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1、1关于热电偶传感器 第一页，讲稿共四十二页哦2实验实验-热电偶工作原理演示热电偶工作原理演示 热电极热电极A右端称为：右端称为：自由端（参自由端（参考端、冷端）考端、冷端）左端称为：左端称为：测量端（工测量端（工作端、热端）作端、热端）热电极热电极B热电势热电势A AB B第二页，讲稿共四十二页哦31821年年，德德国国物物理理学学家家西西拜拜克克（Seeback）用用两两种种不不同同金金属属组成成闭合合回回路路，并并用用酒酒精精灯灯加加热其其中中一一个个接接触触点点（称称为结点点），发现放放在在回回路路中中的的指指针发生生偏偏转（说明明什什么么？），如如果果用用两两盏酒酒精精灯灯对两两个个结
2、点同点同时加加热，指，指针的偏的偏转角反而减小角反而减小（又（又说明什么？）明什么？）。指指针针的的偏偏转转说说明明回回路路中中有有电电动动势势产产生生并并有有电电流流在在回回路路中中流流动动，电电流流的的强弱与两个结点的温差有关强弱与两个结点的温差有关。热电效应热电效应 6.3 热电偶传感器热电偶传感器第三页，讲稿共四十二页哦4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将将两两种种不不同同的的导体体A、B组合合成成闭合合回回路路。若若两两结点点处温温度度不不同同，则回回路路中中将将有有电流流流流动，即即回回路路中中有有热电动势存存在在。此此电动势的的
3、大大小小除除了了与与材材料料本本身身的的性性质有有关关以以外外，还决决定定于于结点点处的的温温差差，这种种现象象称称为热电效效应。热电偶偶就就是是根根据据此此原原理理设计制制作作的的将将温温差差转换为电势量量的的热电式式传感器。感器。6.3 热电偶传感器热电偶传感器第四页，讲稿共四十二页哦5温温差差热热电电偶偶（简简称称热热电电偶偶）是是目目前前温温度度测测量量中中使使用用最最普普遍遍的的传传感感元元件件之之一一。它它除除具具有有结结构构简简单单，测测量量范范围围宽宽、准准确确度度高高、热热惯惯性性小小，输输出出信信号号为为电电信信号号便便于于远远传传或或信信号号转转换换等等优优点点外外，还还
4、能能用用来来测测量量流流体体的的温温度度、测测量量固固体体以以及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。6.3 热电偶传感器热电偶传感器 热电偶测温原理热电偶测温原理 热电偶的基本定律热电偶的基本定律 热电偶的冷端处理及补偿热电偶的冷端处理及补偿第五页，讲稿共四十二页哦6两两种种不不同同的的导导体体A和和B组组合合成成如如图图所所示示闭闭合合回回路路，若若导导体体A和和B的的连连接接处处温温度度不不同同（设设TT0），则则在在此此闭闭合合回回路路中中就就有有电电流流产产生生，即即回回路路中中有有电电动动势势存存在在，这这
5、种种现现象象叫叫做做热热电电效效应应。这这种种现现象象早早在在1821年年首首先由西拜克（先由西拜克（Seeback）发现）发现,所以又称西拜克效应。所以又称西拜克效应。热电偶原理图热电偶原理图TT0AB 一、热电偶测温原理一、热电偶测温原理回回路路中中所所产产生生的的电电动动势势，叫叫热热电电势势。热热电电势势由由两两种种材材料料的的接接触触电电势势和和单一材料的单一材料的温差电势温差电势组成。组成。热端冷端第六页，讲稿共四十二页哦71.接触电势接触电势由由于于不不同同的的金金属属材材料料内内部部的的自自由由电电子子密密度度不不同同，当当两两种种金金属属材材料料A和和B接接触触时时，自自由由
