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1、第第7章章 热电式传感器热电式传感器第1页，共34页，编辑于2022年，星期一7.1 热电偶热电偶 本节主要内容本节主要内容n7.1.1 热电效应 (重点)n7.1.2 热电偶基本定律 (重点)n7.1.3 常用的热电偶及结构n7.1.4 热电偶冷端温度补偿 (难点)第2页，共34页，编辑于2022年，星期一7.1.1 热电效应热电效应热电效应：把两种不同的导体或半导体材料A、B连接成闭合回路，将它们的两个接点分别置于温度为T及T0(设TT0)的热源中，则在该回路内就会产生热电动势(简称热电势)，可用EAB(T，T0)表示，这种现象称做热电效应。热电偶：把两种不同导体或半导体的这种组合称为热电
2、偶。热电极：A和B。热端（工作端）：温度高的接点。冷端（自由端）：温度低的接点。图图7-1 热电效应原理图热电效应原理图第3页，共34页，编辑于2022年，星期一7.1.1 热电效应热电效应 热电偶回路中所产生的热电势由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势所组成。n1、接触电势、接触电势n2、温差电势、温差电势 图图7-2 接触电势接触电势图图7-3 温差电势温差电势第4页，共34页，编辑于2022年，星期一7.1.1 热电效应热电效应n3、热电偶回路热电势、热电偶回路热电势 对于由导体A、B组成的热电偶闭合回路，当温度T T0，nAnB时，闭合回路总的热电势EAB(T，T0)为结论：如果热
3、电偶两电极材料相同，即nA=nB，虽然两端温度不同，但闭合回路的总热电势仍为零，因此热电偶必须用两种不同材料作为热电极；如果热电偶两电极材料不同，而热电偶两端的温度相同，即T=T0，闭合回路中也不产生热电势。第5页，共34页，编辑于2022年，星期一7.1.1 热电效应热电效应结论：当热电偶回路的一个端点保持温度不变，则热电势 EAB(T，T0)只随另一个端点的温度变化而变化。两个端点温差越大，回路总热电势EAB(T，T0)也就越大，这样回路总热电势就可以看成温度T的单值函数。温差电势很小第6页，共34页，编辑于2022年，星期一7.1.2 热电偶基本定律热电偶基本定律n1、中间导体定律、中间
4、导体定律 在图7-5热电偶中，回路总电势为 设三个接点温度相等均为T0，则有图图7-5 中间导体定律中间导体定律第7页，共34页，编辑于2022年，星期一7.1.2 热电偶基本定律热电偶基本定律应用应用：热电偶之后接入测量仪表和放大电路时，不会影响热电热电偶之后接入测量仪表和放大电路时，不会影响热电偶的热电势输出，造成测量误差。偶的热电势输出，造成测量误差。第8页，共34页，编辑于2022年，星期一7.1.2 热电偶基本定律热电偶基本定律n2、标准电极定律、标准电极定律 当接点温度为T、T0时，用导体A、B组成热电偶产生的热电势等于A、C热电偶和C、B热电偶热电势的代数和，即 这一规律称为标准
5、电极定律。导体C称为标准电极。图图7-6 三种导体分别组成的热电偶三种导体分别组成的热电偶第9页，共34页，编辑于2022年，星期一7.1.2 热电偶基本定律热电偶基本定律应用：电极选配。第10页，共34页，编辑于2022年，星期一7.1.2 热电偶基本定律热电偶基本定律n3、连接导体定律、连接导体定律 在热电偶回路中，若导体A、B分别与连接导线A、B相接，接点温度分别为T、Tn、T0，回路的总热电势为图图7-7 热电偶连接导线示意图热电偶连接导线示意图第11页，共34页，编辑于2022年，星期一7.1.2 热电偶基本定律热电偶基本定律应用：热电偶冷端温度误差补偿。第12页，共34页，编辑于2
