荷量；N NA A、N NB B是是A A、B B 材料的电子浓度；材料的电子浓度；(2)定义定义:当扩散达到动态平衡时当扩散达到动态平衡时,在接触区形成一个稳定在接触区形成一个稳定 的电位的电位,称为接触电势。称为接触电势。第第101

18、0章章 热电式传感器热电式传感器v(3)在闭合回路中，总的接触电势为：在闭合回路中，总的接触电势为：若若N NA A N NB B,则则e eABAB(T T)0;)0;若若N NA ANNB B,则则e eABAB(T)0(T)N NB B,则则e eABAB(T T)0;)0;若若N NA ANNB B,则则e eABAB(T)0(T)T0,则eA(T,T0)0,反之亦然。第第1010章章 热电式传感器热电式传感器v A A、B B 两导体构成闭合回路总的温差电势为两导体构成闭合回路总的温差电势为：单一导体的温差电势为：单一导体的温差电势为：第第1010章章 热电式传感器热电式传感器3.3

19、.接触电势和温差电势的性质接触电势和温差电势的性质(10-3)(10-4)(10-5)10.1.1 10.1.1 热电效应热电效应第第1010章章 热电式传感器热电式传感器4.4.回路总电势回路总电势用用e e表示接触电势或温差电势表示接触电势或温差电势,用用E E表示回路总表示回路总电势电势,且假定且假定TTTT0 0,N,NA ANNB B,如图。有如图。有 图图10-210-2 回路总电势示意图回路总电势示意图10.1.1 10.1.1 热电效应热电效应第第1010章章 热电式传感器热电式传感器4.4.回路总电势回路总电势 10.1.1 10.1.1 热电效应热电效应A A、B B分别为

20、导体分别为导体A A、B B的汤姆逊系数的汤姆逊系数;N NATAT/N NBTBT、N NAT0AT0/N NBT0BT0分别为导体分别为导体A/BA/B在接点温度为在接点温度为T T、T T0 0时的电子密度时的电子密度第第1010章章 热电式传感器热电式传感器10.1.1 10.1.1 热电效应热电效应讨论讨论(1):(1):热电偶热电偶材料相同材料相同时时N NA A=N NB B,A A=B B热电偶材料相同热电偶材料相同第第1010章章 热电式传感器热电式传感器10.1.1 10.1.1 热电效应热电效应讨论讨论(2):(2):两接点温度相同时两接点温度相同时两接点温度相同两接点温

21、度相同T T=T T0 0形成热电势形成热电势的两个必要条的两个必要条件是件是:1.:1.两种导体的材料两种导体的材料不同不同;2.;2.两个接点所处的两个接点所处的温度不同。温度不同。第第1010章章 热电式传感器热电式传感器讨论讨论(3):(3):接触电势与温差电势的地位接触电势与温差电势的地位 金属导体内温差电势极小金属导体内温差电势极小,可忽略可忽略,回路中回路中接接触电势起决定作用。触电势起决定作用。工程应用中认为热电势近似等于接触电势。工程应用中认为热电势近似等于接触电势。10.1.1 10.1.1 热电效应热电效应第第1010章章 热电式传感器热电式传感器讨论讨论(3):(3):

22、金属导体的接触电势占主导金属导体的接触电势占主导10.1.1 10.1.1 热电效应热电效应若使冷端温度若使冷端温度T T0 0保持不变保持不变,则热电势是热端温度则热电势是热端温度T T的单值函数的单值函数,这是热电偶的测温基本原理。这是热电偶的测温基本原理。第第1010章章 热电式传感器热电式传感器结论：结论：1.1.热电偶两电极材料相同，热电偶两电极材料相同，热电偶两电极材料相同，热电偶两电极材料相同，NA=NBNA=NBNA=NBNA=NB时，无论两端点时，无论两端点时，无论两端点时，无论两端点温度如何，总热电势为零；温度如何，总热电势为零；温度如何，总热电势为零；温度如何，总热电势为