6、电电子子从从密密度度大大的的金金属属材材料料扩扩散散到到密密度度小小的的金金属属材材料料中中去去，产产生生自自由由电子的电子的扩散现象扩散现象。+ABeAB(T)-接触电势原理图接触电势原理图eAB(T)导体导体A、B结点在温度结点在温度T 时形成的接触电动势；时形成的接触电动势；e单位电荷，单位电荷，e=1.610-19C；k波尔兹曼常数，波尔兹曼常数，k=1.3810-23 J/K；NA、NB 导体导体A、B在温度为在温度为T 时的电子密度。时的电子密度。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。一、热电偶测温原理一、热电偶测温原理第七
7、页，讲稿共四十二页哦82.温差电势温差电势AeA(T,To)ToT温差电势原理图温差电势原理图在在同同一一金金属属材材料料A中中，当当金金属属材材料料两两端端的的温温度度不不同同时时，两两端端电电子子能能量量不不同同，温温度度高高的的一一端端电电子子能能量量大大，则则电电子子从从高高温温端端向向低低温温端端扩扩散散的的数数量量多，最后达到平衡。多，最后达到平衡。eA(T，T0)导体导体A两端温度为两端温度为T、T0时形成的温差电动势；时形成的温差电动势；T，T0高低端的绝对温度；高低端的绝对温度；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时所产生的温差电动势。时所
8、产生的温差电动势。一、热电偶测温原理一、热电偶测温原理第八页，讲稿共四十二页哦9由由导导体体材材料料A、B组组成成的的闭闭合合回回路路，其其接接点点温温度度分分别别为为T、T0,如如果果TT0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：，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)AB3.热电偶回路的总电势热电偶回路的总电势NAT、NAT0导导体体A在在结结点点温温度度为为T和和T0时时的的电电子子密密度度；NBT、NBT0导体导体B在结点温度为在结点温度为T和和T0时的电子密度；时的电子密度；A、B导体导体A和和B
9、的汤姆逊系数。的汤姆逊系数。第九页，讲稿共四十二页哦10热电势存在必须具备两个条件：热电势存在必须具备两个条件：（1）两种不同的金属材料组成热电偶）两种不同的金属材料组成热电偶（2）其两端存在温差）其两端存在温差热电偶的热电势，等于两端温度分别为热电偶的热电势，等于两端温度分别为T 和零度以及和零度以及T0和零度的热电势和零度的热电势之差。之差。一、热电偶测温原理一、热电偶测温原理第十页，讲稿共四十二页哦114.导导体体材材料料确确定定后后，热热电电势势的的大大小小只只与与热热电电偶偶两两端端的的温温度度有有关关。如如果果使使EAB(T0)=常常数数，则则回回路路热热电电势势EAB(T，T0)
10、就就只只与与温温度度T有有关关，而而且且是是T的的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。3.只只有有当当热热电电偶偶两两端端温温度度不不同同,热热电电偶偶的的两两导导体体材材料料不不同同时时才才能能有有热热电电势势产生。产生。1.热热电电偶偶回回路路热热电电势势只只与与组组成成热热电电偶偶的的材材料料及及两两端端温温度度有有关关；与与热热电电偶偶的长度、粗细无关。的长度、粗细无关。2.只只有有用用不不同同性性质质的的导导体体才才能能组组合合成成热热电电偶偶；相相同同材材料料不不会会产产生生热热电电势势，因因为为当当A、B两种导体是同一种材料时，两种导体是同
