自動(dòng)檢測技術(shù)及應(yīng)用ppt課件第九章 熱電偶課件

溫差熱電偶（簡稱熱電偶）是目前溫度測量中使用最普遍的傳感元件之一。它除具有結(jié)構(gòu)簡單，測量范圍寬、準(zhǔn)確度高、熱慣性小，輸出信號(hào)為電信號(hào)便于遠(yuǎn)傳或信號(hào)轉(zhuǎn)換等優(yōu)點(diǎn)外，還能用來測量流體的溫度、測量固體以及固體壁面的溫度。微型熱電偶還可用于快速及動(dòng)態(tài)溫度的測量。第九章溫度測試技術(shù)

熱電偶溫度傳感器熱電偶的工作原理熱電偶回路的性質(zhì)熱電偶的常用材料與結(jié)構(gòu)冷端處理及補(bǔ)償熱電偶的選擇、安裝使用和校驗(yàn)兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B組合成如圖所示閉合回路，若導(dǎo)體A和B的連接處溫度不同（設(shè)T＞T0），則在此閉合回路中就有電流產(chǎn)生，也就是說回路中有電動(dòng)勢存在，這種現(xiàn)象叫做熱電效應(yīng)。這種現(xiàn)象早在1821年首先由西拜克（See－back）發(fā)現(xiàn),所以又稱西拜克效應(yīng)。熱電偶原理圖TT0AB一、熱電偶的工作原理回路中所產(chǎn)生的電動(dòng)勢，叫熱電勢。熱電勢由兩部分組成，即溫差電勢和接觸電勢。熱端冷端1.接觸電動(dòng)勢接觸電勢原理圖+ABTeAB(T)-eAB(T)——導(dǎo)體A、B結(jié)點(diǎn)在溫度T時(shí)形成的接觸電動(dòng)勢；e——單位電荷，e=1.6×10-19C；k——波爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J/K

；NA、NB

——導(dǎo)體A、B在溫度為T時(shí)的電子密度。接觸電勢的大小與溫度高低及導(dǎo)體中的電子密度有關(guān)。eA(T，T0)——導(dǎo)體A兩端溫度為T、T0時(shí)形成的溫差電動(dòng)勢；T，T0——高低端的絕對(duì)溫度；σA——湯姆遜系數(shù)，表示導(dǎo)體A兩端的溫度差為1℃時(shí)所產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢，例如在0℃時(shí)，銅的σ=2μV/℃。2.溫差電動(dòng)勢AeA(T,To)ToT溫差電勢原理圖由導(dǎo)體材料A、B組成的閉合回路，其接點(diǎn)溫度分別為T、T0,如果T＞T0，則必存在著兩個(gè)接觸電勢和兩個(gè)溫差電勢，回路總電勢：T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3.回路總電勢NAT、NAT0——導(dǎo)體A在結(jié)點(diǎn)溫度為T和T0時(shí)的電子密度；NBT、NBT0——導(dǎo)體B在結(jié)點(diǎn)溫度為T和T0時(shí)的電子密度；σA、σB——導(dǎo)體A和B的湯姆遜系數(shù)。根據(jù)電磁場理論得或近似地：4）導(dǎo)體材料確定后，熱電勢的大小只與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。如果使EAB(T0)=常數(shù)，則回路熱電勢EAB(T，T0)就只與溫度T有關(guān)，而且是T的單值函數(shù)，這就是利用熱電偶測溫的原理。3）只有當(dāng)熱電偶兩端溫度不同,熱電偶的兩導(dǎo)體材料不同時(shí)才能有熱電勢產(chǎn)生,EAB(T0，T0)=0

