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1、传感器原理与应用技术第1页，本讲稿共64页1.1.热电效应热电效应热电效应热电效应 6.1 6.1 6.1 6.1 热热热热 电电电电 偶偶偶偶6.1.1 6.1.1 热电偶的工作原理热电偶的工作原理热电偶的工作原理热电偶的工作原理 第2页，本讲稿共64页B BA AT T0 0T TB BA AT T0 0T T热电势热电势热电势热电势 E EABAB(T,TT,T0 0)热电偶热电偶热电偶热电偶热电极热电极热电极热电极热端（工作端）热端（工作端）热端（工作端）热端（工作端）冷端（自由端）冷端（自由端）冷端（自由端）冷端（自由端）第3页，本讲稿共64页（1 1 1 1）接触电动势）接触电动势
2、）接触电动势）接触电动势接触电势接触电势接触电势接触电势温差电势温差电势温差电势温差电势 若金属若金属A的自由电子浓度大于金属的自由电子浓度大于金属B的，则在同一瞬的，则在同一瞬间由间由A扩散到扩散到B的电子将比由的电子将比由B扩散到扩散到A的电子多，因而的电子多，因而A A对于对于B B因失去电子而带正电，因失去电子而带正电，B B获得电子而带负电，在获得电子而带负电，在接触处便产生电场。接触处便产生电场。A、B之间便产生了一定的接触电之间便产生了一定的接触电动势。动势。热电势热电势热电势热电势 E EABAB(T,TT,T0 0)第4页，本讲稿共64页接触电动势的大小与两种金属的材料、接点
3、的温度有关，与导体接触电动势的大小与两种金属的材料、接点的温度有关，与导体的直径、长度及几何形状无关。的直径、长度及几何形状无关。对于温度为对于温度为T的接点，有下列接触电动势公式：的接点，有下列接触电动势公式：上式说明接触电动势的大小与接点温度的高低及导体中的上式说明接触电动势的大小与接点温度的高低及导体中的上式说明接触电动势的大小与接点温度的高低及导体中的上式说明接触电动势的大小与接点温度的高低及导体中的电子密度有关。电子密度有关。电子密度有关。电子密度有关。第5页，本讲稿共64页 对于任何一种金属，当其两端温度不同时，两端的对于任何一种金属，当其两端温度不同时，两端的自由电子浓度也不同，
4、温度高的一端浓度大，具有较大自由电子浓度也不同，温度高的一端浓度大，具有较大的动能；温度低的一端浓度小，动能也小。因此高温端的动能；温度低的一端浓度小，动能也小。因此高温端的自由电子要向低温端扩散，高温端因失去电子而带正的自由电子要向低温端扩散，高温端因失去电子而带正电，低温端得到电子而带负电，形成电，低温端得到电子而带负电，形成温差电动势，又称温差电动势，又称汤姆森电动势汤姆森电动势。（2 2）温差电动势）温差电动势）温差电动势）温差电动势第6页，本讲稿共64页温差电动势的大小取决于导体的材料及两端的温度。导体温差电动势的大小取决于导体的材料及两端的温度。导体A两端的温差电动势可用下式表示：
5、两端的温差电动势可用下式表示：eA（T，T0）导体导体A两端温度分别为两端温度分别为T、T0时形成的温时形成的温差电动势；差电动势；T、T0高、低温端的绝对温度；高、低温端的绝对温度；A汤姆逊系数，表示导体汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为两端的温度差为1时所产生时所产生的温差电动势。的温差电动势。第7页，本讲稿共64页同样导体同样导体B两端的温差电动势如下式所示：两端的温差电动势如下式所示：第8页，本讲稿共64页图图6-4 6-4 闭合回路总的热电势闭合回路总的热电势A AB BT TT T0 0-e eA A(T T,T T0 0)e eB B(T T,T T0 0)e eABAB(T
6、T)e eABAB(T T0 0)(3)(3)回路总电动势回路总电动势回路总电动势回路总电动势第9页，本讲稿共64页由于在金属中自由电子数目很多，温度对自由电子密度的影响很由于在金属中自由电子数目很多，温度对自由电子密度的影响很小，故温差电动势可以忽略不计，在热电偶回路中起主要作用的小，故温差电动势可以忽略不计，在热电偶回路中起主要作用的是接触电动势。是接触电动势。NAT和和NAT0可记做可记做NA，NBT和和NBT0可记做可记做NB，则则 有有在标定热电偶时，一般使在标定热电偶时，一般使T0为常数，则为常数，则 第10页，本讲稿共64页 热电偶回路的热电动势只与组成热电偶的材料及两端接点热电