23、零；2.2.2.2.如果热电偶两接点温度相同，如果热电偶两接点温度相同，如果热电偶两接点温度相同，如果热电偶两接点温度相同，T=T0T=T0T=T0T=T0时，时，时，时，A A A A、B B B B材料材料材料材料不同，回路总电势为零；不同，回路总电势为零；不同，回路总电势为零；不同，回路总电势为零；v必要条件。必要条件。必要条件。必要条件。一、两种不同的金属材料组成热电偶，一、两种不同的金属材料组成热电偶，二、它的两端存在温差二、它的两端存在温差温度传感器（热电偶热电效应）第第1010章章 热电式传感器热电式传感器讨论讨论(4):(4):冷端温度的标定冷端温度的标定 工程实际中工程实际中

24、,标定热电偶时标定热电偶时,冷端温度通常取冷端温度通常取0,0,因此令因此令 e eABAB(T T0 0)=)=f f(T T0 0)=)=f f(0)=(0)=C C（常数）常数）则则 E EABAB(T T，T T0 0)=)=e eABAB(T T)-)-C C=f f(T T)-)-C C E EABAB(T T,T T0 0)是是T T的单值函数。的单值函数。10.1.1 10.1.1 热电效应热电效应第第1010章章 热电式传感器热电式传感器图10-3 热电偶测温系统简图5.5.测温系统简图测温系统简图10.1.1 10.1.1 热电效应热电效应第第1010章章 热电式传感器热电

25、式传感器10.1.2 10.1.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律n实际中实际中,测量出热电势后如何确定温度值？通常测量出热电势后如何确定温度值？通常不是利用公式计算不是利用公式计算,而是查而是查热电偶分度表热电偶分度表来确定。来确定。n热电偶分度表是将冷端温度保持为热电偶分度表是将冷端温度保持为0 0,通过实验通过实验建立起来的热电势与温度之间的数值对应关系。建立起来的热电势与温度之间的数值对应关系。n热电偶测温完全是建立在利用实验热特性和一些热电偶测温完全是建立在利用实验热特性和一些热电定律的基础上。热电定律的基础上。第第1010章章 热电式传感器热电式传感器1.1.中间导体定律中间导体

26、定律2.2.参考电极定律参考电极定律(标准电极定律标准电极定律)3.3.中间温度定律中间温度定律10.1.2 10.1.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律内容：内容：1.1.各定律含义各定律含义2.2.定律使用条件定律使用条件3.3.具体应用意义具体应用意义第第1010章章 热电式传感器热电式传感器图图10-410-4 热电偶中间导体定律示意图热电偶中间导体定律示意图1.1.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在热电偶回路中接入第三种材料的导体(如如传感器的引出导线等传感器的引出导线等)时时,只要其两端温度相等只要其两端温度相等,回路总热电势就不变。回路总热电势就不变。

27、10.1.2 10.1.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律第第1010章章 热电式传感器热电式传感器图图a a：因为因为所以所以 10.1.210.1.2热电偶的基本定律热电偶的基本定律中间导体定律中间导体定律第第1010章章 热电式传感器热电式传感器n图图b b可以得到相同的结论。可以得到相同的结论。n同理同理,只要保证只要保证加入导体的两端温度相等加入导体的两端温度相等,则热则热电偶回路中即使加入第三种、第四种或更多种电偶回路中即使加入第三种、第四种或更多种导体导体,回路总电势也不变。回路总电势也不变。n意义意义:中间导体定律表明了接入仪表测量线的中间导体定律表明了接入仪表测量线的方法。

28、方法。10.1.210.1.2热电偶的基本定律热电偶的基本定律中间导体定律中间导体定律推导一下吧！推导一下吧！第第1010章章 热电式传感器热电式传感器10.1.210.1.2热电偶的基本定律热电偶的基本定律中间导体定律中间导体定律根据中间导根据中间导体定律体定律,用开用开路热电偶对路热电偶对液态金属和液态金属和金属壁面测金属壁面测温。温。第第1010章章 热电式传感器热电式传感器2.2.参考电极定律参考电极定律(标准电极定律标准电极定律)设接点温度为设接点温度为T T、T T0 0,则用导体则用导体A A、B B组成的热组成的热电偶产生的热电势等于由导体电偶产生的热电势等于由导体A A、C

