熱力學(xué)溫標(biāo)課件

第4章熱電偶傳感器本章學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容有:1、了解溫度測量的基本概念和方法；2、理解熱電偶的工作原理，；3、了解熱電偶的分類及特點。6/6/20231溫度測量的基本概念

一、溫度測量的基本概念

溫度標(biāo)志著物質(zhì)內(nèi)部大量分子無規(guī)則運(yùn)動的劇烈程度。溫度越高，表示物體內(nèi)部分子熱運(yùn)動越劇烈。

模擬圖：在一個密閉的空間里，氣體分子在高溫時的運(yùn)動速度比低溫時快！低溫高溫6/6/20232二、溫標(biāo)

1、溫度的數(shù)值表示方法稱為溫標(biāo)。它規(guī)定了溫度的讀數(shù)的起點（即零點）以及溫度的單位。各類溫度計的刻度均由溫標(biāo)確定。

2、國際上規(guī)定的溫標(biāo)有：攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)、熱力學(xué)溫標(biāo)等。

6/6/20233幾種溫標(biāo)的對比正常體溫為37C

，相當(dāng)于華氏溫度多少度？6/6/20234熱力學(xué)溫標(biāo)（K）

熱力學(xué)溫標(biāo)是建立在熱力學(xué)第二定律基礎(chǔ)上的最科學(xué)的溫標(biāo)，是由開爾文（Kelvin）根據(jù)熱力學(xué)定律提出來的，因此又稱開氏溫標(biāo)。它的符號是T，單位是開爾文（K）。威廉·湯姆遜·開爾文勛爵像6/6/20235三、溫度測量及傳感器分類溫度傳感器按照用途可分為基準(zhǔn)溫度計和工業(yè)溫度計；按照測量方法又可分為接觸式和非接觸式；按工作原理又可分為膨脹式、電阻式、熱電式、輻射式等等；按輸出方式分，有自發(fā)電型、非電測型等。

6/6/20236介紹幾種溫度測量方法

示溫涂料（變色涂料）裝滿熱水后圖案變得清晰可辨6/6/20237變色涂料在電腦內(nèi)部溫度中的示溫作用CPU散熱風(fēng)扇低溫時顯示藍(lán)色溫度升高后變?yōu)榧t色6/6/20238體積熱膨脹式

不需要電源，耐用；但感溫部件體積較大。

氣體的體積與熱力學(xué)溫度成正比6/6/20239紅外溫度計6/6/202310熱電偶測溫的主要優(yōu)點

1、它屬于自發(fā)電型傳感器：測量時可以不需外加電源，可直接驅(qū)動動圈式儀表；使用十分方便，所以常被用作測量爐子、管道內(nèi)的氣體或液體的溫度及固體的表面溫度。

2、測溫范圍廣：下限可達(dá)-270C

，上限可達(dá)1800C以上；

3、各溫區(qū)中的熱電勢均符合國際計量委員會的標(biāo)準(zhǔn)。

4、便于遠(yuǎn)距離測量和多點測量，可測溫度、溫度差或者平均溫度6/6/202311先看一個實驗——熱電偶工作原理演示

熱電極A右端稱為：自由端（參考端、冷端）

熱電偶的工作原理

左端稱為：測量端（工作端、熱端）

熱電極B熱電勢AB6/6/202312從實驗到理論：熱電效應(yīng)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(qiáng)弱與兩個結(jié)點的溫差有關(guān)將兩種不同的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）A、B組合成閉合回路。若兩結(jié)點處溫度不同，則回路中將有電流流動，即回路中有熱電動勢存在。此電動勢的大小除了與材料本身的性質(zhì)有關(guān)以外,還決定于結(jié)點處的溫差，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)或塞貝克效應(yīng)。6/6/202313結(jié)點產(chǎn)生熱電勢的微觀解釋及圖形符號

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(kuò)散現(xiàn)象。自由電子將從密度大的金屬A擴(kuò)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)生熱電勢。