7、偶回路的热电动势只与组成热电偶的材料及两端接点的温度有关；的温度有关；与热电偶的长度、粗细、形状无关。与热电偶的长度、粗细、形状无关。2.2.2.2.热电偶基本性质热电偶基本性质热电偶基本性质热电偶基本性质 只有用不同性质的材料才能组合成热电偶，相同材料不会只有用不同性质的材料才能组合成热电偶，相同材料不会产生热电动势。因为当产生热电动势。因为当A、B两种导体是同一种材料时，两种导体是同一种材料时，ln（NA/NB）=0，所以，所以EAB（T，T0）=0。第11页，本讲稿共64页 只有当热电偶两端温度不同时，不同材料组成的热电偶只有当热电偶两端温度不同时，不同材料组成的热电偶才能有热电动势产生
8、；当热电偶两端温度相同时，不同材料才能有热电动势产生；当热电偶两端温度相同时，不同材料组成的热电偶也不产生热电动势，即组成的热电偶也不产生热电动势，即EAB（T，T0）=0。导体材料确定后，热电动势的大小只与热电偶两端的温导体材料确定后，热电动势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使度有关。如果使eAB（T0）=常数，则回路热电动势常数，则回路热电动势EAB（T，T0）就只与温度）就只与温度T有关，而且是有关，而且是T的单值函数，这就是利用的单值函数，这就是利用热热电偶测温的基本原理电偶测温的基本原理。第12页，本讲稿共64页 对于有几种不同材料串联组成的闭合回路，若各接点温度对于有几种不同材
9、料串联组成的闭合回路，若各接点温度分别为分别为T1、T2TN，闭合回路总的热电动势为：，闭合回路总的热电动势为：第13页，本讲稿共64页3.3.热电偶基本定律热电偶基本定律热电偶基本定律热电偶基本定律(1)均质导体定律均质导体定律如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，无论两接点的如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，无论两接点的温度如何，热电动势均为零；反之，如果有热电动势产生，温度如何，热电动势均为零；反之，如果有热电动势产生，两个热电极的材料则一定是不同的。两个热电极的材料则一定是不同的。根据这一定律，可以检验两个热电极材料的成分是否相同根据这一定律，可以检验两个热电极材料的成分是否相同(
10、称为称为同名极检验法同名极检验法)，也可以检查热电极材料的均匀性。，也可以检查热电极材料的均匀性。第14页，本讲稿共64页(2)(2)中间导体定律中间导体定律中间导体定律中间导体定律在热电偶回路中接入第三种导体在热电偶回路中接入第三种导体在热电偶回路中接入第三种导体在热电偶回路中接入第三种导体C C，只要第三种导体的两接点温，只要第三种导体的两接点温，只要第三种导体的两接点温，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变。度相同，则回路中总的热电动势不变。度相同，则回路中总的热电动势不变。度相同，则回路中总的热电动势不变。右图回路中的总电动势为：右图回路中的总电动势为：右图回路中的
11、总电动势为：右图回路中的总电动势为：T0T0BTAC第15页，本讲稿共64页如果回路中三个接点的温度都相同，即如果回路中三个接点的温度都相同，即如果回路中三个接点的温度都相同，即如果回路中三个接点的温度都相同，即T TT T0 0，则回路总电，则回路总电，则回路总电，则回路总电动势必为零，即：动势必为零，即：动势必为零，即：动势必为零，即：即即则则则则第16页，本讲稿共64页如果按右图接入第三种导体如果按右图接入第三种导体如果按右图接入第三种导体如果按右图接入第三种导体C C，则回路中的总电动势为：，则回路中的总电动势为：，则回路中的总电动势为：，则回路中的总电动势为：T1CT0T1TBA而而
12、而而所以所以所以所以第17页，本讲稿共64页(3)(3)标准电极定律标准电极定律标准电极定律标准电极定律如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就可知。可知。T T0 0T TE EAB AB(T T,T T0 0)A AB BT T0 0T TE EACAC(T T,T T0 0)A AC CT T0 0T TE EBC BC(T T,T T0 0)B BC C第18页，本讲稿共64页两式相减得：两式相减得：两式相减得：
