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1、2022-8-141第九章第九章 热电偶传感器热电偶传感器 本章学习的主要内容有本章学习的主要内容有:1、了解、了解温度测量温度测量的的基本概念基本概念和方法；和方法；2、了解、了解热电偶热电偶的工作原理，了解热电的工作原理，了解热电偶的偶的分类及特点分类及特点；3、掌握掌握控温仪表的控温仪表的接线方法接线方法。 2022-8-142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、温度测量温度测量的基本概念的基本概念 温度标志着物温度标志着物质内部大量分子无质内部大量分子无规则运动的剧烈程规则运动的剧烈程度。温度越高，表度。温度越高，表示物体内部分子热示物体内部分子热运动越剧烈。运动
2、越剧烈。 模拟图：模拟图：在一个密闭的空间里，气体分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！子在高温时的运动速度比低温时快！低温低温高温高温2022-8-143二、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。它规定了温度的读数的起点（即零点）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以及温度的单位。各类温度计的刻度均由温标确定。由温标确定。 2 2、国际上规定的温标有：摄氏温标、国际上规定的温标有：摄氏温标、华氏温标、热力学温标等。华氏温标、热力学温标等。 2022-8-144几种温标的对比几种温标的对比 正常体温正常
3、体温为为37 C C ，相当于华相当于华氏温度多氏温度多少度？少度？2022-8-145热力学温标（热力学温标（K K） 热力学温标是建热力学温标是建立在热力学第二定律立在热力学第二定律基础上的最科学的温基础上的最科学的温标，是由开尔文标，是由开尔文（Kelvin）根据热力）根据热力学定律提出来的，因学定律提出来的，因此又称开氏温标。它此又称开氏温标。它的符号是的符号是T，单位是，单位是开尔文（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2022-8-1461990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
4、1990年国际温标，简称年国际温标，简称ITS-90。它定。它定义了一系列温度的固定点，测量和重现这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，例如些固定点的标准仪器以及计算公式，例如水的三相点为水的三相点为273.16K（0.01 C）等。）等。 2022-8-147三、温度测量及传感器分类三、温度测量及传感器分类 温度传感器按照温度传感器按照用途用途可分为基准温度计和可分为基准温度计和工业温度计；按照测量方法又可分为工业温度计；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、电阻电阻式式、热电式热电式、辐射式
5、辐射式等等；按输出方式分，有等等；按输出方式分，有自发电型、非电测型等。自发电型、非电测型等。 2022-8-148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）装满热水后图案装满热水后图案变得清晰可辨变得清晰可辨2022-8-149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散散热风扇热风扇低温时显示低温时显示蓝色蓝色温度升高后变为红色温度升高后变为红色2022-8-1410体积体积热膨胀式热膨胀式 不需要电源，耐用；但不需要电源，耐用；但感温部件体积较大。感温部件体积较大。 气体的体积与气体的体积与热力学温度成正比热力学温度
6、成正比2022-8-1411红外温度计红外温度计2022-8-1412热电偶测温的主要优点热电偶测温的主要优点 1、它属于、它属于自发电型自发电型传感器：测量时可以传感器：测量时可以不需外加电源，可直接驱动动圈式仪表；不需外加电源，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，上限可达可达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国际计量委员会员会的标准。的标准。2022-8-1413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：当两个结点温度不相同时，回路中将产
