熱電偶溫度傳感器

關(guān)于熱電偶溫度傳感器第1頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第2頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月一、熱電偶測溫原理溫差熱電偶（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、準確度高、熱慣性小，輸出信號為電信號便于遠傳或信號轉(zhuǎn)換等優(yōu)點外，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態(tài)溫度的測量。第3頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月一、熱電偶的特點溫度測量范圍寬性能穩(wěn)定、準確可靠信號可以遠傳和紀錄第4頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月二、熱電偶的分類1按材料分類廉價金屬鐵－康銅、銅－康銅、鎳鉻－考銅、……貴重金屬鉑銠10－鉑、鉑銠10－鉑銠6難熔金屬鎢錸系、鎢鉬系、……非金屬二碳化鎢－二碳化鉬、石墨＝碳化物……2按用途和結(jié)構(gòu)分類普通工業(yè)類直形、角形、錐形專用類第5頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月1821年，德國物理學家塞貝克發(fā)現(xiàn)，在兩種不同的金屬所組成的閉合回路中，當兩接觸處的溫度不同時，回路中會產(chǎn)生一個電勢，這就是熱電效應，也稱作“塞貝克效應（Seebeckeffect）”。ThomasJohannSeebeck9April1770–10December1831三、工作原理第6頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月回路中所產(chǎn)生的電動勢，叫熱電勢。熱電勢由兩部分組成，即溫差電勢和接觸電勢。熱電偶原理圖TT0AB冷端熱端三、工作原理第7頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月1.接觸電勢Peltier電勢接觸電勢原理圖第8頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月eAB(T)——導體A、B結(jié)點在溫度T時形成的接觸電動勢；

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

——導體A、B在溫度為T時的自由電子密度。接觸電勢的大小與溫度高低及導體中的電子密度有關(guān)。1.接觸電勢Peltier電勢第9頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月2.溫差電勢Thomson電勢溫差電勢原理圖第10頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月eA(T，T0)—導體A兩端溫度為T、T0時形成的溫差電動勢；

T，T0

—高低端的絕對溫度；

σA

—湯姆遜系數(shù)，表示導體A兩端的溫度差為1℃時所產(chǎn)生的溫差電動勢，例如在0℃時，銅的σ=2μV/℃。溫差電動勢的大小取決于導體的材料及兩端的溫度。eA2.溫差電勢Thomson電勢第11頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月由導體材料A、B組成的閉合回路，其接點溫度分別為T、T0,如果T＞T0，則必存在著兩個接觸電勢和兩個溫差電勢，回路總電勢：T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3.回路總電勢第12頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月NAT——導體A在結(jié)點溫度為T時的電子密度；

NAT0——導體A在結(jié)點溫度為T0時的電子密度；NBT——導體B在結(jié)點溫度為T時的電子密度；NBT0——導體B在結(jié)點溫度為T0時的電子密度；A——導體A的湯姆遜系數(shù)；B——導體B的湯姆遜系數(shù)。如果T＞T0，回路總電勢：3.回路總電勢第13頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月由于在金屬中自由電子數(shù)目很多，溫度對自由電子密度的影響很小，故溫差電動勢可以忽略不計，在熱電偶回路中起主要作用的是接觸電動勢。NAT和NAT0可記做NA，NBT和NBT0可記做NB

，則有3.回路總電勢第14頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月對于有幾種不同材料串聯(lián)組成的閉合回路，接點溫度分別為T1、T2、

…、Tn

，冷端溫度為零度的熱電勢。其熱電勢為第15頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月★

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、粗細無關(guān)?！镏挥杏貌煌再|(zhì)的導體(或半導體)才能組合成熱電偶；相同材料不會產(chǎn)生熱電勢，因為當A、B兩種導體是同一種材料時，ln(NA/NB)=0也即EAB(T，T0)=0四點結(jié)論：第16頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月★

導體材料確定后，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?！?/p>

只有當熱電偶兩端溫度不同，熱電偶的兩導體材料不同時才能有熱電勢產(chǎn)生。四點結(jié)論：第17頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月逆向賽貝克效應電荷載體在導體中運動形成電流。由于電荷載體在不同的材料中處于不同的能級，當它從高能級向低能級運動時，便釋放出多余的能量；相反，從低能級向高能級運動時，從外界吸收能量。能量在兩材料的交界面處以熱的形式吸收或放出