13、两式相减得：（6-136-13）第19页，本讲稿共64页若一个热电偶由若一个热电偶由A、B、C三种导体组成，且回路中三个接三种导体组成，且回路中三个接点的温度都相同，则回路总电动势必为零，即：点的温度都相同，则回路总电动势必为零，即：或或或或第20页，本讲稿共64页即导体即导体即导体即导体A A与与与与B B组成的热电偶的热电动势也可知。组成的热电偶的热电动势也可知。组成的热电偶的热电动势也可知。组成的热电偶的热电动势也可知。代入（代入（代入（代入（6-136-13）式可得：）式可得：）式可得：）式可得：第21页，本讲稿共64页解解：由由标标准准电电极极定定律律，镍镍铬铬和和考考铜铜热热电电偶
14、偶的的热热电电动动势势应应等等于于镍镍铬合金与纯铂热电偶与考铜与纯铂热电偶的热电动势的差，即铬合金与纯铂热电偶与考铜与纯铂热电偶的热电动势的差，即例例6-1 热端为热端为100、冷端为、冷端为0时，镍铬合金与纯铂组成的热电时，镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为偶的热电动势为2.95mV，而考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势，而考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为为-4.0mV，求镍铬和考铜组合而成的热电偶所产生的热电动势。，求镍铬和考铜组合而成的热电偶所产生的热电动势。2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV第22页，本讲稿共64页B BB BA A T Tn n T T T T0 0 A
15、 AA AB B(4)(4)中间温度定律中间温度定律中间温度定律中间温度定律热电偶在两接点温度分别为热电偶在两接点温度分别为T、T0时的热电动势等于该热时的热电动势等于该热电偶在接点温度分别为电偶在接点温度分别为T、Tn和接点温度分别为和接点温度分别为Tn、T0时的时的相应热电动势的代数和。相应热电动势的代数和。第23页，本讲稿共64页证明：证明：证明：证明：即：即：即：即：对于冷端温度不是零度时，热电偶如何分度表的问题提供了依据。对于冷端温度不是零度时，热电偶如何分度表的问题提供了依据。第24页，本讲稿共64页当当当当T T T Tn n n n=0=0=0=0时，则：时，则：时，则：时，则
16、：上式说明：只要上式说明：只要A、B组成的热电偶在冷端温度为零时的组成的热电偶在冷端温度为零时的“热电动势热电动势 温度温度”关系已知，则它在冷端温度不为零关系已知，则它在冷端温度不为零时的热电动势即可知。时的热电动势即可知。第25页，本讲稿共64页 中间温度定律表明：当在原来热电偶回路中分别引入与导中间温度定律表明：当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料体材料A、B相同热电特性的材料相同热电特性的材料C、D即引入所谓补偿导线时，即引入所谓补偿导线时，只要它们之间连接的两点温度相同，则总回路的热电动势与两只要它们之间连接的两点温度相同，则总回路的热电动势与两连接点温度无关，只与热电偶两端的温度
17、有关。连接点温度无关，只与热电偶两端的温度有关。第26页，本讲稿共64页热电偶补偿导热电偶补偿导线接线图线接线图A AB BT TT Tn nT Tn nC CD DT T0 0T T0 0MM由于由于由于由于A A与与与与C C、B B与与与与D D的热电特性相同，由热电偶的基本性质可知：的热电特性相同，由热电偶的基本性质可知：的热电特性相同，由热电偶的基本性质可知：的热电特性相同，由热电偶的基本性质可知：e eACAC（T Tn n）=e eBDBD（T Tn n）=0=0，则回路总电动势为，则回路总电动势为，则回路总电动势为，则回路总电动势为:第27页，本讲稿共64页6.1.2 6.1.
18、2 常用热电偶的结构常用热电偶的结构常用热电偶的结构常用热电偶的结构1.1.普通工业用装配式热电偶普通工业用装配式热电偶普通工业用装配式热电偶普通工业用装配式热电偶图图图图6-9 6-9 工业用装配式热电偶结构示意图工业用装配式热电偶结构示意图工业用装配式热电偶结构示意图工业用装配式热电偶结构示意图接线盒接线盒接线盒接线盒保险套管保险套管保险套管保险套管绝缘套管绝缘套管绝缘套管绝缘套管热电偶丝热电偶丝热电偶丝热电偶丝第28页，本讲稿共64页1 13 32 22 2 2 2铠装（或套管式）热电偶的结构铠装（或套管式）热电偶的结构铠装（或套管式）热电偶的结构铠装（或套管式）热电偶的结构由热电偶丝、