自由電子＋ABeAB（

T）T6/6/202314熱電偶就是根據(jù)此原理設(shè)計制作的將溫差轉(zhuǎn)換為電勢量的熱電式傳感器。熱電效應(yīng)產(chǎn)生的熱電勢是由接觸電勢和溫差電勢兩部分組成的。6/6/202315（一）接觸電勢產(chǎn)生原因：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(kuò)散現(xiàn)象。自由電子將從密度大的金屬A擴(kuò)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)Tk：波爾茲曼常數(shù)；e：單位電荷電量；nA、nB：溫度為T時,導(dǎo)體A、B的自由電子密度。6/6/202316（二）溫差電動勢溫度標(biāo)志著物質(zhì)內(nèi)部大量分子無規(guī)則運(yùn)動的劇烈程度。溫度越高，表示物體內(nèi)部分子熱運(yùn)動越劇烈。模擬圖：在一個密閉的空間里，氣體分子在高溫時的運(yùn)動速度比低溫時快！溫度的影響6/6/202317定義：同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電勢——溫差電動勢同一導(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,形成一個靜電場，該靜電場阻止電子繼續(xù)向低溫端遷移，最后達(dá)到動態(tài)平衡。因此，在導(dǎo)體兩端便形成溫差電勢，公式：為湯姆遜系數(shù)，表示導(dǎo)體兩端溫度為1攝氏度時產(chǎn)生的溫差電勢。6/6/202318熱電偶回路的熱電勢熱電偶回路中總的熱電勢應(yīng)是接觸電勢與溫差電勢之和。EAB（T，T0）=eAB（T）+eB（T，T0）-eAB（T0）-eA（T，T0）經(jīng)實踐證明，在熱電偶中起主要作用的是接觸電動勢，溫差電動勢只占極小部分?？梢院雎圆挥嫞?/6/202319——有關(guān)熱電偶熱電勢的討論熱電偶兩結(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

）當(dāng)熱電偶兩電極材料固定后，熱電動勢便是兩接點溫度為T和T0時的函數(shù)差：6/6/202320對于已選定的熱電偶,當(dāng)參考端溫度T0恒定時,EAB(T0)為常數(shù),則總的熱電動勢就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)系,即熱電勢大致與兩個結(jié)點的溫差Δt

成正比6/6/202321二、有關(guān)熱電偶的幾點結(jié)論規(guī)定：ＥAB(T,T0)的含義，按位置順序A表示熱電偶正極；B表示負(fù)極T表示測量端溫度；T0表示冷端溫度；符號變化，位置規(guī)定的含義不變。ＥAB(T,T0)=-EBA(T,T0)=-EAB(T0,T)解釋：當(dāng)nA>nB,A為正極，B為負(fù)極。腳注AB的順序表示電動勢的方向。當(dāng)腳注順序改變時，電動勢前面的符號（＋、－）隨之改變。6/6/2023221）熱電勢的大小僅與材料的性質(zhì)及其兩端點的溫度有關(guān)，而與熱電偶的形狀、大小無關(guān)。燒斷的熱電偶可重新焊接，用于測溫。2）如果構(gòu)成熱電偶的兩個熱電極為材料相同的均質(zhì)導(dǎo)體，則無論兩結(jié)點溫度如何，熱電偶回路內(nèi)的總熱電勢為零——均質(zhì)導(dǎo)體定律必須采用兩種不同的材料作為熱電極?！邷夭铍妱觿葜徽紭O小部分6/6/2023233）如果熱電偶兩結(jié)點溫度相等t=t0，熱電偶回路內(nèi)的總電勢亦為零。4）熱電偶AB的熱電勢與A、B材料的中間溫度無關(guān)，只與結(jié)點溫度有關(guān)。5）中間導(dǎo)體定律利用熱電偶進(jìn)行測溫,必須在回路中引入連接導(dǎo)線和儀表,接入導(dǎo)線和儀表后會不會影響回路中的熱電勢呢？6/6/202324熱電偶定律1、中間導(dǎo)體定律利用熱電偶進(jìn)行測溫,必須在回路中引入連接導(dǎo)線和儀表,接入導(dǎo)線和儀表后會不會影響回路中的熱電勢呢？中間導(dǎo)體定律：在熱電偶測溫回路內(nèi),接入第三種導(dǎo)體C,只要其兩端溫度相同,則對回路的總熱電勢沒有影響。6/6/202325證明:中間導(dǎo)體定律由于溫差電勢可忽略不計,則回路中的總熱電勢等于各接點的接觸電勢之和EABC(T,T0)=eAB(T)+eBC(T0)+eCA(T0)（*）當(dāng)T=T0時,有EABC(T0)=eAB(T0)+eBC(T0)+eCA(T0)=0由此得eAB(T0)＝-eBC(T0)-eCA(T0)=0代入（*）式ＥABC(T,T0)=eAB(T)-eAB(T0)=eAB(T,T0)