。1）熱電偶回路熱電勢只與組成熱電偶的材料及兩端溫度有關(guān)；與熱電偶的長度、粗細(xì)無關(guān)。2）只有用不同性質(zhì)的導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)才能組合成熱電偶；相同材料不會(huì)產(chǎn)生熱電勢，因?yàn)楫?dāng)A、B兩種導(dǎo)體是同一種材料時(shí)，ln(NA/NB)=0，也即EAA(T，T0)=0。由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論其導(dǎo)體是否存在溫度梯度，回路中沒有電流(即不產(chǎn)生電動(dòng)勢)；反之，如果有電流流動(dòng)，此材料則一定是非均質(zhì)的，即熱電偶必須采用兩種不同材料作為電極。二、熱電偶回路的性質(zhì)1.均質(zhì)導(dǎo)體定律

E總=EAB（T）+EBC（T0）+ECA（T0）=?三種不同導(dǎo)體組成的熱電偶回路TABCT0T02.中間導(dǎo)體定律一個(gè)熱電偶閉合回路接入第三種導(dǎo)體材料，只要第三材料連接的接點(diǎn)溫度相同，則此回路熱電動(dòng)勢數(shù)值不因第三材料的接入而改變。如圖，由A、B、C三種材料組成的閉合回路，則

E總=EAB（T）+EBC（T0）+ECA（T0）兩點(diǎn)結(jié)論：l）將第三種材料C接入由A、B組成的熱電偶回路，如圖，則圖a中的A、C接點(diǎn)2與C、A的接點(diǎn)3，均處于相同溫度T0之中，此回路的總電勢不變，即同理，圖b中C、A接點(diǎn)2與C、B的接點(diǎn)3，同處于溫度T0之中，此回路的電勢也為：T2T1AaBC23EABaAT023ABEABT1T2CT0EAB（T1,T2）=EAB（T1）-EAB（T2）(a)(b)T0T0EAB(T1,T2)=EAB(T1)-EAB（T2）第三種材料接入熱電偶回路圖電位計(jì)接入熱電偶回路根據(jù)上述原理，可以在熱電偶回路中接入電位計(jì)E，只要保證電位計(jì)與連接熱電偶處的接點(diǎn)溫度相等，就不會(huì)影響回路中原來的熱電勢，接入的方式見下圖所示。

ET0T1T1TET0T0T

EABC(T,T0

)

=EAB(

T)

+EBC(

T0)

+ECA(

T0)ET0T0T1T2T0T0熱電偶測量多個(gè)點(diǎn)的溫度和電路圖

EAB（T,T0）=EAC（T,T0）+ECB（T,T0）T0TEAB(T,T0)ABT0TEAC(T,T0)ACT0TECB(T,T0)CB2）如果任意兩種導(dǎo)體材料的熱電勢是已知的，它們的冷端和熱端的溫度又分別相等，如圖所示，它們相互間熱電勢的關(guān)系為：3.中間溫度定律

如果不同的兩種導(dǎo)體材料組成熱電偶回路,其接點(diǎn)溫度分別為T1、T2(如圖所示)時(shí),則其熱電勢為EAB(T1,T2)；當(dāng)接點(diǎn)溫度為T2、T3時(shí)，其熱電勢為EAB(T2,T3)；當(dāng)接點(diǎn)溫度為T1、T3時(shí)，其熱電勢為EAB(T1,T3)，則BBAT2T1

T3

AAB

EAB（T1,T3）=EAB（T1,T2）+EAB（T2,T3）EAB（T1,T3）=EAB（T1,0）+EAB（0,T3）=EAB（T1,0）-EAB（T3,0）=EAB（T1）-EAB（T3）

ABT1T2T2A’B’T0T0熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線接線圖E對(duì)于冷端溫度不是零度時(shí)，熱電偶如何分度表的問題提供了依據(jù)。如當(dāng)T2=0℃時(shí)，則：只要T1、T0不變，接入AˊBˊ后不管接點(diǎn)溫度T2如何變化，都不影響總熱電勢。這便是引入補(bǔ)償導(dǎo)線原理。EABB’A’(T1,T0)

=EAB(T1)–EAB(T0)=EAB(T1,T0)