19、绝缘材料，金属套管三者拉细组合而成一体。由热电偶丝、绝缘材料，金属套管三者拉细组合而成一体。又由于它的热端形状不同，可分为两种形式如图。又由于它的热端形状不同，可分为两种形式如图。图图-1-1 铠装热电偶断面结构示意图铠装热电偶断面结构示意图1 1 金属套管金属套管;2;2绝缘材料绝缘材料;3;3热电极热电极 (a)(a)(a)(a)接壳式接壳式接壳式接壳式(b)(b)(b)(b)绝缘式绝缘式绝缘式绝缘式图图图图6-11 6-11 6-11 6-11 接壳式与绝缘式热电偶接壳式与绝缘式热电偶接壳式与绝缘式热电偶接壳式与绝缘式热电偶断面结构示意图断面结构示意图断面结构示意图断面结构示意图第29页
20、，本讲稿共64页3 3 3 3快速反应薄膜热电偶快速反应薄膜热电偶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。其热接点极薄装热电偶。其热接点极薄(0.01(0.010.lm)0.lm)。4 41 12 23 3快速反应薄膜热电偶快速反应薄膜热电偶快速反应薄膜热电偶快速反应薄膜热电偶11热电极热电极热电极热电极;2;2热接点热接点热接点热接点;33绝缘基板绝缘基板绝缘基板绝缘基板;4;4引出线引出线引出线引出线特别适用于对壁面温度特别适用于对壁面温度的快速测量。反应时间的快速测量。反
21、应时间仅为几仅为几msms。第30页，本讲稿共64页 4 4 4 4快速消耗微型热电偶快速消耗微型热电偶快速消耗微型热电偶快速消耗微型热电偶 可测钢水的温度。用直径为可测钢水的温度。用直径为0.050.050.lmm0.lmm的铂铑的铂铑1010一一铂铑铂铑3030热电偶装在热电偶装在U U型石英管中，再铸以高温绝缘水泥，外面型石英管中，再铸以高温绝缘水泥，外面再用保护钢帽所组成。再用保护钢帽所组成。142 356789111011钢帽；钢帽；2 2石英；石英；3 3纸环；纸环；4 4绝热泥；绝热泥；55冷端；冷端；6 6棉花；棉花；77绝缘纸管；绝缘纸管；8 8补偿导线；补偿导线；99套管；
22、套管；10 10塑料插座；塑料插座；11 11簧簧片与引出线片与引出线第31页，本讲稿共64页6.1.3 6.1.3 热电偶材料热电偶材料热电偶材料热电偶材料 用作热电极的材料应具备下面的条件：用作热电极的材料应具备下面的条件：温度测量范围广。要求在规定的温度测量范围内有较高温度测量范围广。要求在规定的温度测量范围内有较高的测量精确度，有较大的热电动势。温度与热电动势的关的测量精确度，有较大的热电动势。温度与热电动势的关系是单值函数，最好是呈线性关系。系是单值函数，最好是呈线性关系。性能稳定。要求在规定的温度测量范围内使用时热电性性能稳定。要求在规定的温度测量范围内使用时热电性能稳定，均匀性和
23、复现性好。能稳定，均匀性和复现性好。第32页，本讲稿共64页 物理化学性能好。要求在规定的温度测量范围内有良好的物理化学性能好。要求在规定的温度测量范围内有良好的化学稳定性、抗氧化性或抗还原性能。化学稳定性、抗氧化性或抗还原性能。满足上述条件的热电偶材料并不很多。我国把性能符合专满足上述条件的热电偶材料并不很多。我国把性能符合专业标准或国家标准并具有统一分度表的热电偶材料称为定业标准或国家标准并具有统一分度表的热电偶材料称为定型热电偶材料。型热电偶材料。第33页，本讲稿共64页从从1988年年1月月1日日起起，我我国国热热电电偶偶和和热热电电阻阻的的生生产产全全部部按按国国际际电电工工委委员员
24、会会（IEC）的的标标准准，并并指指定定S、B、E、K、R、J、T七七种种标标准准化化热热电电偶偶为为我我国国统统一一设设计计型型热热电电偶偶。但但其其中中的的R型型（铂铂铑铑13-铂铂）热热电电偶偶，因因其其温温度度范范围围与与S型型（铂铂铑铑10-铂）重合铂）重合,我国没有生产和使用。我国没有生产和使用。6.1.4 6.1.4 热电偶的种类热电偶的种类热电偶的种类热电偶的种类1.标准型热电偶标准型热电偶第34页，本讲稿共64页(1)(1)铂铑铂铑铂铑铂铑3030-铂铑铂铑铂铑铂铑6 6热电偶（分度号热电偶（分度号热电偶（分度号热电偶（分度号B B）它的正极是铂铑丝它的正极是铂铑丝(铂铂70
25、%，铑，铑30%)，负极也是铂铑丝，负极也是铂铑丝(铂铂94%，铑，铑6%)，俗称双铂铑。测量温度最高长期可，俗称双铂铑。测量温度最高长期可达达1600，短期可达，短期可达1800。优点是材料性能稳定，测量精度高，测温上限高。优点是材料性能稳定，测量精度高，测温上限高。缺点是在还原性气体中易被侵蚀，成本高。缺点是在还原性气体中易被侵蚀，成本高。第35页，本讲稿共64页铂铂pt78pt78，性软，易受机械处理，溶点，性软，易受机械处理，溶点17721772 ，化，化学性质稳定，但溶于王水（硝酸和盐酸学性质稳定，但溶于王水（硝酸和盐酸1 1：3 3混合）。混合）。铂族元素：钌、锇、铑、铱、钯、铂，