第18頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月由一種均質(zhì)導體組成的閉合回路，不論其導體是否存在溫度梯度，回路中沒有電流(即不產(chǎn)生電動勢)；反之，如果有電流流動，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。1.均質(zhì)導體定律四、熱電偶回路的性質(zhì)（基本定律）第19頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月中間導體定則： 在熱電偶回路中接入第三種導體，只要第三種導體的兩接點溫度相同，則回路中總的熱電動勢不變T0T0BTACT1CT0T1TAB2.中間導體定律作業(yè)：證明第20頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月ABT1T2A’T0熱電偶補償導線接線圖E只要T1、T0不變，接入AˊBˊ后不管接點溫度T2如何變化，都不影響總熱電勢。這便是引入補償導線原理。EAB=EAB(T1)–EAB(T0)說明：當在原來熱電偶回路中分別引入與導體材料A、B同樣熱電特性的材料A′、B′(如圖)即引入所謂補償導線時，當EAA?(T2)=EBB?(T2)，則回路總電動勢為T2B’T0《熱電偶檢定中補償導線和銅導線的使用問題》第21頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月如果不同的兩種導體材料組成熱電偶回路,其接點溫度分別為T1、T2(如圖所示)時,則其熱電勢為EAB(T1,T2)；當接點溫度為T2、T3時，其熱電勢為EAB(T2,T3)；當接點溫度為T1、T3時，其熱電勢為EAB(T1,T3)，則BBA

T2

T1

T3

AAB

EAB（T1,T3）=EAB（T1,T2）+EAB（T2,T3）3.中間溫度定律第22頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月對于冷端溫度不是零度時，熱電偶如何使用分度表的問題提供了依據(jù)。如當T2=0℃時，則：第23頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月例1.用鎳鉻-鎳硅熱電偶測某一水池內(nèi)水的溫度，測出的熱電動勢為2.436mV。再用溫度計測出環(huán)境溫度為30℃(且恒定)，求池水的真實溫度。第24頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月

如果兩導體分別與第三種導體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢已知，則由這兩種導體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢也可知T0TEAB(T,T0)ABT0TEAC(T,T0)ACT0TEBC(T,T0)BC4.標準電極定則作業(yè)：證明第25頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月熱電偶的基本定則例2.熱端為100℃、冷端為0℃時，鎳鉻合金與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為2.95mV，而考銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為-4.0mV，求鎳鉻和考銅組合而成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢？第26頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月熱電偶材料應滿足：物理性能穩(wěn)定，熱電特性不隨時間改變；化學性能穩(wěn)定，以保證在不同介質(zhì)中測量時不被腐蝕；熱電勢高，導電率高，且電阻溫度系數(shù)小；便于制造；復現(xiàn)性好，便于成批生產(chǎn)。2.4.2熱電偶的常用材料與結(jié)構(gòu)第27頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月

1．鉑銠10—鉑熱電偶（S型）分度號LB—3工業(yè)用熱電偶絲：Φ0.5mm，實驗室用可更細些。正極：鉑銠合金絲,用90％鉑和10％銠(重量比)冶煉而成。負極：鉑絲。測量溫度：長期：1300℃、短期：1600℃。特點：材料性能穩(wěn)定，測量準確度較高；可做成標準熱電偶或基準熱電偶。用途：實驗室或校驗其它熱電偶。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、熱電偶常用材料第28頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月

工業(yè)用熱電偶絲：

Φ1.2~2.5mm，實驗室用可細些。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：價格比較便宜，在工業(yè)上廣泛應用。高溫下抗氧化能力強，在還原性氣體和含有SO2，

H2S等氣體中易被侵蝕。復現(xiàn)性好，熱電勢大，但精度不如WRLB。

2．鎳鉻—鎳硅(鎳鋁)熱電偶（K型）分度號EU—2第29頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月

工業(yè)用熱電偶絲：Ф1.2～2mm，實驗室用可更細些。

正極：鎳鉻合金負極：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：價格比較便宜，工業(yè)上廣泛應用。在常用熱電偶中它產(chǎn)生的熱電勢最大。氣體硫化物對熱電偶有腐蝕作用?？笺~易氧化變質(zhì)，適于在還原性或中性介質(zhì)中使用。3．鎳鉻—考銅熱電偶（E型）分度號為EA—2第30頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月正極：鉑銠合金（用70％鉑，30％銠冶煉而成）。負極：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1800℃。特點：

材料性能穩(wěn)定，測量精度高。還原性氣體中易被侵蝕。低溫熱電勢極小，冷端溫度在50℃以下可不加補償。成本高。4．鉑銠30—鉑銠6熱電偶（B型）分度號為LL—2第31頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月（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熱電偶，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％。幾種持殊用途的熱電偶第32頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月（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，常應用于航空工業(yè)。第33頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月（6）銅—康銅熱電偶，分度號MK