說明：當(dāng)在原來熱電偶回路中分別引入與導(dǎo)體材料A、B同樣熱電特性的材料A′、B′(如圖)即引入所謂補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)，當(dāng)EAA?(T2)=EBB?(T2)，則回路總電動(dòng)勢為標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體（電極）定律標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體定律的意義通常選用高純鉑絲作標(biāo)準(zhǔn)電極只要測得它與各種金屬組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢，則各種金屬間相互組合成熱電偶的熱電動(dòng)勢就可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電極定律計(jì)算出來。例：熱端為100℃，冷端為0℃時(shí)，鎳鉻合金與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢為2.95mV，而考銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢為－4.0mV，則鎳鉻和考銅組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢應(yīng)為：2.95－(－4.0)=6.95(mV)熱電偶材料應(yīng)滿足：物理性能穩(wěn)定，熱電特性不隨時(shí)間改變；化學(xué)性能穩(wěn)定，以保證在不同介質(zhì)中測量時(shí)不被腐蝕；熱電勢高，導(dǎo)電率高，且電阻溫度系數(shù)??；便于制造；復(fù)現(xiàn)性好，便于成批生產(chǎn)。三、熱電偶的常用材料與結(jié)構(gòu)

1．鉑銠—鉑熱電偶(S型)

分度號(hào)LB—3工業(yè)用熱電偶絲：Φ0.5mm，實(shí)驗(yàn)室用可更細(xì)些。正極：鉑銠合金絲,用90％鉑和10％銠(重量比)冶煉而成。負(fù)極：鉑絲。測量溫度：長期：1300℃、短期：1600℃。特點(diǎn)：材料性能穩(wěn)定，測量準(zhǔn)確度較高；可做成標(biāo)準(zhǔn)熱電偶或基準(zhǔn)熱電偶。用途：實(shí)驗(yàn)室或校驗(yàn)其它熱電偶。測量溫度較高，一般用來測量1000℃以上高溫。在高溫還原性氣體中（如氣體中含Co、H2等）易被侵蝕，需要用保護(hù)套管。材料屬貴金屬，成本較高。熱電勢較弱。（一）熱電偶常用材料

2．鎳鉻—鎳硅(鎳鋁)熱電偶(K型)分度號(hào)EU—2工業(yè)用熱電偶絲：Φ1.2~2.5mm，實(shí)驗(yàn)室用可細(xì)些。正極：鎳鉻合金(用88.4～89.7％鎳、9～10％鉻，0.6％硅，0.3％錳，0.4～0.7％鈷冶煉而成)。負(fù)極：鎳硅合金(用95.7～97％鎳,2～3％硅,0.4～0.7％鈷冶煉而成)。測量溫度：長期1000℃，短期1300℃。特點(diǎn)：價(jià)格比較便宜，在工業(yè)上廣泛應(yīng)用。高溫下抗氧化能力強(qiáng)，在還原性氣體和含有SO2，

H2S等氣體中易被侵蝕。復(fù)現(xiàn)性好，熱電勢大，但精度不如WRLB。3．鎳鉻—考銅熱電偶(E型)分度號(hào)為EA—2工業(yè)用熱電偶絲:Ф1.2～2mm，實(shí)驗(yàn)室用可更細(xì)些。正極：鎳鉻合金負(fù)極：考銅合金（用56％銅，44％鎳冶煉而成）。測量溫度：長期600℃，短期800℃。特點(diǎn)：價(jià)格比較便宜，工業(yè)上廣泛應(yīng)用。在常用熱電偶中它產(chǎn)生的熱電勢最大。氣體硫化物對(duì)熱電偶有腐蝕作用?？笺~易氧化變質(zhì)，適于在還原性或中性介質(zhì)中使用。4．鉑銠30—鉑銠6熱電偶(B型)