26、溶点都在铂族元素：钌、锇、铑、铱、钯、铂，溶点都在15001500以上，以上，性质稳定，在自然界中多以游离态存在。性质稳定，在自然界中多以游离态存在。金金AU79AU79，延展性强，比重，延展性强，比重19.32,19.32,熔点熔点10641064，在，在空气中极稳定，不溶于酸或碱，溶于王水及氯化钾、氯化空气中极稳定，不溶于酸或碱，溶于王水及氯化钾、氯化钠溶液中。钠溶液中。第36页，本讲稿共64页(2)(2)铂铑铂铑铂铑铂铑1010-铂热电偶（分度号铂热电偶（分度号铂热电偶（分度号铂热电偶（分度号S S）正极是铂铑丝正极是铂铑丝(铂铂90%，铑，铑l0%)，负极是纯铂丝。测量温，负极是纯铂丝
27、。测量温度最高长期可达度最高长期可达1300，短期可达，短期可达1600，一般用来测量，一般用来测量1000以上的高温。以上的高温。优点是材料性能稳定；测量准确度较高，可做成标准热优点是材料性能稳定；测量准确度较高，可做成标准热电偶或基准热电偶；抗氧化性强，宜在氧化性、惰性气电偶或基准热电偶；抗氧化性强，宜在氧化性、惰性气氛中工作。氛中工作。第37页，本讲稿共64页缺点是在高温还原性气体中（如气体中含缺点是在高温还原性气体中（如气体中含C、H2等）易被等）易被侵蚀，需要用保护套管；另外其热电极材料属贵金属，成本较侵蚀，需要用保护套管；另外其热电极材料属贵金属，成本较高，热电势也较弱。高，热电势
28、也较弱。国际温标中规定它为国际温标中规定它为630.741064.43温度范围内复现温标温度范围内复现温标的标准仪器。的标准仪器。第38页，本讲稿共64页正正极极是是镍镍铬铬合合金金(88.489.7镍镍、910铬铬，0.6硅硅，0.3锰锰，0.40.7钴钴)，负负极极为为镍镍硅硅(镍镍95.797镍镍,23硅硅,0.40.7钴钴)。测温范围为。测温范围为-200+1300。优优点点是是测测温温范范围围很很宽宽、热热电电动动势势与与温温度度关关系系近近似似线线性性、热热电电动动势势大大、高高温温下下抗抗氧氧化化能能力力强强、价价格格低低，所所以以在在工工业业上上应应用用广广泛。泛。(3)(3)
29、镍铬镍铬镍铬镍铬-镍硅热电偶（分度号镍硅热电偶（分度号镍硅热电偶（分度号镍硅热电偶（分度号KK）第39页，本讲稿共64页缺缺点点是是热热电电动动势势的的稳稳定定性性和和精精度度较较B型型或或S型型热热电电偶偶差差，在在还还原原性性气气体体和和含含有有SO2、H2S等等气气体体中中易易被被侵侵蚀蚀。测测量量温温度度长期可达长期可达1000，短期可达，短期可达1300。(4)(4)镍铬镍铬镍铬镍铬-铜镍热电偶（分度号铜镍热电偶（分度号铜镍热电偶（分度号铜镍热电偶（分度号E E）正极是镍铬合金，负极是铜镍合金正极是镍铬合金，负极是铜镍合金(铜铜55%，镍，镍45%)。测。测温范围为温范围为-200+
30、1000。优点是热电动势较其他常用热电偶大。适宜在氧化性或惰性气优点是热电动势较其他常用热电偶大。适宜在氧化性或惰性气氛中工作。氛中工作。第40页，本讲稿共64页正极是铁，负极是铜镍合金。测温范围为正极是铁，负极是铜镍合金。测温范围为-200+1300。其特点是价格低、热电动势较大（仅次于其特点是价格低、热电动势较大（仅次于E型热电偶）、灵型热电偶）、灵敏度高（约为敏度高（约为53V/）、线性度好、价格便宜，可在）、线性度好、价格便宜，可在800以下的还原介质中使用。以下的还原介质中使用。主要缺点是铁极易氧化。主要缺点是铁极易氧化。(5)(5)铁铁铁铁-铜镍热电偶（分度号铜镍热电偶（分度号铜镍
31、热电偶（分度号铜镍热电偶（分度号J J）第41页，本讲稿共64页正极是铜，负极是铜镍合金，测温范围为正极是铜，负极是铜镍合金，测温范围为-200+400，热电势略高于镍铬，热电势略高于镍铬-镍硅热电偶，约为镍硅热电偶，约为43V/。优点是。优点是精度高、复现性好、稳定性好、价格便宜。缺点是铜极易精度高、复现性好、稳定性好、价格便宜。缺点是铜极易氧化，故在氧化性气氛中使用时，一般不能超过氧化，故在氧化性气氛中使用时，一般不能超过300。(6)(6)铜铜铜铜-铜镍热电偶（分度号铜镍热电偶（分度号铜镍热电偶（分度号铜镍热电偶（分度号T T）在在0-100范围内，范围内，铜铜-铜镍热电偶已被定为三级标