11、一种材料时，ln(NA/NB)=0，也即，也即EAB(T，T0)=0。结论：结论：一、热电偶测温原理一、热电偶测温原理第十一页，讲稿共四十二页哦12由由一一种种匀匀质质导导体体组组成成的的闭闭合合回回路路，不不论论导导体体的的截截面面积积如如何何及及导导体体的的各各处处温度分布如何，回路中没有电流温度分布如何，回路中没有电流(即不产生电动势即不产生电动势)。若若热热电电偶偶的的热热电电极极是是非非匀匀质质导导体体，在在不不均均匀匀温温度度场场中中测测温温时时将将造造成成测量测量误差误差。热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的指标之一热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的指标之一1.匀质导体定律匀质
12、导体定律二、热电偶的基本定律二、热电偶的基本定律第十二页，讲稿共四十二页哦13在在热热电电偶偶回回路路中中，冷冷端端断断开开接接入入与与A、B电电极极不不同同的的另另一一种种导导体体（称称为为中中间间导导体体C），只只要要中中间间导导体体的的两两端端温温度度相相同同，热热电电偶偶回回路路总总电电势势不受中间导体接入的影响。不受中间导体接入的影响。2.中间导体定律中间导体定律二、热电偶的基本定律二、热电偶的基本定律第十三页，讲稿共四十二页哦14ET0T0TET0T1T1T电位计接入热电偶回路电位计接入热电偶回路用用途途 根根据据上上述述原原理理，可可以以在在热热电电偶偶回回路路中中接接入入电电位
13、位计计E，只只要要保保证证电电位位计计与与连连接接热热电电偶偶处处的的接接点点温温度度相相等等，就就不不会会影影响响回回路路中中原原来来的的热热电电势，接入的方式见下图所示。势，接入的方式见下图所示。二、热电偶的基本定律二、热电偶的基本定律第十四页，讲稿共四十二页哦15两两种种导导体体A和和B分分别别与与参参考考电电极极C组组成成热热电电偶偶，如如果果他他们们所所产产生生的的热热电势为已知，则电势为已知，则A和和B组成的热电偶产生的热电势为：组成的热电偶产生的热电势为：3.标准电极定律标准电极定律二、热电偶的基本定律二、热电偶的基本定律第十五页，讲稿共四十二页哦164.连接导体定律连接导体定律
14、 在在热热电电偶偶回回路路中中，如如果果热热电电极极A和和B分分别别与与连连接接导导体体A和和B相相连连，其其结结点点温温度度分分别别为为T，Tn和和T0，则回路的热电势等于热电偶的热电势，则回路的热电势等于热电偶的热电势 与连接导体的热电势与连接导体的热电势 之代数和。之代数和。EAB（T,Tn）EAB（Tn,T0）二、热电偶的基本定律二、热电偶的基本定律第十六页，讲稿共四十二页哦17二、热电偶的基本定律二、热电偶的基本定律第十七页，讲稿共四十二页哦185.中间温度定律中间温度定律 二、热电偶的基本定律二、热电偶的基本定律当导体当导体A和和A，导体，导体B和和B分别相同时，分别相同时，第十八
15、页，讲稿共四十二页哦19ABTTnTnABT0T0热电偶补偿导线接线图E连接导体定律为工业测量温度中使用连接导体定律为工业测量温度中使用补偿导线补偿导线提供了理论依据。提供了理论依据。选选择择在在100以以下下与与热热电电偶偶热热电电特特性性相相同同的的补补偿偿导导线线，可可使使热热电电偶偶的的参参比比端端延延长长，使使之之远远离离热热源源到到达达一一个个温温度度相相对对稳稳定定的的地地方方而而不不会会影影响响测测温的准确性。温的准确性。EAB（T,Tn,T0）=EAB（T,Tn）+EAB（Tn,T0）二、热电偶的基本定律二、热电偶的基本定律第十九页，讲稿共四十二页哦20例例题：用用S型型热电