29、C组成的热电偶组成的热电偶和由导体和由导体C C、B B组成的热电偶产生的热电势的代数组成的热电偶产生的热电势的代数和。和。10.1.210.1.2热电偶的基本定律热电偶的基本定律参考电极定律参考电极定律E EABAB(T T,T T0 0)=)=E EACAC(T T,T T0 0)+)+E ECBCB(T T,T T0 0)其中C为参考电极,或称为标准电极,一般由铂制成。第第1010章章 热电式传感器热电式传感器图图10-510-5 热电偶参考电极定律示意图热电偶参考电极定律示意图2.2.参考电极定律参考电极定律(标准电极定律标准电极定律)10.1.210.1.2热电偶的基本定律热电偶的基

30、本定律参考电极定律参考电极定律E EABAB(T T,T T0 0)=)=E EACAC(T T,T T0 0)+)+E ECBCB(T T,T T0 0)其中其中C C为参考电极为参考电极,或称为或称为标准电极标准电极,一般由纯铂制成。一般由纯铂制成。性能稳定性能稳定,熔点熔点高易提纯高易提纯第第1010章章 热电式传感器热电式传感器10.1.210.1.2热电偶的基本定律热电偶的基本定律参考电极定律参考电极定律意义意义:若能由实验测得各种材料若能由实验测得各种材料热电极对铂丝的热电特性热电极对铂丝的热电特性,就不就不难推得任意材料间的热电特性难推得任意材料间的热电特性。证明证明:T T0

31、0T T0 0T T0 0T TT TT TA AA AB BB BC CC C第第1010章章 热电式传感器热电式传感器2.2.参考电极定律参考电极定律(标准电极定律标准电极定律)10.1.210.1.2热电偶的基本定律热电偶的基本定律参考电极定律参考电极定律标准电极定律为热电偶电极的选配提供了方便。标准电极定律为热电偶电极的选配提供了方便。例如例如:铂铑铂铑3030铂热电偶的铂热电偶的E EACAC(1084.5,0)=13.976mV,(1084.5,0)=13.976mV,铂铑铂铑6 6铂热电偶的铂热电偶的E EBCBC(1084.5,0)=8.354mV(1084.5,0)=8.35

32、4mV根据标准电极定律根据标准电极定律,铂铑铂铑30-30-铂铑铂铑6 6热电偶热电偶 E EABAB(1084.5,01084.5,0)=13.976-8.354=5.612mV)=13.976-8.354=5.612mV第第1010章章 热电式传感器热电式传感器3.3.中间温度定律中间温度定律接点温度为接点温度为(T T,T T0 0)时的热电势等于该热电偶时的热电势等于该热电偶在接点温度为在接点温度为(T T,T Tn n)和和(T Tn n,T T0 0)时相应热电势的时相应热电势的代数和。其中代数和。其中,T Tn n称为中间温度。称为中间温度。图图10-610-6 热电偶中间温度定

33、律示意图热电偶中间温度定律示意图10.1.210.1.2热电偶的基本定律热电偶的基本定律中间温度定律中间温度定律E EABAB(T T,T T0 0)=)=E EABAB(T T,T Tn n)+)+E EABAB(T Tn n,T T0 0)第第1010章章 热电式传感器热电式传感器10.1.210.1.2热电偶的基本定律热电偶的基本定律中间温度定律中间温度定律所以所以即得即得当当T T0 0=0=0时时,有有E EABAB(T T,T T0 0)=)=E EABAB(T T,T Tn n)+)+E EABAB(T Tn n,T T0 0)因为因为第第1010章章 热电式传感器热电式传感器中

34、间温度定律为制定热电偶的分度表奠定了中间温度定律为制定热电偶的分度表奠定了理论基础。热电偶分都表都是以冷端温度为理论基础。热电偶分都表都是以冷端温度为00时作出的。时作出的。从分度表从分度表(见于各种传感器使用手册见于各种传感器使用手册)查出参考端为查出参考端为00时的热电势时的热电势,即可求得参考端温即可求得参考端温度不为度不为00时的热电势。时的热电势。同理同理,以导体以导体AA和和BB分别替代导体分别替代导体A A和和B B时时,有有 该式为补偿导线的应用提供了理论依据该式为补偿导线的应用提供了理论依据。10.1.210.1.2热电偶的基本定律热电偶的基本定律中间温度定律中间温度定律第第