32、准热电偶铜镍热电偶已被定为三级标准热电偶，用以检测低温仪表的精度，误差不超过用以检测低温仪表的精度，误差不超过 0.1。第42页，本讲稿共64页热电偶类别热电偶类别热电偶类别热电偶类别代代代代号号号号分度号分度号分度号分度号测温测温测温测温范围范围范围范围允许误差允许误差允许误差允许误差铂铑铂铑铂铑铂铑30303030-铂铑铂铑铂铑铂铑6 6 6 6WRRWRRWRRWRRLL-2LL-2LL-2LL-2或或或或B B B B0 0 0 01800180018001800800800800800，4.04.04.04.08008008008000.5%t0.5%t0.5%t0.5%t铂铑铂铑铂
33、铑铂铑10101010-铂铂铂铂WRPWRPWRPWRPLB-3LB-3LB-3LB-3或或或或S S S S0 0 0 01600160016001600600600600600，3.03.03.03.06006006006000.5%t0.5%t0.5%t0.5%t镍铬镍铬镍铬镍铬-镍硅镍硅镍硅镍硅WRNWRNWRNWRNEU-2EU-2EU-2EU-2或或或或K K K K 0 0 0 01300130013001300400400400400，3.03.03.03.04004004004000.75%t0.75%t0.75%t0.75%t镍铬镍铬镍铬镍铬-考铜考铜考铜考铜镍铬镍铬镍铬镍
34、铬-铜镍铜镍铜镍铜镍WRKWRKWRKWRKWRE WRE WRE WRE EA-2EA-2EA-2EA-2或或或或E E E E0 0 0 08008008008000 0 0 01000 1000 1000 1000 300300300300，3.03.03.03.03003003003001.0%t1.0%t1.0%t1.0%t几种常用热电偶的测温范围及精确度几种常用热电偶的测温范围及精确度几种常用热电偶的测温范围及精确度几种常用热电偶的测温范围及精确度第43页，本讲稿共64页第44页，本讲稿共64页 铱和铱合金热电偶：铱和铱合金热电偶：如铱如铱50铑铑铱铱10钌、铱铑钌、铱铑40-铱、
35、铱铑铱、铱铑60-铱热电偶。它能在氧铱热电偶。它能在氧化环境中测量高达化环境中测量高达2100的高温，且热电动势与温度关系的高温，且热电动势与温度关系线性好。线性好。2.2.非标准型热电偶非标准型热电偶非标准型热电偶非标准型热电偶第45页，本讲稿共64页 钨铼热电偶：钨铼热电偶：钨铼热电偶：钨铼热电偶：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。真空惰性气体介质或氢气介质中，但高温抗氧能力差。国产钨铼国产钨铼3-钨铼钨铼25、钨铼、钨铼-钨铼钨铼20热电偶使用温度范围在热电偶使用温度
36、范围在3002000，分度精度为，分度精度为1。主要用于钢水连续测温、反应堆。主要用于钢水连续测温、反应堆测温等场合。测温等场合。第46页，本讲稿共64页 金铁金铁金铁金铁镍铬热电偶：镍铬热电偶：镍铬热电偶：镍铬热电偶：主要用在低温测量，可在主要用在低温测量，可在2273K范围内使用，灵敏度约为范围内使用，灵敏度约为10V。钯钯钯钯铂铱铂铱铂铱铂铱1515热电偶：热电偶：热电偶：热电偶：是一种高输出性能的热电偶，在是一种高输出性能的热电偶，在1398时的热电势为时的热电势为47.255mV，比铂铑，比铂铑1010铂热电偶在同样温度下的热电势高铂热电偶在同样温度下的热电势高出出3倍，因而可配用灵
37、敏度较低的指示仪表，常应用于航倍，因而可配用灵敏度较低的指示仪表，常应用于航空工业。空工业。第47页，本讲稿共64页6.1.5 6.1.5 热电偶的冷端补偿方法热电偶的冷端补偿方法热电偶的冷端补偿方法热电偶的冷端补偿方法 1.1.冷端恒温法冷端恒温法冷端恒温法冷端恒温法(1)(1)冰点槽法冰点槽法冰点槽法冰点槽法将热电偶的冷端置于冰点槽内将热电偶的冷端置于冰点槽内将热电偶的冷端置于冰点槽内将热电偶的冷端置于冰点槽内(冰水混合物冰水混合物冰水混合物冰水混合物)，使冷端温度处，使冷端温度处，使冷端温度处，使冷端温度处于于于于0 0，如图，如图，如图，如图6-136-13所示。为了避免冰水导电引起两
38、个连接点所示。为了避免冰水导电引起两个连接点所示。为了避免冰水导电引起两个连接点所示。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。这种装置通常用于实验室或精密的冰点槽，使相互绝缘。这种装置通常用于实验室或精密的冰点槽，使相互绝缘。这种装置通常用于实验室或精密的冰点槽，使相互绝缘。这种装置通常用于实验室或精密的温度测量。温度测量。温度测量。温度测量。第48页，本讲稿共64页mVmVA AB B