分度號(hào)為LL—2正極：鉑銠合金（用70％鉑，30％銠冶煉而成）。負(fù)極：鉑銠合金（用94％鉑，6％銠冶煉而成）。測量溫度：長期可到1600℃，短期可達(dá)1800℃。特點(diǎn)：材料性能穩(wěn)定，測量精度高。還原性氣體中易被侵蝕。低溫?zé)犭妱輼O小，冷端溫度在50℃以下可不加補(bǔ)償。成本高。幾種持殊用途的熱電偶（1）銥和銥合金熱電偶如銥50銠—銥10釕熱電偶它能在氧化氣氛中測量高達(dá)2100℃的高溫。（2）鎢錸熱電偶是60年代發(fā)展起來的，是目前一種較好的高溫?zé)犭娕?，可使用在真空惰性氣體介質(zhì)或氫氣介質(zhì)中，但高溫抗氧能力差。國產(chǎn)鎢錸-鎢錸20熱電偶使用溫度范圍300～2000℃分度精度為1％。（3）金鐵—鎳鉻熱電偶

主要用在低溫測量，可在2～273K范圍內(nèi)使用，靈敏度約為10μV／℃。（4）鈀—鉑銥15熱電偶是一種高輸出性能的熱電偶，在1398℃時(shí)的熱電勢為47.255mV，比鉑—鉑銠10熱電偶在同樣溫度下的熱電勢高出3倍，因而可配用靈敏度較低的指示儀表，常應(yīng)用于航空工業(yè)。（6）銅—康銅熱電偶，分度號(hào)MK

熱電偶的熱電勢略高于鎳鉻-鎳硅熱電偶，約為43μV/℃。復(fù)現(xiàn)性好，穩(wěn)定性好，精度高，價(jià)格便宜。缺點(diǎn)是銅易氧化，廣泛用于20K～473K的低溫實(shí)驗(yàn)室測量中。（5）鐵—康銅熱電偶，分度號(hào)TK

靈敏度高，約為53μV/℃，線性度好，價(jià)格便宜，可在800℃以下的還原介質(zhì)中使用。主要缺點(diǎn)是鐵極易氧化，采用發(fā)藍(lán)處理后可提高抗銹蝕能力。

1．工業(yè)用熱電偶

下圖為典型工業(yè)用熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖。它由熱電偶絲、絕緣套管、保護(hù)套管以及接線盒等部分組成。實(shí)驗(yàn)室用時(shí)，也可不裝保護(hù)套管，以減小熱慣性。工業(yè)熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖1－接線盒；2－保險(xiǎn)套管3―絕緣套管4―熱電偶絲1234（二）常用熱電偶的結(jié)構(gòu)類型(a)(b)(c)(d)

1322．鎧裝式熱電偶（又稱套管式熱電偶）優(yōu)點(diǎn)是小型化（直徑從12mm到0.25mm）、壽命、熱慣性小，使用方便。

測溫范圍在1100℃以下的有：鎳鉻—鎳硅、鎳鉻—考銅鎧裝式熱電偶。

斷面如圖所示。它是由熱電偶絲、絕緣材料，金屬套管三者拉細(xì)組合而成一體。又由于它的熱端形狀不同，可分為四種型式如圖。圖3.2-12鎧裝式熱電偶斷面結(jié)構(gòu)示意圖1—