16、偶偶测量量某某一一温温度度，若若参参比比端端温温度度Tn=30，测得得的的热电势E(T,Tn)=7.499mV，求，求测量端的量端的实际温度温度T。E（T,T0）=E（T,Tn）+E（Tn,T0）E（Tn,T0）=E（30,0）=0.173mVE（T,Tn）=E（T,30）=7.499mV E（T,0）=E（T,30）+E（30,0）=7.499+0.173=7.672mVT=830二、热电偶的基本定律二、热电偶的基本定律第二十页，讲稿共四十二页哦21第二十一页，讲稿共四十二页哦22热热电电偶偶的的热热电电势势大大小小不不仅仅与与热热端端温温度度的的有有关关，而而且且也也与与冷冷端端温温度度有
17、有关，只有当关，只有当冷端温度恒定冷端温度恒定，通过测量热电势的大小得到热端的温度。，通过测量热电势的大小得到热端的温度。热电偶的冷端处理和补偿热电偶的冷端处理和补偿:当当热热电电偶偶冷冷端端处处在在温温度度波波动动较较大大的的地地方方时时，必必须须首首先先使使用用补补偿偿导导线线将冷端延长到一个温度稳定的地方，再考虑将冷端处理为将冷端延长到一个温度稳定的地方，再考虑将冷端处理为。三、热电偶的冷端处理和补偿三、热电偶的冷端处理和补偿第二十二页，讲稿共四十二页哦23冷端处理方法：冷端处理方法：（1）冰点槽法）冰点槽法（2）计算修正法）计算修正法（3）冷端补偿电桥法）冷端补偿电桥法三、热电偶的冷端
18、处理和补偿三、热电偶的冷端处理和补偿第二十三页，讲稿共四十二页哦241.冰点槽法冰点槽法把把热热电电偶偶的的冷冷端端置置于于冰冰水水混混合合物物容容器器里里，使使T0=0。这这种种办办法法仅仅限限于于科科学学实实验验中中使使用用。为为了了避避免免冰冰水水导导电电引引起起两两个个连连接接点点短短路路，必必须须把把连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。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。mVABABTCC仪表铜导线试管补偿导线热电偶冰点槽冰水溶液T0三、热电偶的冷端处理和补偿三、热电偶的冷端处理和补偿第二十四页，讲稿共四十二页哦25第二十五页，讲稿共四十二
19、页哦262.计算修正法计算修正法用普通室温计算出参比端实际温度用普通室温计算出参比端实际温度TH，利用公式计算，利用公式计算例例 用用铜铜-康康铜铜热热电电偶偶测测某某一一温温度度T，参参比比端端在在室室温温环环境境TH中中，测测得得热热电电动动势势EAB(T,TH)=2.191mV，又又用用室室温温计计测测出出TH=20,查查此此种种热热电电偶偶的的分分度度表表可可知知，EAB(20,0)=0.789mV，故得，故得EAB(T,0)=EAB(T,20)+EAB(20,0)=2.191+0.789 =2.980(mV)再次查分度表，与再次查分度表，与2.980mV对应的热端温度对应的热端温度T
20、=70。EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)三、热电偶的冷端处理和补偿三、热电偶的冷端处理和补偿第二十六页，讲稿共四十二页哦273.冷端补偿电桥法冷端补偿电桥法利利用用不不平平衡衡电电桥桥产产生生热热电电势势补补偿偿热热电电偶偶因因冷冷端端温温度度变变化化而而引引起起热热电电势势的变化值。的变化值。不不平平衡衡电电桥桥由由R1、R2、R3(锰锰铜铜丝丝绕绕制制)、RCu(铜铜丝丝绕绕制制)四四个个桥桥臂臂和和桥路电源组成。桥路电源组成。设设计计时时，在在0下下使使电电桥桥平平衡衡(R1=R2=R3=RCu)，此此时时Uab=0，电电桥桥对对仪表读数无影响。仪表读数无影响