39、T T铜导线铜导线铜导线铜导线铜铜铜铜导导导导线线线线试试试试管管管管补偿导线补偿导线补偿导线补偿导线热电偶热电偶热电偶热电偶冰点槽冰点槽冰点槽冰点槽冰水溶液冰水溶液冰水溶液冰水溶液T T0 0仪表仪表仪表仪表补偿导线补偿导线补偿导线补偿导线图图图图6-13 6-13 冰点槽法冰点槽法冰点槽法冰点槽法第49页，本讲稿共64页(2)(2)其他恒温器其他恒温器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，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。这类恒温器可以避免由于环境温度的波动而引入误差。这类恒温器可以是盛有变压器油的容器，利用
40、变压器油的热惰性恒温；是盛有变压器油的容器，利用变压器油的热惰性恒温；也可以是电加热的恒温器。这类恒温器的温度不是也可以是电加热的恒温器。这类恒温器的温度不是0，所以最后还需对热电偶进行冷端温度修正。，所以最后还需对热电偶进行冷端温度修正。第50页，本讲稿共64页2.2.补偿导线法补偿导线法补偿导线法补偿导线法利用补偿导线，将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所利用补偿导线，将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所(如如仪表室仪表室)。根据根据中间温度定律中间温度定律，只要热电偶的两个热电极分别与两补，只要热电偶的两个热电极分别与两补偿导线的偿导线的接点温度接点温度一致，就不会影响热电动势的输出。一致，
41、就不会影响热电动势的输出。第51页，本讲稿共64页例例6-2 采用镍铬采用镍铬-镍硅热电偶测量炉温。热端温度为镍硅热电偶测量炉温。热端温度为800，冷端温，冷端温度为度为50。为了进行炉温的调节与显示，必须将热电偶产生的热电动势信号为了进行炉温的调节与显示，必须将热电偶产生的热电动势信号送到仪表室，仪表室的环境温度恒为送到仪表室，仪表室的环境温度恒为20。首先由镍铬首先由镍铬-镍硅热电偶分度表查出它在冷端温度为镍硅热电偶分度表查出它在冷端温度为0，热端温，热端温度分别为度分别为800、50、20时的热电动势：时的热电动势：E E(800，0)33.277mV；第52页，本讲稿共64页如果热电偶
42、与仪表之间直接用铜导线连接，根据中间导体定如果热电偶与仪表之间直接用铜导线连接，根据中间导体定律，输入仪表的热电动势为律，输入仪表的热电动势为：E E(50，0)2.022mV；E(20，0)=0.798mV。E(800(800，50)=50)=E(800，0)-E(50，0)=(33.277-2.022)mV=31.255mV查分度表知，对应查分度表知，对应31.255mV的温度是的温度是751。与炉内真实温度相。与炉内真实温度相差差49。第53页，本讲稿共64页如果在热电偶与仪表之间用补偿导线连接，相当于将热电极延如果在热电偶与仪表之间用补偿导线连接，相当于将热电极延伸到仪表室，输入仪表的
43、热电动势为伸到仪表室，输入仪表的热电动势为E(800，20)=E(800，0)-E(20，0)=(33.277-0.798)mV=32.479mV=32.479mV查分度表知，对应查分度表知，对应32.479mV的温度是的温度是781，与炉内真实温度相，与炉内真实温度相差差19。第54页，本讲稿共64页若冷端温度恒定，但并非若冷端温度恒定，但并非若冷端温度恒定，但并非若冷端温度恒定，但并非0 0，要使测出的热电动势只反映热，要使测出的热电动势只反映热，要使测出的热电动势只反映热，要使测出的热电动势只反映热端的实际温度，则必须对温度进行修正。修正公式如下：端的实际温度，则必须对温度进行修正。修正
44、公式如下：端的实际温度，则必须对温度进行修正。修正公式如下：端的实际温度，则必须对温度进行修正。修正公式如下：3.3.计算修正法计算修正法计算修正法计算修正法第55页，本讲稿共64页例例6-3 用镍铬用镍铬-镍硅热电偶测某一水池内水的温度，测出的镍硅热电偶测某一水池内水的温度，测出的热电动势为热电动势为2.436mV。再用温度计测出环境温度为。再用温度计测出环境温度为30(且且恒定恒定)，求池水的真实温度。，求池水的真实温度。解：由镍铬解：由镍铬-镍硅热电偶分度表查出镍硅热电偶分度表查出E E(30(30，0)=1.203mV0)=1.203mVE(T，0)=E(T，30)+E(30，0)=2