7、生电动势。结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。 热电极热电极A A右端称为：右端称为：自由端自由端（参考（参考端、端、冷冷端端） 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（工作端、端、热热端端） 热电极热电极B B热电势热电势AB2022-8-1414通过以上演示得出结论通过以上演示得出结论有关热电偶热电势的讨论有关热电偶热电势的讨论 热电偶两结点所产生的总的热电偶两结点所产生的总的热电势热电势等于热端热电势等于热端热电势与冷端热电势与冷端热电势之差之差，是两个结点的，是两个结点的温差温差tt 的函数的函数： EAB（T，T0）=eA
8、B （ T T ）- - eAB （ T T0 ）热电势大致与热电势大致与两个结点的两个结点的温差温差tt 成正比成正比2022-8-1415从实验到理论：从实验到理论：热电效应热电效应 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用两种不同金属组成同金属组成闭合回路闭合回路，并用酒精灯加热其中，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在回路中一个接触点（称为结点），发现放在回路中的的指针发生偏转指针发生偏转（说明什么？）（说明什么？），如果用两，如果用两盏酒精灯对两个结点盏酒精灯对两个结点同时加热，指针的偏转同时加热，指针的偏转角反而减小角反而减小（又说明什么？）（又
9、说明什么？） 。 显然，指针的偏转说明回路中有电动显然，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。与两个结点的温差有关。 2022-8-1416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，在两金属自由电子的密度不同，在两金属A和和B的接触点处会的接触点处会发生自由电子的发生自由电子的扩散现象扩散现象。自由电子将从密度大的金。自由电子将从密度大的金属属A扩散到密度小的金属扩散到密度小的金属B
10、，使，使A失去电子带正电失去电子带正电，B得到电子带负电得到电子带负电，从而产生，从而产生热电势热电势。 自由自由电子电子ABeAB（ T T ）T T2022-8-1417第三节第三节 热电偶的种类及结构热电偶的种类及结构 八种八种国际通用热电偶：国际通用热电偶： B:B:铂铑铂铑3030铂铑铂铑6 6 、R:R:铂铑铂铑1313铂铂 、S:S:铂铑铂铑1010铂铂 、 K:K:镍铬镍铬镍硅镍硅 、N:N:镍铬硅镍铬硅镍硅镍硅 、 E:E:镍铬镍铬铜镍铜镍、 J:J:铁铁铜镍铜镍 、 T:T:铜铜铜镍铜镍 用于制造用于制造铂铂热电偶热电偶的各种的各种铂铂热电偶丝热电偶丝几种常用热电偶的测温范
11、围及热电势几种常用热电偶的测温范围及热电势 分度号分度号 名称名称 测量温度范围测量温度范围 1000 C热电势热电势/ mVB铂铑铂铑3030铂铑铂铑6 6501820 C C4.8344.834R铂铑铂铑1313铂铂-501768 C C10.50610.506S铂铑铂铑1010铂铂-501768 C C9.5879.587K镍铬镍铬镍铬镍铬 (铝铝) -2701370 C C41.27641.276E镍铬铜镍镍铬铜镍 (康康 铜铜)270800 C C?5种热电偶的测温范围与热电势各有什么特点？种热电偶的测温范围与热电势各有什么特点？2022-8-1419几种常用热电偶的热电势与温度的几
12、种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线分析关系曲线分析 哪几种热哪几种热电偶的测温上电偶的测温上限较高？限较高？ 结论：结论： 哪几种热电哪几种热电偶的线性较差？偶的线性较差？ 哪一种热电哪一种热电偶的灵敏度较高？偶的灵敏度较高？ 哪一种热电哪一种热电偶的灵敏度较低？偶的灵敏度较低？为什么所有的曲线均过原点（零度点）？为什么所有的曲线均过原点（零度点）？热电偶的分度表热电偶的分度表 热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法 我国从我国从1991年开始采用国际计量委员会规年开始采用国际计量委员会规定的定的“1990年国际温标年国际温标”（简称（简称ITS-90）
13、的新）的新标准。按此标准，制定了相应的分度表，并且标准。按此标准，制定了相应的分度表，并且有相应的线性化集成电路与之对应。有相应的线性化集成电路与之对应。 直接从热电偶的分度表查温度与热电直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是：势的关系时的约束条件是：自由端（冷端）自由端（冷端）温度必须为温度必须为0 0 C C。 本教材本教材p317p317的的附录附录E列出了列出了工业中常工业中常用的用的镍铬镍铬-镍硅（镍硅（K）热电偶）热电偶的分度表。的分度表。如何利用热电偶的分度表如何利用热电偶的分度表 假设热电偶的冷端温度假设热电偶的冷端温度为为0 0 C C，请根据本教材请根据本教