6、022年，星期一7.1.2 热电偶基本定律热电偶基本定律n4、中间温度定律、中间温度定律 应用：制定热电势分度表。上式为中间温度定律的数学表达式，即回路总热电势等于EAB(T，Tn)与EAB(Tn，T0)的代数和。只要求得参考端温度0 时的热电势与温度关系，就可根据上式求出参考温度不等于0 时的热电势。A与A、B与B材料分别相同时第13页，共34页，编辑于2022年，星期一7.1.2 热电偶基本定律热电偶基本定律温温 度度 0102030405060708090热热 电电 动动 势势 mV00.0000.0550.1130.1730.2350.2990.3650.4320.5020.57310
7、00.6450.7190.7950.8720.9501.0291.1091.1901.2731.3562001.4401.5251.6111.6981.7851.8731.9622.0512.1412.2323002.3232.4142.5062.5992.6922.7862.8802.9743.0693.1644003.2603.3563.4523.5493.6453.7433.8403.9384.0364.1355004.2344.3334.4324.5324.6324.7324.8324.9335.0345.1366005.2375.3395.4425.5445.6485.7515.85
8、55.9606.0656.1697006.2746.3806.4866.5926.6996.8056.9137.0207.1287.236表表7-1 铂铑铂铑-铂（铂（S型）热电偶分度表型）热电偶分度表 第14页，共34页，编辑于2022年，星期一7.1.3 常用热电偶及结构常用热电偶及结构n1、热电偶电极材料的要求、热电偶电极材料的要求在测温范围内，热电性质稳定，不随时间而变化，有足够的物理化学稳定性，不易氧化或腐蚀；电阻温度系数小，导电率高，比热小；测温中产生热电势要大，并且热电势与温度之间呈线性或接近线性的单值函数关系；材料复制性好，机械强度高，制造工艺简单，价格便宜。第15页，共34页
9、，编辑于2022年，星期一7.1.3 常用热电偶及结构常用热电偶及结构n2、常用热电偶、常用热电偶(1)铂铑铂热电偶 1)由0.5 mm的纯铂丝和相同直径的铂铑丝(铂90%，铑10%)制 成，其分度号为S。2)在S型热电偶中铂铑丝为正极，铂丝为负极。3)1300 以下范围内可长期使用，在良好的使用环境下可短期测量1 600 高温。4)S型热电偶的复制精度和测量准确性较高，可用于精密温度测量和作标准热电偶，在氧化性或中性介质中具有较高的物理化学稳定性。5)热电势较小。6)在高温时易受还原性气体发出的蒸气和金属蒸气的侵害而变质；铂铑丝中铑分子在长期使用后受高温作用产生挥发现象，使铂丝受到污染而变质
10、，从而引起热电偶特性变化，失去测量的准确性。7)S型热电偶的材料系贵重金属，成本较高。第16页，共34页，编辑于2022年，星期一7.1.3 常用热电偶及结构常用热电偶及结构(2)镍铬镍硅热电偶 1)镍铬为正极，镍硅为负极。2)热偶丝直径为1.22.5 mm，分度号为K。3)化学稳定性较高，可在氧化性或中性介质中长时间地测量900 以下的温度，短期可测1 200。4)复制性好，产生热电势大，线性好，价格便宜。5)在还原性介质中易受腐蚀，只能测500 以下的温度，测量精度偏低。6)完全能满足工业测温要求，是工业生产中最常用的一种热电偶。第17页，共34页，编辑于2022年，星期一7.1.3 常用
11、热电偶及结构常用热电偶及结构(3)镍铬考铜热电偶 1)镍铬为正极，考铜（镍、锰、铜合金）为负极。2)热偶丝直径为1.22 mm，分度号为E。3)E型热电偶适用于还原性和中性介质，长期使用温度不超过600，短期测温可达800。4)该热电偶灵敏度高，价格便宜。5)测温范围窄而低。6)考铜合金丝易受氧化而变质。7)由于材质坚硬而不易得到均匀线径。第18页，共34页，编辑于2022年，星期一7.1.3 常用热电偶及结构常用热电偶及结构(4)铂铑30铂铑6热电偶 1)铂铑30丝(铂70%，铑30%)为正极，铂铑6(铂94%，铑6%)为负极，分度号为B。2)可长期测1 600 高温，短期可测1 800。3