同理,加入第四、第五種導(dǎo)體后,只要加入的導(dǎo)體兩端溫度相等,同樣不影響回路中的總熱電勢。

6/6/202326利用熱電偶測溫時，連接導(dǎo)線和顯示儀表等均可看成中間導(dǎo)體。根據(jù)中間導(dǎo)體定律只要保證連接導(dǎo)線和顯示儀表各自兩端的溫度相同，則對熱電偶的熱電勢沒有影響。因此中間導(dǎo)體定律對熱電偶的實際應(yīng)用有十分重要的意義。圖利用中間導(dǎo)體定律制成開路電偶測量金屬和金屬壁面的溫度。根據(jù)此定律，除可在熱電偶測溫回路中接入各種類型的顯示儀表或調(diào)節(jié)器外，也可以推廣到對液態(tài)金屬材料和固態(tài)金屬材料表面的溫度測量，如圖所示。有時為了提高測量精度，或者為了使用上的方便，將熱電極A和B直接插入液態(tài)金屬或焊在固體金屬表面上。例如，用熱電偶連續(xù)測量鐵水的溫度就是這樣的。在連續(xù)測量過程中，熱電極不斷地被鐵水熔掉，而根據(jù)這個定律，就不需要先焊接了。

6/6/2023272、中間溫度定律熱電偶T與T0之間若有一溫度Tn，熱電偶的熱電動勢ＥAB(T,T0)可以用ＥAB(T,Tn)與ＥAB(Tn,T0)的和來表示。證明中間溫度定律為熱電偶分度表的制定和使用奠定了基礎(chǔ)。6/6/2023283、參考電極定律當(dāng)結(jié)點溫度為t,t0時，用導(dǎo)體A，B組成的熱電偶的熱電動勢等于AC熱電偶和CB熱電偶的熱電動勢的代數(shù)和。如圖，導(dǎo)體A、B分別與標(biāo)準(zhǔn)電極C組成熱電偶，若它們所產(chǎn)生的熱電動勢為已知，即那么，導(dǎo)體A與B組成的熱電偶，其熱電動勢可由下式求得：6/6/202329參考電極定律是一個極為實用的定律純金屬的種類很多，合金類型更多。要得出這些金屬之間組合而成熱電偶的熱電動勢，工作量極大。由于鉑的物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，熔點高，易提純，所以，通常選用高純鉑絲作為標(biāo)準(zhǔn)電極，只要測得各種金屬與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢表4-2，則各種金屬之間相互組合而成的熱電偶的熱電動勢可直接計算。例如：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，考銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為-4.0mV；則鎳鉻和考銅組合成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢：2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV用于制造鉑熱電偶的各種鉑熱電偶絲6/6/202330三、熱電偶冷端溫度補(bǔ)償熱電效應(yīng)的原理可知，熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢與兩端溫度有關(guān)。只有將冷端的溫度恒定，熱電動勢才是熱端溫度的單值函數(shù)。必要性：1、用熱電偶的分度表查毫伏數(shù)-溫度時，必須滿足t0=0C的條件。在實際測溫中，冷端溫度常隨環(huán)境溫度而變化，這樣t0不但不是0C，而且也不恒定，因此將產(chǎn)生誤差。2、一般情況下，冷端溫度均高于0C，熱電勢總是偏小。應(yīng)想辦法消除或補(bǔ)償熱電偶的冷端損失。6/6/202331A、冷端冰浴法（0℃恒溫器）將熱電偶的冷端置于溫度為0℃的恒溫器內(nèi)(如冰水混合物)，使冷端溫度處于0℃。這種裝置通常用于實驗室或精密的溫度測量。在冰杯中，冰水混合物的溫度能較長時間地保持在0C不變。6/6/202332B、冷端恒溫法將熱電偶的冷端置于各種恒溫器內(nèi)，使之保持溫度恒定，避免由于環(huán)境溫度的波動而引入誤差。這類恒溫器可以是盛有變壓器油的容器，利用變壓器油的熱惰性恒溫；也可以是電加熱的恒溫器。這類恒溫器的溫度不為0℃，故最后還需對熱電偶進(jìn)行冷端溫度修正。