14、材p317p317的的附录附录E工业中常用的工业中常用的镍镍铬铬-镍硅（镍硅（K）热电偶的热电偶的分度分度表表，查出，查出100100 C 、0 0 C、 100100 C 时的热电势。时的热电势。数字式温度表数字式温度表温度上限温度上限设定值设定值温度上限值温度上限值设定键设定键K热电偶热电偶的分度表的分度表 比较比较查出的查出的3 3个个热电势，热电势，可以看出可以看出热电势是热电势是否否线性？线性？2022-8-1423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 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示值值及及K热电偶的热
15、电偶的分度表，分度表，查出查出热端的温度热端的温度tx 。2022-8-1424普通装配型普通装配型热电偶热电偶的外形的外形安装安装螺纹螺纹安装安装法兰法兰2022-8-1425普通普通装配型装配型热电偶的热电偶的结构结构放大图放大图 接线盒接线盒引出线套管引出线套管 固定螺纹固定螺纹 （出厂时用塑料包裹）（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）热电偶工作端（热端） 不锈钢不锈钢保护管保护管 2022-8-1426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铠装型
16、热电偶横截面横截面2022-8-1427铠装型热电偶铠装型热电偶 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。线盒即成为柔软、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内部的热电偶丝与外界空气隔绝，有着良好的抗高温
17、氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗绝，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，机械外力冲击的特性。铠装热电偶可以制作得很细，能解决能解决微小、狭窄场合微小、狭窄场合的测温问题，且具有抗震、的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。可弯曲、超长等优点。 2022-8-1428隔爆隔爆型热电偶外形型热电偶外形厚壁保护管厚壁保护管压铸的接线盒压铸的接线盒电缆线电缆线2022-8-1429隔爆隔爆型热电偶型热电偶 结构特点结构特点：隔爆热电偶的接线盒在设计时采用防：隔爆热电偶的接线盒在设计时采用防爆的特殊结构，它的接线盒是经过爆的特殊结构，它的接线盒是经过压铸
18、压铸而成的，有一而成的，有一定的厚度、隔爆空间，定的厚度、隔爆空间，机构强度机构强度较高；采用螺纹隔爆较高；采用螺纹隔爆接合面，并采用密封圈进行密封，因此，当接线盒内接合面，并采用密封圈进行密封，因此，当接线盒内一旦放弧时，不会与外界环境的危险气体传爆，能达一旦放弧时，不会与外界环境的危险气体传爆，能达到预期的防爆、隔爆效果。到预期的防爆、隔爆效果。 使用场合：使用场合：工业用的隔爆型热电偶多用于工业用的隔爆型热电偶多用于化学工化学工业业自控系统中（由于在化工生产厂、生产现场常伴有自控系统中（由于在化工生产厂、生产现场常伴有各种易燃、易爆等化学气体或蒸汽，如果用普通热电各种易燃、易爆等化学气体
19、或蒸汽，如果用普通热电偶则非常不安全、很容易引起环境气体爆炸）。偶则非常不安全、很容易引起环境气体爆炸）。2022-8-1430其他其他热电偶外形热电偶外形小形小形K K型热电偶型热电偶2022-8-1431如何如何根据常用电路设备的要求接线根据常用电路设备的要求接线利用利用XMTXMT仪表组成仪表组成热电偶热电偶测温、测温、 控温控温电路电路（p152,p152,作业：作业：5 5）热电偶热电偶2022-8-1432 请将请将右图各有右图各有关设备关设备正正确地连接确地连接起来，组起来，组成热电偶成热电偶测温、控测温、控温电路。温电路。黄黄绿绿红红L L1 L L2 L L3 接大地铜排接大地铜排接零接零热电偶输出端热电偶输出端电炉电炉交流接交流接触器触器三相三相 空气开关空气开关2022-8-1433380V380V线圈线圈的交流接的交流接触器连接触器连接过程过程 当温当温度控制器度控制器测得的温测得的温度达到度达到设设定值时定值时，5-6两端两端开开路路，交流，交流接触器接触器失失电电，电炉，电炉回路被切回路被切断断。接大地铜排接大地铜排黄黄绿绿红红L L1 L L2 L L3 电炉电炉接零接零“3”端接何处端接何处热电偶热电偶再看一次再看一次2022-8-1434作业作业p151p151：3 3、4 4、5 52022-8-1435休休 息息 一一 下下