金屬套管;2—絕緣材料;3—熱電極(a)—碰底型;(b)—不碰底型;(c)—露頭型;(d)—帽型3．快速反應(yīng)薄膜熱電偶用真空蒸鍍等方法使兩種熱電極材料蒸鍍到絕緣板上而形成薄膜裝熱電偶。如圖，其熱接點(diǎn)極薄(0.01～0.lμm)4123快速反應(yīng)薄膜熱電偶1—熱電極;2—熱接點(diǎn);3—絕緣基板;4—引出線因此，特別適用于對(duì)壁面溫度的快速測量。安裝時(shí),用粘結(jié)劑將它粘結(jié)在被測物體壁面上。目前我國試制的有鐵—鎳、鐵—康銅和銅—康銅三種,尺寸為60×6×0.2mm;絕緣基板用云母、陶瓷片、玻璃及酚醛塑料紙等；測溫范圍在300℃以下；反應(yīng)時(shí)間僅為幾ms。方法冰點(diǎn)槽法計(jì)算修正法零點(diǎn)遷移法冷端補(bǔ)償器法軟件處理法四、冷端處理及補(bǔ)償熱電偶熱電勢的大小是熱端溫度和冷端的函數(shù)差，為保證輸出熱電勢是被測溫度的單值函數(shù)，必須使冷端溫度保持恒定；熱電偶分度表給出的熱電勢是以冷端溫度0℃為依據(jù)，否則會(huì)產(chǎn)生誤差。S型(鉑銠10-鉑)熱電偶分度表1.冰點(diǎn)槽法把熱電偶的參比端置于冰水混合物容器里，使T0=0℃。這種辦法僅限于科學(xué)實(shí)驗(yàn)中使用。為了避免冰水導(dǎo)電引起兩個(gè)連接點(diǎn)短路，必須把連接點(diǎn)分別置于兩個(gè)玻璃試管里，浸入同一冰點(diǎn)槽，使相互絕緣。mVABA’B’TCC’儀表銅導(dǎo)線試管補(bǔ)償導(dǎo)線熱電偶冰點(diǎn)槽冰水溶液T0

0℃恒溫法2.計(jì)算修正法用普通室溫計(jì)算出參比端實(shí)際溫度TH，利用公式計(jì)算例1.用銅-康銅熱電偶測某一溫度T，參比端在室溫環(huán)境TH中，測得熱電動(dòng)勢EAB(T，TH)=1.999mV，又用室溫計(jì)測出TH=21℃,查此種熱電偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.832mV，故得EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，T0)=1.999+0.832=2.831(mV)再次查分度表，與2.831mV對(duì)應(yīng)的熱端溫度T=68℃。注意:既不能只按1.999mV查表，認(rèn)為T=49℃，也不能把49℃加上21℃，認(rèn)為T=70℃。EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)修正法的實(shí)質(zhì)：

設(shè)：冷端溫度恒為t0（t0≠0）被測溫度為t

修正公式冷端t0的熱電勢測量得出的熱電勢

被測溫度t的熱電勢儀表機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整法

將顯示儀表的機(jī)械零點(diǎn)調(diào)至t0處，相當(dāng)于在輸入熱電偶熱電勢之前就給顯示儀表輸入了電勢E(t0,0)由分度表查得E(20,0)=0.113mv則E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)=7.32+0.113=7.434mv再查分度表得其對(duì)應(yīng)的被測溫度t=808℃例2用S型熱電偶測溫，熱電偶的冷端溫度t0=20℃，測得熱電勢為7.32mv，求被測對(duì)象的實(shí)際溫度t。解例用動(dòng)圈儀表配合熱電偶測溫時(shí)，如果把儀表的機(jī)械零點(diǎn)調(diào)到室溫TH的刻度上,在熱電動(dòng)勢為零時(shí)，指針指示的溫度值并不是0℃而是TH。而熱電偶的冷端溫度已是TH,則只有當(dāng)熱端溫度T=TH時(shí)，才能使EAB(T,TH)=0，這樣，指示值就和熱端的實(shí)際溫度一致了。這種辦法非常簡便，而且一勞永逸，只要冷端溫度總保持在TH不變，指示值就永遠(yuǎn)正確。3.零點(diǎn)遷移法應(yīng)用領(lǐng)域：如果冷端不是0℃，但十分穩(wěn)定（如恒溫車間或有空調(diào)的場所）。實(shí)質(zhì)：在測量結(jié)果中人為地加一個(gè)恒定值，因?yàn)槔涠藴囟确€(wěn)定不變，電動(dòng)勢EAB(TH,0)是常數(shù)，利用指示儀表上調(diào)整零點(diǎn)的辦法，加大某個(gè)適當(dāng)?shù)闹刀鴮?shí)現(xiàn)補(bǔ)償。4.冷端補(bǔ)償器法（電橋補(bǔ)償法）利用不平衡電橋產(chǎn)生熱電勢補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起熱電勢的變化值。不平衡電橋由R1、R2、R3(錳銅絲繞制)、RCu(銅絲繞制)四個(gè)橋臂和橋路電源組成。設(shè)計(jì)時(shí)，在0℃下使電橋平衡(R1=R2=R3=RCu)，此時(shí)Uab=0，電橋?qū)x表讀數(shù)無影響。冷端補(bǔ)償器的作用注意：橋臂RCu必須和熱電偶的冷端靠近，使處于同一溫度之下。