21、。注注意意：桥桥臂臂RCu必必须须和和热热电电偶偶的的冷冷端端靠靠近近，使使处处于于同同一一温温度度之下。之下。三、热电偶的冷端处理和补偿三、热电偶的冷端处理和补偿第二十七页，讲稿共四十二页哦28第二十八页，讲稿共四十二页哦29标标准准化化热热电电偶偶：工工艺艺上上比比较较成成熟熟，能能批批量量生生产产、性性能能稳稳定定、应应用用广广泛泛，具有统一分度表并已列入国际和国家标准文件中的热电偶。具有统一分度表并已列入国际和国家标准文件中的热电偶。标准化热电偶可以互相交换，精度有一定的保证。标准化热电偶可以互相交换，精度有一定的保证。国际电工委员会（国际电工委员会（IEC）共推荐了）共推荐了8种标准
22、化热电偶。种标准化热电偶。四、标准化热电偶四、标准化热电偶第二十九页，讲稿共四十二页哦30表表 标准化热电偶技术数据标准化热电偶技术数据热电偶名称热电偶名称分度号分度号热电极识别热电极识别E（100,0）（mV）测温范围（测温范围（）对分度表允许偏差（对分度表允许偏差（）新新极极性性识别识别长期长期短期短期等级等级使用温度使用温度允差允差铂铑铂铑10-铂铂S正正亮白较硬亮白较硬0.6460130016006001.5负负亮白柔软亮白柔软6000.25%t铂铑铂铑13-铂铂R正正较硬较硬0.6470130016006001.5负负柔软柔软11000.25%t铂铑铂铑30-铂铑铂铑B正正较硬较硬0
23、.0330160018006009004负负稍软稍软8000.5%t镍铬镍铬-镍硅镍硅K正正不亲磁不亲磁4.096012001300-4013002.5或或0.75%t负负稍亲磁稍亲磁-200402.5或或1.5%t镍铬硅镍铬硅-镍硅镍硅N正正不亲磁不亲磁2.774-20012001300-4011001.5或或0.4%t负负稍亲磁稍亲磁-4013002.5或或0.75%t镍铬镍铬-康铜康铜E正正暗绿暗绿6.319-200760850-409002.5或或0.75%t负负亮黄亮黄-200402.5或或1.5%t铜铜-康铜康铜T正正红色红色4.279-200350400-403501或或0.75
24、%t负负银白色银白色-200401或或1.5%t铁铁-康铜康铜J正正亲磁亲磁5.269-40600750-407502.5或或0.75%t负负不亲磁不亲磁四、标准化热电偶四、标准化热电偶第三十页，讲稿共四十二页哦311.铂铑铂铑10-铂热电偶（铂热电偶（S型）型）贵金属热电偶贵金属热电偶电电极极线线径径规规定定为为0.5mm，正正极极（SP）名名义义化化学学成成分分为为铂铂铑铑合合金金；负负极极（SN）为纯铂，故俗称为单铂铑热电偶）为纯铂，故俗称为单铂铑热电偶长期最高使用温度为长期最高使用温度为1300，短期最高使用温度为，短期最高使用温度为1600优优点点：准准确确度度高高，稳稳定定性性好好
25、，测测温温温温区区和和使使用用寿寿命命长长，物物理理化化学学性性能良好，在高温下抗氧化性能好，适用于氧化和惰性气氛中。能良好，在高温下抗氧化性能好，适用于氧化和惰性气氛中。缺缺点点：热热电电率率较较小小，灵灵敏敏度度低低，高高温温下下机机械械强强度度下下降降，对对污污染染敏敏感感，贵金属材料昂贵，因此一次性投资较大。贵金属材料昂贵，因此一次性投资较大。四、标准化热电偶四、标准化热电偶第三十一页，讲稿共四十二页哦322.铂铑铂铑30-铂铑铂铑6（B型）型）贵金属热电偶贵金属热电偶热偶丝线径规定为热偶丝线径规定为0.5mm正正极极（BP）和和负负极极（BN）的的名名义义化化学学成成分分均均为为铂铂
