熱電偶測溫原理及應(yīng)用

溫度是物理現(xiàn)象中具有代表性的物理量是十大計量單位之一現(xiàn)代生活中溫度測量和控制是不可缺少的，如家用電器：電飯煲、電冰箱、空調(diào)、微波爐這些家用電器中都少不了溫度傳感器。概述5/11/20231目前一頁\總數(shù)三十一頁\編于九點紅外人體探測器現(xiàn)代樓宇自動化(電源管理、安全監(jiān)測、照明控制、空調(diào)控制、停車管理、水/廢水管理和電梯監(jiān)控)中溫度是不可缺少的，概述5/11/20232目前二頁\總數(shù)三十一頁\編于九點現(xiàn)代工業(yè)中溫度測量和控制是不可缺少的，概述精確的煙草烘干木材烘干5/11/20233目前三頁\總數(shù)三十一頁\編于九點

溫度傳感器的種類很多：

熱膨脹溫度傳感器：有液體、氣體的玻璃式溫度計、體溫計，結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用廣泛；

半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器：家電、汽車上使用，價格便宜、用量大、成本低、性能差別不大；金屬電阻、熱電偶、紅外溫度傳感器：工業(yè)上常用，性能價格差別比較大，精度高的通常價格比較昂貴。集成溫度傳感器，利用晶體管PN結(jié)電流、電壓隨溫度變化，有專用集成電路，體積小、響應(yīng)快、價廉，測量150℃以下溫度。概述5/11/20234目前四頁\總數(shù)三十一頁\編于九點第9講溫度傳感器原理與應(yīng)用

-熱電偶ThermoelectricCoupleSensors一、熱電偶的工作原理；二、熱電偶測溫實驗三、熱電偶測溫基本定律四、熱電偶的冷端補償及補償導(dǎo)線5/11/20235目前五頁\總數(shù)三十一頁\編于九點YC-811報警溫度計

分辨率:0.1°C/0.1°F

KType:鎳鉻-鎳硅熱電偶可測溫度范圍-200°C~1372°C可設(shè)定上下限蜂鳴報警實驗：測冰水溫度、測沸水溫度（觀察準(zhǔn)確度和響應(yīng)時間）5/11/20236目前六頁\總數(shù)三十一頁\編于九點結(jié)論：當(dāng)兩個結(jié)點溫度不相同時，回路中將產(chǎn)生電動勢。

熱電極A自由端（冷端、參考端）

測量端（熱端、工作端）

熱電極B熱電勢ABnA>nB結(jié)點1結(jié)點2一、熱電偶的工作原理

5/11/20237目前七頁\總數(shù)三十一頁\編于九點結(jié)論：熱電偶兩結(jié)點所產(chǎn)生的總的熱電勢等于熱端熱電勢與冷端熱電勢之差，是兩個結(jié)點的溫差Δt

的函數(shù)：EAB（T，T0）=eAB（

T）-eAB（

T0

）熱電勢與兩個結(jié)點的溫差Δt成函數(shù)關(guān)系5/11/20238目前八頁\總數(shù)三十一頁\編于九點1、熱電效應(yīng)

1821年，德國物理學(xué)家賽貝克用兩種不同金屬組成閉合回路，并用酒精燈加熱其中一個結(jié)點，發(fā)現(xiàn)放在回路中的指南針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，如果用兩盞酒精燈對兩個結(jié)點同時加熱，指南針的偏轉(zhuǎn)角反而減小。顯然，指南針的偏轉(zhuǎn)說明回路中有電動勢產(chǎn)生并有電流在回路中流動，電流的強弱與兩個結(jié)點的溫差有關(guān)。將兩種不同材料的導(dǎo)體A和B串接成一個閉合回路，當(dāng)兩個接點溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生熱電勢，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。！兩端溫度不同的導(dǎo)體會產(chǎn)生電動勢！兩種不同的導(dǎo)體接在一起會產(chǎn)生電動勢？能用來制作傳感器嗎ABTT05/11/20239目前九頁\總數(shù)三十一頁\編于九點2、熱電勢的組成：接觸電勢當(dāng)相互接觸的兩金屬密度不同時產(chǎn)生接觸電勢。溫差電勢同一金屬，若兩端的溫度不同則產(chǎn)生溫差電勢。5/11/202310目前十頁\總數(shù)三十一頁\編于九點兩種不同的金屬互相接觸時，由于不同金屬內(nèi)自由電子的密度不同，在兩金屬A和B的接觸點處會發(fā)生自由電子的擴散現(xiàn)象。自由電子將從密度大的金屬A擴散到密度小的金屬B，使A失去電子帶正電，B得到電子帶負(fù)電，從而產(chǎn)生接觸電勢。