35、1010章章 热电式传感器热电式传感器10.1.210.1.2热电偶的基本定律热电偶的基本定律中间温度定律中间温度定律 一般工程测量中冷端都不为零一般工程测量中冷端都不为零(任一恒定值任一恒定值),),因此只要测出热端冷端的热电势因此只要测出热端冷端的热电势,便可利用热电便可利用热电偶分度表求出被测工作端的实际温度。偶分度表求出被测工作端的实际温度。第第1010章章 热电式传感器热电式传感器例例10-110-1 用镍铬用镍铬-镍硅热电偶测量热处理炉的炉镍硅热电偶测量热处理炉的炉温。冷端温度温。冷端温度T T0 0=30,=30,此时测得热电势此时测得热电势E(E(T T,T T0 0)39.1

36、7mV,39.17mV,则实际炉温是多少？则实际炉温是多少？第第1010章章 热电式传感器热电式传感器解解:由由T T0 0=30=30查表查表10-110-1所示的热电偶分度表得所示的热电偶分度表得E E(30,0)(30,0)1.2mV1.2mV则则 E E(T T,0),0)E E(T T,30),30)E E(30,0)(30,0)39.17mV39.17mV1.2 mV1.2 mV40.37mV40.37mV再由再由40.3740.37mVmV查查分度表分度表得得,实际炉温为实际炉温为T T977977例例10-110-1 用镍铬用镍铬-镍硅热电偶测量热处理炉的炉镍硅热电偶测量热处理

37、炉的炉温。冷端温度温。冷端温度T T0 0=30,=30,此时测得热电势此时测得热电势E(E(T T,T T0 0)39.17mV,39.17mV,则实际炉温是多少？则实际炉温是多少？第第1010章章 热电式传感器热电式传感器例例10-110-1 用镍铬用镍铬-镍硅热电偶测量热处理炉的炉镍硅热电偶测量热处理炉的炉温。冷端温度温。冷端温度T T0 0=30,=30,此时测得热电势此时测得热电势E(E(T T,T T0 0)39.17mV,39.17mV,则实际炉温是多少？则实际炉温是多少？第第1010章章 热电式传感器热电式传感器理论上讲理论上讲,任何两种不同材料的导体或半导任何两种不同材料的导

38、体或半导体都可以组成热电偶体都可以组成热电偶,但为了测量可靠但为了测量可靠,对热电偶对热电偶的材料有几点基本要求的材料有几点基本要求:在测温范围内在测温范围内,热电性质热电性质稳定稳定,物理化学性质物理化学性质稳定稳定,不易氧化、腐蚀；不易氧化、腐蚀；电阻电阻温度系数小温度系数小,导电率高导电率高,比热小；比热小；10.1.3 10.1.3 常用热电偶常用热电偶第第1010章章 热电式传感器热电式传感器 测温时测温时,产生的热电势大产生的热电势大,且热电势与温度之且热电势与温度之间呈间呈线性线性或接近线性的单值函数关系；或接近线性的单值函数关系；材料复制性好材料复制性好,机械强度高机械强度高,

39、制造工艺简单制造工艺简单,价价格便宜。格便宜。10.1.3 10.1.3 常用热电偶常用热电偶第第1010章章 热电式传感器热电式传感器 1.1.常用类型：常用类型：(1)(1)铂铑铂铑铂热电偶铂热电偶(K),(K),特点特点:精度高精度高,1300,1300(2)(2)镍铬镍铬镍硅热电偶镍硅热电偶(K),(K),特点特点:线性好线性好,-50,-5013001300,价格低价格低,最常用。最常用。(3)(3)镍铬镍铬考铜热电偶考铜热电偶(E),(E),特点特点:灵敏度高灵敏度高,常温测常温测量量,-50,-50500500,价格低价格低(4)(4)钨铼钨铼1010钨铼钨铼2020热电偶热电偶