12、)B型热电偶性能稳定，精度高，适用于氧化性或中性介质的使用。4)其输出热电势小，价格高。5)B型热电偶由于在低温时热电势极小，因此冷端在40 以下范围内对热电势值可不必修正。第19页，共34页，编辑于2022年，星期一7.1.3 常用热电偶及结构常用热电偶及结构(5)铜康铜热电偶 1)测量范围为-200+200，其分度号为T。2)由于康铜电极热电特性复制性差，所以做出的各种铜康铜热电偶的热电势也不一致。3)铜康铜热电偶的热电势与温度的关系可以近似地由下式决定 式中 Et热电势(冷端为0 时)；a、b常数，用其测负温时a-39.5，b-0.05。4)铜康铜热电偶在低温下有较好的稳定性，所以在低温
13、技术应用较多。第20页，共34页，编辑于2022年，星期一7.1.3 常用热电偶及结构常用热电偶及结构名称名称型号型号分度分度号号测温范围（测温范围（）允许偏差允许偏差长期长期短期短期温度温度（）偏差偏差温度温度（）偏差偏差铂铑铂铑铂铑铂铑WRLLB B0 0160016000 01800180010001000150015000.5%0.5%150015007.5%7.5%铂铑铂铑铂铂WRLBS S0 0130013000 0160016000 06006002.4%2.4%6006000.4%0.4%镍镉镍镉镍硅镍硅WREUK K0 0100010000 0130013000 030030
14、04%4%4004001%1%镍镉镍镉考铜考铜WREAE E0 06006000 08008000 03003004%4%3003001%1%表表7-2 常用热电偶型号、测量范围即允许偏差常用热电偶型号、测量范围即允许偏差第21页，共34页，编辑于2022年，星期一7.1.3 常用热电偶及结构常用热电偶及结构n3、热电偶的结构、热电偶的结构 热电极 绝缘套管 保护套管 接线盒图图7-8 热电偶的结构热电偶的结构第22页，共34页，编辑于2022年，星期一7.1.3 常用热电偶及结构常用热电偶及结构(1)热电极 热电极多采用直径为0.350.65 mm的细导线;热电极的长度通常为3502 000
15、 mm，最长可达3 500 mm。(2)绝缘套管 用来防止热电偶的两个电极之间短路。(3)保护管 为了使热电偶能够有较长的使用寿命和保证测量的准确度，需要有适当的保护装置，这样可以防止热电极直接和被测介质接触，避免各种有害气体和物质的侵蚀，同时还可以避免火焰和气流的直接冲击作用。(4)接线盒 热电偶接线盒供热电偶和测量仪表之间连接使用，多采用铝合金制成，为防止灰尘及有害气体进入内部，接线盒出线孔和接线盒都具有密闭用的垫片和垫圈。第23页，共34页，编辑于2022年，星期一7.1.3 常用热电偶及结构常用热电偶及结构第24页，共34页，编辑于2022年，星期一7.1.4 热电偶冷端温度补偿热电偶
16、冷端温度补偿n1、补偿导线法、补偿导线法 用一导线(称之为补偿导线)将热电偶的冷端延伸出来，如图7-9所示。图中A、B为补偿导线；t0为原冷端温度；t0为新冷端温度。这种补偿导线要求在0100 范围内和所连接的热电偶应具有相同的热电性能，而其材料又是廉价金属。铂铑铂热电偶，补偿导线用铜镍铜；镍铬镍硅热电偶，补偿导线用铜康铜；对于镍铬考铜、铜康铜等用廉价金属制成的热电偶，则可用其本身的材料做补偿导线将冷端延伸到温度恒定的地方。只有当新移的冷端温度恒定或配用仪表本身具有冷端温度自动补偿装置时，应用补偿导线才有意义。图图7-9 补偿导线在回路中连接补偿导线在回路中连接第25页，共34页，编辑于202
17、2年，星期一7.1.4 热电偶冷端温度补偿热电偶冷端温度补偿n2、冷端温度计算校正法、冷端温度计算校正法 由于热电偶的分度表是在冷端温度保持0 的情况下得到，与它配套使用的仪表又是根据分度表进行刻度的，因此，尽管已采用了补偿导线使热电偶冷端延伸到温度恒定的地方，但只要冷端温度不等于0，就必须对仪表示值加以修正。例：K型热电偶在工作时冷端温度t0=30，测得热电势 EK(t，t0)=39.17 mV。求被测介质的实际温度t?解：由分度表查出Ek(30,0)=120mV 则 EK(t，0)=EK(t，30)+EK(30，0)=39.17+1.20=40.37 mV查分度表求出真实温度t=977。第