自由電子＋ABEAB（

T）T接觸電勢的大小與溫度有關(guān)式中:K——波爾茲曼常數(shù);e——單位電荷電量;NAT、NBT——溫度為T導(dǎo)體A、B的電子密度。方向：從密度小指向密度大的接觸電勢5/11/202311目前十一頁\總數(shù)三十一頁\編于九點ABTT0兩個結(jié)點處分別有兩個接觸電勢，且方向相反。整個回路中總的接觸電動勢為：如果兩個結(jié)點的溫度相同，T=T0，則總接觸電動勢為0圖中：NA>NB，T>T0以順時針為正EAB(T)EAB(T0)5/11/202312目前十二頁\總數(shù)三十一頁\編于九點同一導(dǎo)體的兩端溫度不同時,高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大,因而從高溫端跑到低溫端的電子數(shù)比從低溫端跑到高溫端的要多,結(jié)果高溫端因失去電子而帶正電,低溫端因獲得多余的電子而帶負(fù)電,因此,在導(dǎo)體兩端便形成溫差電勢。自由電子TT0接觸電勢的大小與密度有關(guān)式中:K——波爾茲曼常數(shù);e——單位電荷電量;NAT——溫度為T導(dǎo)體A的電子密度。＋AEA(T,T0)方向：從低溫指向高溫溫差電勢5/11/202313目前十三頁\總數(shù)三十一頁\編于九點ABTT0整個回路中總的溫差電動勢為：如果AB兩金屬的密度相同，則總溫差電動勢為0以順時針為正EB(T,T0)EA(T,T0)5/11/202314目前十四頁\總數(shù)三十一頁\編于九點接觸電勢當(dāng)相互接觸的兩金屬的密度不同時產(chǎn)生接觸電勢，其大小與結(jié)點的溫度相關(guān)。溫差電勢同一金屬，若兩端的溫度不同則產(chǎn)生溫差電勢，其大小其密度相關(guān)。結(jié)論：5/11/202315目前十五頁\總數(shù)三十一頁\編于九點回路中總熱電動勢為：EAB(T,T0)=EB(T,T0)+EAB(T)-

EAB(T0)-EA(T,T0)以順時針為正藍(lán)色的為接觸電勢綠色的為溫差電勢ABTT0EB(T,T0)EA(T,T0)如果A、B密度相同（均質(zhì)導(dǎo)體），則不存在接觸電動勢，兩導(dǎo)體內(nèi)溫差電動勢，大小相等，方向相反，總熱電勢為0。即為均質(zhì)導(dǎo)體定律如果兩結(jié)點溫度相同（T=T0），則不存在溫差電動勢，兩結(jié)點處接觸電動勢，大小相等，方向相反，總熱電勢為0.EAB(T)EAB(T0)由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路中,不論導(dǎo)體的截面和長度如何以及各處的溫度分布如何,都不能產(chǎn)生熱電勢。5/11/202316目前十六頁\總數(shù)三十一頁\編于九點熱電勢=接觸電勢+溫差電勢EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)+EB(T,T0)-EA(T,T0)結(jié)論：當(dāng)nA=nB，不存在接觸電勢EAB

E總=EB(T,T0)-

EA(T,T0)=0當(dāng)T=T0，不存在溫差電勢EA、EB

E總=EAB(T)-EAB(T0)=05/11/202317目前十七頁\總數(shù)三十一頁\編于九點（1）在總熱電勢中,溫差電勢比接觸電勢小很多,可忽略不計,熱電偶的熱電勢可表示為：EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)

（2）對于已選定的熱電偶,當(dāng)參考端溫度T0恒定時,EAB(T0)=C為常數(shù),則總的熱電勢就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)系,即EAB(T,T0)=EAB(T)-C=f(T)3、熱電勢與被測溫度的關(guān)系：（3）實際應(yīng)用中,熱電勢與溫度之間關(guān)系是通過熱電偶分度表來確定的。分度表是在參考端溫度為0℃時,通過實驗建立起來的熱電勢與工作端溫度之間的數(shù)值對應(yīng)關(guān)系。5/11/202318目前十八頁\總數(shù)三十一頁\編于九點K熱電偶的分度表

熱電偶的冷端溫度為0C，查表得出被測溫度？如何利用分度表來確定溫度？3種環(huán)境下（K型熱電偶）熱端的熱電勢分別為0、為4、為-3.5。5/11/202319目前十九頁\總數(shù)三十一頁\編于九點4、幾種常用熱電偶分度號