45、.436mV+1.203mV=3.639mV所以：查分度表知其对应的实际温度为查分度表知其对应的实际温度为T=88。即池水的真实温。即池水的真实温度是度是88。第56页，本讲稿共64页4.4.电桥补偿（又称冷端补偿器）法电桥补偿（又称冷端补偿器）法电桥补偿（又称冷端补偿器）法电桥补偿（又称冷端补偿器）法图图图图6-14 6-14 补偿电桥补偿电桥补偿电桥补偿电桥T T0 0I I2 2I I1 1+E ER RS SR RT TR R3 3R R1 1R R2 2A AT TT T0 0B BU U回路输出电压为回路输出电压为回路输出电压为回路输出电压为:U U=E E（T T，T T0 0）
46、+(+(U UT TU U3 3)只要能满足下式即可达到自动补只要能满足下式即可达到自动补只要能满足下式即可达到自动补只要能满足下式即可达到自动补偿的目的偿的目的偿的目的偿的目的 第57页，本讲稿共64页如果热电偶的冷端温度变化范围为如果热电偶的冷端温度变化范围为0+50，热电偶选用，热电偶选用铂铑铂铑10-铂。查分度表得出铂。查分度表得出E为为0.299mV，因此补偿电阻，因此补偿电阻Rt的阻值可以根据上式求出。的阻值可以根据上式求出。第58页，本讲稿共64页5.5.显示仪表零位调整法显示仪表零位调整法显示仪表零位调整法显示仪表零位调整法当热电偶通过补偿导线连接显示仪表时，如果热电偶冷端当热
47、电偶通过补偿导线连接显示仪表时，如果热电偶冷端温度不是温度不是0，但十分稳定（如恒温车间或有空调的场所），但十分稳定（如恒温车间或有空调的场所），可预先将有零位调整器的显示仪表的指针从刻度的初始值可预先将有零位调整器的显示仪表的指针从刻度的初始值调至已知的冷端温度值上，这时显示仪表的示值即为被测调至已知的冷端温度值上，这时显示仪表的示值即为被测量的实际温度值。量的实际温度值。第59页，本讲稿共64页6.6.软件处理法软件处理法软件处理法软件处理法对于计算机系统，不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。例如冷端对于计算机系统，不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。例如冷端温度恒定但不为温度恒定但不为0的情况，
48、只需在采样后加一个与冷端温度对的情况，只需在采样后加一个与冷端温度对应的常数即可。应的常数即可。对于对于T0经常波动的情况，可利用热敏电阻或其它传感器把经常波动的情况，可利用热敏电阻或其它传感器把T0信号输入计算机，按照运算公式设计一些程序，便能自动修正。信号输入计算机，按照运算公式设计一些程序，便能自动修正。第60页，本讲稿共64页6.1.6 6.1.6 热电偶测温线路热电偶测温线路热电偶测温线路热电偶测温线路 1.1.测量某一点的温度测量某一点的温度测量某一点的温度测量某一点的温度流过测温毫伏表的电流为流过测温毫伏表的电流为流过测温毫伏表的电流为流过测温毫伏表的电流为:图图图图6-15 6
49、-15 6-15 6-15 单点测温线路单点测温线路单点测温线路单点测温线路T Tn nT T0 0T T0 0T Tn nC CD DMMR RL LE EA AB BT T第61页，本讲稿共64页2.2.测量两点之间的温度差测量两点之间的温度差测量两点之间的温度差测量两点之间的温度差图图图图6-16 6-16 6-16 6-16 测两点温差线路测两点温差线路测两点温差线路测两点温差线路A AT T2 2仪表仪表仪表仪表B BT T1 1C CD DT T0 0 T T0 0B BA AC C回路内的总电动势为回路内的总电动势为回路内的总电动势为回路内的总电动势为:因为因为因为因为故故故故第
50、62页，本讲稿共64页3.3.热电偶并联线路热电偶并联线路热电偶并联线路热电偶并联线路 图图图图6-17 6-17 并联测量线路并联测量线路并联测量线路并联测量线路T T1 1R R1 1T T0 0T T2 2R R2 2T T0 0 T T3 3R R3 3T T0 0 仪表仪表仪表仪表A AB B A AB B A AB B每只热电偶的输出为：每只热电偶的输出为：回路总的热电动势为回路总的热电动势为:第63页，本讲稿共64页4.4.热电偶串联线路热电偶串联线路热电偶串联线路热电偶串联线路图图图图6-18 6-18 串联测量线路串联测量线路串联测量线路串联测量线路T T0 0D DC CC