1—被測流體管道2—熱電偶3—接線盒4—補(bǔ)償導(dǎo)線5—銅質(zhì)導(dǎo)線6—毫伏表7—恒溫器8—混合物9—試管10—新冷端6/6/202333冷端溫度的修正計算當(dāng)熱電偶的冷端溫度t0≠0℃時，由于熱端與冷端的溫差隨冷端的變化而變化，所以測得的熱電勢EAB（t，t0）與冷端為0℃時所測得的熱電勢EAB（t，0℃）不等。若冷端溫度高于0℃，則EAB（t，t0）<EAB（t，0℃）。下式計算并修正測量誤差：EAB（t，0）=EAB（t，t0）+EAB（t0，0）EAB(t，0)為熱電偶熱端溫度為t，冷端溫度為0℃時的熱電動勢；EAB(t，t0)為熱電偶熱端溫度為t，冷端溫度為t0時的熱電動勢；EAB(t0，0)為熱電偶熱端溫度為t0，冷端溫度為0℃時的熱電動勢。6/6/202334例：用鎳鉻-鎳硅熱電偶測爐溫，當(dāng)冷端溫度為30℃(且為恒定時)，測出熱端溫度為t時的熱電動勢為39.17mV，求爐子的真實溫度。6/6/202335由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表查出E(30，0)=1.203mV根據(jù)公式計算出再通過分度表查出其對應(yīng)的實際溫度為：t=977℃6/6/202336C機(jī)械調(diào)零法在精度要求不高的場合，可將動圈儀表的機(jī)械零點調(diào)至熱電偶冷端所處的溫度T0處。6/6/202337電橋補(bǔ)償法電橋補(bǔ)償法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓來自動補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢變化值，可購買與被補(bǔ)償熱電偶對應(yīng)型號的補(bǔ)償電橋。

XT-WBC熱電偶端補(bǔ)償器6/6/202338（一）補(bǔ)償導(dǎo)線法采用相對廉價的補(bǔ)償導(dǎo)線，可延長熱電偶的冷端，使之遠(yuǎn)離高溫區(qū)；可節(jié)約大量貴金屬；易彎曲，便于敷設(shè)。所謂補(bǔ)償導(dǎo)線：實際上是一對材料化學(xué)成分不同的導(dǎo)線，在0～100℃溫度范圍內(nèi)與配接的熱電偶有一致的熱電特性，但價格相對要便宜。若利用補(bǔ)償導(dǎo)線，將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的場所(如儀表室)，其實質(zhì)是相當(dāng)于將熱電極延長。6/6/202339補(bǔ)償導(dǎo)線型號書p70表4－36/6/202340補(bǔ)償導(dǎo)線外形A’B’屏蔽層保護(hù)層6/6/202341在使用延長線時的應(yīng)注意以下幾方面：

①各種延長線只能與相應(yīng)型號的熱電偶配用，而且必須在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)使用；②注意極性，不能接反，否則會造成更大的誤差；③延長線與熱電偶連接的兩個結(jié)點，其溫度必須相同。6/6/202342第三節(jié)熱電偶的種類及結(jié)構(gòu)

八種國際通用熱電偶：

B:鉑銠30—鉑銠6

、R:鉑銠13—鉑、S:鉑銠10—鉑、

K:鎳鉻—鎳硅、N:鎳鉻硅—鎳硅、E:鎳鉻—銅鎳、

J:鐵—銅鎳、

T:銅—銅鎳

用于制造鉑熱電偶的各種鉑熱電偶絲6/6/202343幾種常用熱電偶的測溫范圍及熱電勢

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)-270～1370C41.276E鎳鉻－銅鎳(康銅)－270～800C——?5種熱電偶的測溫范圍與熱電勢各有什么特點？6/6/202344熱電偶的分度表

——熱電偶的線性較差，多數(shù)情況下采用查表法我國從1991年開始采用國際計量委員會規(guī)定的“1990年國際溫標(biāo)”（簡稱ITS-90）的新標(biāo)準(zhǔn)。按此標(biāo)準(zhǔn)，制定了相應(yīng)的分度表，并且有相應(yīng)的線性化集成電路與之對應(yīng)。

直接從熱電偶的分度表查溫度與熱電勢的關(guān)系時的約束條件是：自由端（冷端）溫度必須為0C。

本教材p41的表4－1列出了工業(yè)中常用的熱電偶如鎳鉻-鎳硅（K）的分度表。6/6/202345普通裝配型熱電偶的外形安裝螺紋安裝法蘭6/6/202346普通裝配型熱電偶的

結(jié)構(gòu)放大圖