40、,特点特点:精度高精度高,测高温、测高温、20002000,成本高成本高10.1.3 10.1.3 常用热电偶常用热电偶第第1010章章 热电式传感器热电式传感器2.2.热电偶的结构形式热电偶的结构形式 为了适应不同的测温要求和条件，热电偶结为了适应不同的测温要求和条件，热电偶结构形式有普通型热电偶、铠装热电偶和薄膜热构形式有普通型热电偶、铠装热电偶和薄膜热电偶等。电偶等。(1(1)普通型热电偶普通型热电偶普通型热电偶在工业上应用最多普通型热电偶在工业上应用最多,由热电极、由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成。绝缘套管、保护管和接线盒组成。10.1.3 10.1.3 常用热电偶常用热电偶第第

41、1010章章 热电式传感器热电式传感器图图10-710-7 普通型热电偶结构普通型热电偶结构10.1.3 10.1.3 常用热电偶常用热电偶第第1010章章 热电式传感器热电式传感器(2)(2)铠装热电偶铠装热电偶第第1010章章 热电式传感器热电式传感器第第1010章章 热电式传感器热电式传感器第第1010章章 热电式传感器热电式传感器 3.3.热电势的测量热电势的测量 热电势在热电势在mv范围范围,通常用动圈式仪表、通常用动圈式仪表、电位差计、示波器和数字式测量仪表等测量。电位差计、示波器和数字式测量仪表等测量。动圈式仪表实际上是一个磁电式毫伏计动圈式仪表实际上是一个磁电式毫伏计,它是它是

42、利用电流流过仪表动圈时利用电流流过仪表动圈时,动圈在磁场的动圈在磁场的作用下带动指针偏转的原理制成作用下带动指针偏转的原理制成的。精度不的。精度不高。高。10.1.3 10.1.3 常用热电偶常用热电偶第第1010章章 热电式传感器热电式传感器n仪表指示电压为仪表指示电压为10.1.3 10.1.3 常用热电偶常用热电偶 3.3.热电势的测量热电势的测量第第1010章章 热电式传感器热电式传感器10.1.3 10.1.3 常用热电偶常用热电偶 3.3.热电势的测量热电势的测量补偿法测量补偿法测量n测量回路中的电流测量回路中的电流为为0,避免了回路电避免了回路电阻的影响阻的影响,提高了提高了测量

43、精度。测量精度。补偿法测量电动势需要一个数值可以调节补偿法测量电动势需要一个数值可以调节,大小大小已知的标准电源已知的标准电源,以便能与被测电动势相补偿。以便能与被测电动势相补偿。第第1010章章 热电式传感器热电式传感器第第1010章章 热电式传感器热电式传感器1.1.补偿原因补偿原因(1)(1)只有当热电偶冷端温度保持不变时只有当热电偶冷端温度保持不变时,热电势热电势才是被测温度的单值函数；才是被测温度的单值函数；(2)(2)测温时由于冷端暴露在空气中测温时由于冷端暴露在空气中,往往和工作往往和工作端又比较接近端又比较接近,故冷端温度易波动；故冷端温度易波动；(3)(3)而且热电偶分度表是

44、以零度为参考温度的，而且热电偶分度表是以零度为参考温度的，因此因此,实际应用中必须进行冷端温度补偿。实际应用中必须进行冷端温度补偿。10.1.4 10.1.4 热电偶的冷端补偿热电偶的冷端补偿第第1010章章 热电式传感器热电式传感器 2.2.补偿方法补偿方法(1)(1)0 0恒温法；恒温法；(冰浴法冰浴法)(2)(2)修正法；修正法；(3)(3)补偿导线法；补偿导线法；(4)(4)补偿电桥法。补偿电桥法。10.1.4 10.1.4 热电偶的冷端补偿热电偶的冷端补偿第第1010章章 热电式传感器热电式传感器(1)(1)冰浴法冰浴法冷端用冰水混合物或冷端用冰水混合物或00恒温器保持在恒温器保持在

45、00。这种方法这种方法可避免校正的麻烦可避免校正的麻烦,但使用不便但使用不便,多在实多在实验室中使用。验室中使用。10.1.4 10.1.4 热电偶的冷端补偿热电偶的冷端补偿第第1010章章 热电式传感器热电式传感器适用于实验室中的精确测量和检定热电偶时使用。适用于实验室中的精确测量和检定热电偶时使用。第第1010章章 热电式传感器热电式传感器第第1010章章 热电式传感器热电式传感器(2(2)冷端温度计算校正法冷端温度计算校正法热电势修正法热电势修正法:冷端温度不为零时冷端温度不为零时,运用运用热电热电偶分度表偶分度表修正修正,修正方法如前例所述。修正方法如前例所述。温度修正法温度修正法:设