名稱

測量溫度范圍

1000C熱電勢/mVB鉑銠30－鉑銠650～1820C4.834R鉑銠13—鉑-50～1768C10.506S鉑銠10—鉑-50～1768C9.587K鎳鉻－鎳鉻(鋁)-200～1372C41.276E鎳鉻－銅鎳(康銅)－270～800C——?5/11/202320目前二十頁\總數(shù)三十一頁\編于九點幾種常用熱電偶的熱電勢與溫度的關(guān)系曲線分析

哪幾種熱電偶的測溫上限較高？

結(jié)論：哪幾種熱電偶的線性較差？哪一種熱電偶的靈敏度較高？哪一種熱電偶的靈敏度較低？為什么所有的曲線均過原點（零度點）？5/11/202321目前二十一頁\總數(shù)三十一頁\編于九點二、熱電偶測溫實驗測出變色涂料的變色溫度超溫報警實驗CPU散熱風(fēng)扇低溫時顯示藍(lán)色溫度升高后變?yōu)榧t色5/11/202322目前二十二頁\總數(shù)三十一頁\編于九點問題：1、測量時，熱端在哪？冷端在哪？熱電勢是用什么檢測儀表測量的？測量儀表的導(dǎo)線與熱電阻的導(dǎo)體不同，是不是會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響？2、冷端怎么保持0度？若是不為0度怎么辦？5/11/202323目前二十三頁\總數(shù)三十一頁\編于九點1)中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只要其兩端的溫度相等，該導(dǎo)體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。TT0V同時也解決了測量頭熱端遠(yuǎn)離冷端的問題，中間可用其他導(dǎo)線連接。三、熱電偶測溫基本定律5/11/202324目前二十四頁\總數(shù)三十一頁\編于九點2)中間溫度定律熱電偶AB在接點溫度為T、T0時的熱電勢EAB(T,T0）等于熱電偶AB在接點溫度T、Tc和Tc、T0時的熱電勢的代數(shù)和：EAB(T,T0）=EAB(T,Tc）+EAB(Tc,T0）

ABTT0=ABTTC+ABTcT0該定律是參考端溫度計算修正法的理論依據(jù)。在實際熱電偶測溫回路中,利用熱電偶這一性質(zhì),可對參考端溫度不為0℃的熱電勢進行修正。5/11/202325目前二十五頁\總數(shù)三十一頁\編于九點熱電偶基本定律解決了兩個問題：1、實際測量時冷端和熱端相隔很遠(yuǎn)（中間導(dǎo)體定律）熱電偶補償導(dǎo)線2、實際測量時冷端溫度不為0度（中間溫度定律

）冷端補償四、熱電偶補償導(dǎo)線及冷端溫度補償5/11/202326目前二十六頁\總數(shù)三十一頁\編于九點

在實際測溫時,需要把熱電偶輸出的電勢信號傳輸?shù)竭h(yuǎn)離現(xiàn)場數(shù)十米的控制室里的顯示儀表或控制儀表,這樣參考端溫度t0也比較穩(wěn)定。熱電偶一般做得較短需要用導(dǎo)線將熱電偶的冷端延伸出來。工程中采用一種補償導(dǎo)線,它通常由兩種不同性質(zhì)的廉價金屬導(dǎo)線制成,而且在0~100℃溫度范圍內(nèi),要求補償導(dǎo)線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。熱電偶補償導(dǎo)線5/11/202327目前二十七頁\總數(shù)三十一頁\編于九點(1)參考端溫度修正法：參考端溫度不等于0℃,則需要對熱電偶回路的電勢值加以修正,修正值為EAB(t0,0)。經(jīng)修正后的實際熱電勢,可由分度表中查出被測實際溫度值。EAB(T,0）=EAB(T,T0）+EAB(T0,0）(2)參考端0℃恒溫法：在實驗室及精密測量中,通常把參考端放入裝滿冰水混合物的容器中,以便參考端溫度保持0℃.(3)參考端溫度自動補償法（補償電橋法）：補償電橋法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓作為補償信號,來自動補償熱電偶測量過程中因參考端溫度不為0℃或變化而引起熱電勢的變化值。冷端補償方法5/11/202328目前二十八頁\總數(shù)三十一頁\編于九點如圖所示,不平衡電橋由三個電阻溫度系數(shù)較小的錳銅絲繞制的電阻r1、r2、r3、電阻溫度系數(shù)較大的銅絲繞制的電阻RCu和穩(wěn)壓電源組成。