mVEAB(T,T0)T0T0TAB+-abUUbaRCuR1R2R3RT0UaUabEAB(T,T0)供電4V直流，在0～40℃或-20～20℃的范圍起補(bǔ)償作用。注意，不同材質(zhì)的熱電偶所配的冷端補(bǔ)償器，其中的限流電阻R不一樣，互換時(shí)必須重新調(diào)整。5.軟件處理法對(duì)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，不必全靠硬件進(jìn)行熱電偶冷端處理。例如冷端溫度恒定但不為0℃的情況，只需在采樣后加一個(gè)與冷端溫度對(duì)應(yīng)的常數(shù)即可。對(duì)于T0經(jīng)常波動(dòng)的情況，可利用熱敏電阻或其它傳感器把T0信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，按照運(yùn)算公式設(shè)計(jì)一些程序，便能自動(dòng)修正。后一種情況必須考慮輸入的采樣通道中除了熱電動(dòng)勢之外還應(yīng)該有冷端溫度信號(hào)，如果多個(gè)熱電偶的冷端溫度不相同，還要分別采樣，若占用的通道數(shù)太多，宜利用補(bǔ)償導(dǎo)線把所有的冷端接到同一溫度處，只用一個(gè)冷端溫度傳感器和一個(gè)修正T0的輸入通道就可以了。冷端集中，對(duì)于提高多點(diǎn)巡檢的速度也很有利。1.熱電偶的選擇、安裝使用熱電偶的選用應(yīng)該根據(jù)被測介質(zhì)的溫度、壓力、介質(zhì)性質(zhì)、測溫時(shí)間長短來選擇熱電偶和保護(hù)套管。其安裝地點(diǎn)要有代表性，安裝方法要正確，下圖是安裝在管道上常用的兩種方法。在工業(yè)生產(chǎn)中，熱電偶常與毫伏計(jì)連用（XCZ型動(dòng)圈式儀表）或與電子電位差計(jì)聯(lián)用，后者精度較高，且能自動(dòng)記錄。另外也可熱電偶安裝圖通過與溫度變送器經(jīng)放大后再接指示儀表，或作為控制用的信號(hào)。五、熱電偶的選擇、安裝使用和校驗(yàn)熱電偶分度號(hào)校驗(yàn)溫度/℃熱電偶允許偏差/℃溫度偏差溫度偏差LB–3600，800，1000，12000～600±2.4>600占所測熱電勢的±0.4%EU–2400，600，800，1000～400±4>400占所測熱電勢的±0.75%EA–2300，400，6000～300±4>300占所測熱電勢的±1%2.熱電偶的定期校驗(yàn)

校驗(yàn)的方法是用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶與被校驗(yàn)熱電偶裝在同一校驗(yàn)爐中進(jìn)行對(duì)比，誤差超過規(guī)定允許值為不合格。圖為熱電偶校驗(yàn)裝置示意圖，最佳校驗(yàn)方法可由查閱有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)獲得。工業(yè)熱電偶的允許偏差，見下表。工業(yè)熱電偶允許偏差78564321穩(wěn)壓電源220V熱電偶校驗(yàn)圖1-調(diào)壓變壓器；2-管式電爐；3標(biāo)準(zhǔn)熱電偶；4-被校熱電偶；5-冰瓶；6-切換開關(guān)；7-測試儀表；8-試管

問題引出

解決方法熱電偶冷端暴露于空間，受環(huán)境溫度影響熱電極長度有限，冷端受到被測溫度變化的影響把熱電偶的冷端延伸到遠(yuǎn)離被測對(duì)象