熱電偶的熱電勢略高于鎳鉻-鎳硅熱電偶，約為43μV/℃。復現(xiàn)性好，穩(wěn)定性好，精度高，價格便宜。缺點是銅易氧化，廣泛用于20K～473K的低溫實驗室測量中。（5）鐵—康銅熱電偶，分度號TK

靈敏度高，約為53μV/℃，線性度好，價格便宜，可在800℃以下的還原介質(zhì)中使用。主要缺點是鐵極易氧化，采用發(fā)藍處理后可提高抗銹蝕能力。第34頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月常用的熱電偶材料第35頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月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、保護套管以及接線盒等部分組成。實驗室用時，也可不裝保護套管，以減小熱慣性。工業(yè)熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖1－接線盒；2－保險套管3―絕緣套管4―熱電偶絲12342.4.3常用熱電偶的結(jié)構(gòu)類型第36頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月各種熱電偶第37頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月熱電偶結(jié)構(gòu)第38頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月鎧裝熱電偶第39頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月

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。優(yōu)點是小型化（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。2．鎧裝式熱電偶（又稱套管式熱電偶）第40頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月

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)—帽型第41頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月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，其熱接點極薄(0.01～0.lμm)因此，特別適用于對壁面溫度的快速測量。安裝時,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；反應時間僅為幾ms。3．快速反應薄膜熱電偶第42頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月薄膜熱電偶第43頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月一種測量鋼水溫度的熱電偶。4．快速消耗微型熱電偶它是用直徑為Φ0.05～0.lmm的鉑銠10一鉑銠30熱電偶裝在U型石英管中，再鑄以高溫絕緣水泥，外面再用保護鋼帽所組成。這種熱電偶使用一次就焚化，但它的優(yōu)點是熱慣性小，只要注意它的動態(tài)標定，測量精度可達5～7℃。第44頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第45頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月原因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)，否則會產(chǎn)生誤差。2.4.4冷端處理及補償方法冰點槽法計算修正法補正系數(shù)法零點遷移法冷端補償器法軟件處理法第46頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月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實驗中使用。為了避免冰水導電引起兩個連接點短路，必須把連接點分別置于兩個玻璃試管里，浸入同一冰點槽，使相互絕緣。1.冰點槽法第47頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月用普通室溫計算出參比端實際溫度TH，利用公式計算EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)例用銅-康銅熱電偶測某一溫度T，參比端在室溫環(huán)境TH中，測得熱電動勢EAB(T，TH)=1.999mV，又用室溫計測出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對應的熱端溫度T=68℃。注意:既不能只按1.999mV查表，認為T=49℃，也不能把49℃加上21℃，認為T=70℃。2.計算修正法第48頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月0.80

1.202.44

2.85第49頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月

T＝

T′＋

kTH式中：

T——為未知的被測溫度；

T′——為參比端在室溫下熱電偶電勢與分度表上對應的某個溫度；

TH——室溫；

k——為補正系數(shù)，其它參數(shù)見下表。3.補正系數(shù)法把參比端實際溫度TH乘上系數(shù)k，加到由EAB(T，TH)查分度表所得的溫度上，成為被測溫度T。用公式表達即第50頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月熱電偶補正系數(shù)第51頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月

例用鉑銠10－鉑熱電偶測溫，已知冷端溫度TH=35℃，這時熱電動勢為11.348mV．查S型熱電偶的分度表，得出與此相應的溫度T′=1150℃。再從下表中查出，對應于1150℃的補正系數(shù)k=0.53。于是，被測溫度

T=1150+0.53×35=1168.3（℃）用這種辦法稍稍簡單一些，比計算修正法誤差可能大一點，但誤差不大于0.14％。第52頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月應用領域：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）。實質(zhì)：在測量結(jié)果中人為地加一個恒定值，因為冷端溫度穩(wěn)定不變，電動勢EAB(TH,0)是常數(shù)，利用指示儀表上調(diào)整零點的辦法，加大某個適當?shù)闹刀鴮崿F(xiàn)補償。4.零點遷移法第53頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月

例

用動圈儀表配合熱電偶測溫時，如果把儀表的機械零點調(diào)到室溫TH的刻度上，在熱電動勢為零時，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，則只有當熱端溫度T=TH時，才能使EAB(T,TH)=0，這樣，指示值就和熱端的實際溫度一致了。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，指示值就永遠正確。第54頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月利用不平衡電橋產(chǎn)生熱電勢補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)四個橋臂和橋路電源組成。設計時，在0℃下使電橋平衡(R1=R2=R3=RCu)，此時Uab=0，電橋?qū)x表讀數(shù)無影響。5.冷端補償器法第55頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月冷端補償器的作用

mVEAB(T,T0)T0T0TAB++-abUUabRCuR1R2R3RT0UaUabEAB(T,T0)