26、铑铑合合金金，只只是是含含量量不不同同，故俗称为双铂铑热电偶。故俗称为双铂铑热电偶。长期最高使用温度为长期最高使用温度为1600，短期最高使用温度为，短期最高使用温度为1800。优优点点：准准确确度度高高，稳稳定定性性好好，测测温温温温区区宽宽，使使用用寿寿命命长长等等，适适用用于于氧氧化化性性和和惰惰性性气气氛氛中中，也也可可短短期期用用于于真真空空中中，但但不不适适用用于于还还原原性性气气氛氛或或含含有有金金属属或或非非金金属属蒸蒸汽汽中；参比端不需进行冷端补偿，因为在中；参比端不需进行冷端补偿，因为在050范围内热电势小于范围内热电势小于3V。缺缺点点：热热电电率率较较小小，灵灵敏敏度度
27、低低，高高温温下下机机械械强强度度下下降降，抗抗污污染染能能力力差差，贵贵金金属属材材料昂贵。料昂贵。四、标准化热电偶四、标准化热电偶第三十二页，讲稿共四十二页哦333.镍铬镍铬-镍硅热电偶（镍硅热电偶（K型）型）使用量最大的廉价金属热电偶使用量最大的廉价金属热电偶正极（正极（KP）的名义化学成分为：）的名义化学成分为：Ni:Cr=90:10，负极（负极（KN）的名义化学化学成分为）的名义化学化学成分为Ni:Si=97:3。其使用温度为其使用温度为-2001300。优优点点：线线性性度度好好，热热电电势势较较大大，灵灵敏敏度度较较高高，稳稳定定性性和和复复现现性性均好，抗氧化性强，价格便宜。能
28、用于氧化性和惰性气氛中。均好，抗氧化性强，价格便宜。能用于氧化性和惰性气氛中。K型型热热电电偶偶不不能能在在高高温温下下直直接接用用于于硫硫、还还原原性性或或还还原原、氧氧化化交交替的气氛中，也不能用于真空中。替的气氛中，也不能用于真空中。四、标准化热电偶四、标准化热电偶第三十三页，讲稿共四十二页哦344.镍铬镍铬-铜镍热电偶（铜镍热电偶（E型）型）廉价金属热电偶。廉价金属热电偶。正极（正极（EP）为镍铬）为镍铬10合金，化学成分与合金，化学成分与KP相同相同负负极极（EN）为为铜铜镍镍合合金金，名名义义化化学学成成分分为为55%的的铜铜、45%的的镍以及少量的钴、锰、铁等元素。镍以及少量的钴
29、、锰、铁等元素。该该热热电电偶偶电电动动势势之之大大，灵灵敏敏度度之之高高属属所所有有标标准准热热电电偶偶之之最最，宜宜测测量微小温度变化。量微小温度变化。E型型热热电电偶偶可可用用于于湿湿度度较较大大的的环环境境里里，具具有有稳稳定定性性好好，抗抗氧氧化化性性能能高高，价价格格便便宜宜等等优优点点。但但不不能能在在高高温温下下用用于于硫硫、还原性气氛中。还原性气氛中。四、标准化热电偶四、标准化热电偶第三十四页，讲稿共四十二页哦35五、热电偶结构形式五、热电偶结构形式第三十五页，讲稿共四十二页哦36五、热电偶结构形式五、热电偶结构形式第三十六页，讲稿共四十二页哦37五、热电偶结构形式五、热电偶
30、结构形式第三十七页，讲稿共四十二页哦38习题第三十八页，讲稿共四十二页哦39EAB（1200,50）=EAB（1200,0）-EAB（50,0）=12000.04mV/-500.04mV/=46mV第三十九页，讲稿共四十二页哦40 3.某热电偶的热电势在某热电偶的热电势在E(500,0)时，输出热电势时，输出热电势E=5mV，若冷端温度，若冷端温度为为00，测得某加热炉炉温输出热电势为，测得某加热炉炉温输出热电势为E=6mV.求该加热炉实际温求该加热炉实际温度是多少？度是多少？解：热电偶的热电势解：热电偶的热电势E（500，0）=5 mV 热电偶灵敏度为：热电偶灵敏度为：K=5mV/500=0.001 mV/冷端温度为冷端温度为0时，输出热电势时，输出热电势E=6 mV，该加热炉实际温度是：该加热炉实际温度是：T=E/K=6/0.001=600第四十页，讲稿共四十二页哦41 查查得，得，T=340 第四十一页，讲稿共四十二页哦42感谢大家观看第四十二页，讲稿共四十二页哦