46、设T T 为仪表指示温度为仪表指示温度,T T0 0为冷为冷端温度端温度,则被测实际温度则被测实际温度T T为为T TT TkTkT0 0 式中,k为热电偶修正系数,与热电偶的种类和测温范围相关，有表可查。10.1.4 10.1.4 热电偶的冷端补偿热电偶的冷端补偿第第1010章章 热电式传感器热电式传感器用镍铬用镍铬-镍硅镍硅(K K型型)热电偶测温，热电偶参比热电偶测温，热电偶参比端温度为端温度为3030。测得的热电势为。测得的热电势为2828mVmV，求热端求热端温度。温度。反查K分度表 T=701.5计算修正曲线 第第1010章章 热电式传感器热电式传感器解解:当当E E(T T,T

47、T0 0)=39.17 mV)=39.17 mV时时,查热电偶查热电偶分度表分度表可可得得指示温度指示温度T T946946,冷端温度冷端温度T T0 03030例例10-2 10-2 用冷端温度计算校正法求解例用冷端温度计算校正法求解例10-110-1。表表10-210-2所示的热电偶修正系数得所示的热电偶修正系数得k k1.00,1.00,则实际炉温为则实际炉温为T TT TkTkT0 09469461.001.003030 976976 和热电势修正法所得炉温相差和热电势修正法所得炉温相差11。第第1010章章 热电式传感器热电式传感器 2.2.补偿方法补偿方法(3)(3)导线补偿法导线

48、补偿法目的是目的是使冷端远离工作端使冷端远离工作端,和测量仪表一起和测量仪表一起放到恒温或温度波动小的地方。放到恒温或温度波动小的地方。10.1.4 10.1.4 热电偶的冷端补偿热电偶的冷端补偿第第1010章章 热电式传感器热电式传感器 2.2.补偿方法补偿方法(3)(3)导线补偿法导线补偿法最简单的实现方法是直接延长热电偶的长最简单的实现方法是直接延长热电偶的长度度,但安装不便，费用高，实际应用不采用但安装不便，费用高，实际应用不采用,而而是采用是采用合适的补偿导线合适的补偿导线。要求要求补偿导线补偿导线在在0 0100100范围内和所连接范围内和所连接的热电偶有相同的热电性能的热电偶有相

49、同的热电性能且补偿导线的材料且补偿导线的材料是廉价金属。是廉价金属。10.1.4 10.1.4 热电偶的冷端补偿热电偶的冷端补偿第第1010章章 热电式传感器热电式传感器 2.2.补偿方法补偿方法(3)(3)导线补偿法导线补偿法 冷端需有自动补偿装置；冷端需有自动补偿装置；连接处的温度应低于连接处的温度应低于100100；补偿导线的材质与热电偶有关。补偿导线的材质与热电偶有关。如如:铂铑铂铑-铂热电偶用铜铂热电偶用铜-镍铜作为补偿导线；镍铜作为补偿导线；镍铬镍铬-镍硅热电偶用铜镍硅热电偶用铜-康铜作为补偿导线。康铜作为补偿导线。10.1.4 10.1.4 热电偶的冷端补偿热电偶的冷端补偿注意：

50、注意：第第1010章章 热电式传感器热电式传感器第第1010章章 热电式传感器热电式传感器(4)(4)补偿电桥补偿电桥10.1.4 10.1.4 热电偶的冷端补偿热电偶的冷端补偿图图10-1010-10 补偿电桥补偿电桥补偿电桥与冷端处于补偿电桥与冷端处于相同的温度场相同的温度场,当冷端温当冷端温度变化引起热电势变化时度变化引起热电势变化时,补偿电阻将调整电桥的输补偿电阻将调整电桥的输出电压出电压U Uabab以补偿热电势以补偿热电势e ex x的变化。的变化。补偿的效果取决于桥补偿的效果取决于桥臂电阻和桥路电流的选择。臂电阻和桥路电流的选择。第第1010章章 热电式传感器热电式传感器1.1.