18、26页，共34页，编辑于2022年，星期一7.1.4 热电偶冷端温度补偿热电偶冷端温度补偿温度温度0102030405060708090热电动势热电动势mV00.0000.3970.7981.2031.6112.0222.4362.8503.2663.6811004.0954.5084.9195.3275.7336.1376.5396.9397.3387.7372008.1378.5378.9389.3419.74510.15110.56010.96911.38111.79330012.20712.62313.03913.45613.87414.29214.71215.13215.55215.
19、97440016.39516.81817.24117.66418.08818.51318.93819.36319.78820.21450020.64021.06621.49321.91922.34622.77223.19823.62424.05024.47660024.90225.32725.75126.17626.59927.02227.44527.86728.28828.70970029.12829.54729.96530.38330.79931.21431.21432.04232.45532.86680033.27733.68634.09534.50234.90935.31435.718
20、36.12136.52436.92590037.32537.72438.12238.91538.91539.31039.70340.09640.48840.879100041.26941.65742.04542.43242.81743.20243.58543.96844.34944.729表表7-3 镍铬镍铬-镍硅镍硅(K型型)热电偶分度表热电偶分度表第27页，共34页，编辑于2022年，星期一7.1.4 热电偶冷端温度补偿热电偶冷端温度补偿n3、冰浴法、冰浴法 为避免经常校正的麻烦，可采用冰浴法使冷端保持0。图图7-10 冷端处理冰浴法冷端处理冰浴法第28页，共34页，编辑于2022年，星期
21、一7.1.4 热电偶冷端温度补偿热电偶冷端温度补偿n4、补偿电桥法、补偿电桥法 设计时使RCu在20 下的阻值和其余三个桥臂电阻完全相等，即RCu20=R1=R2=R3，这种情况下电桥处于平衡状态，图中a和b之间电压Uab=0，对热电势没有补偿作用。图图7-11 补偿电桥法补偿电桥法 当冷端温度t020，随之热电势将减小，但这时RCu亦增大，使电桥不平衡，并且Uab电压方向与热电势相同，即a点为负、b点为正，此时回路总电压U=E(t，t0)+Uab。当冷端温度 t020 则Uab电压方向为a点为正，b点为负，此时回路总电压U=E(t，t0)-Uab。第29页，共34页，编辑于2022年，星期一
22、7.1.5 热电偶的应用热电偶的应用n1、测一点温度、测一点温度第30页，共34页，编辑于2022年，星期一7.1.5 热电偶的应用热电偶的应用n2、测两点间的温差、测两点间的温差 用两只相同型号的热电偶，配用相同的补偿导线，反向串联。产生热电势为第31页，共34页，编辑于2022年，星期一7.1.5 热电偶的应用热电偶的应用n3 3、测多点平均温度、测多点平均温度 用几只型号特性相同的热电偶并联在一起。仪表R1E1R2R3E2E3T2T1T3T0ET第32页，共34页，编辑于2022年，星期一7.1.5 热电偶的应用热电偶的应用n4、热电堆、热电堆红外测温红外测温第33页，共34页，编辑于2022年，星期一本章作业本章作业nP197 7-8;7-9;7-10;7-12第34页，共34页，编辑于2022年，星期一