熱電偶傳感器（第7、8課時(shí)）

學(xué)習(xí)目標(biāo)與任務(wù)

1.了解熱電偶的工作原理與結(jié)構(gòu)類型；

2.了解熱電偶的型號(hào)構(gòu)成及選用方法；

3.掌握普通熱電偶的基本使用方法；

4.了解常見(jiàn)熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)的組成與功能；熱電偶傳感器認(rèn)識(shí)熱電偶

熱電偶溫度傳感器通過(guò)連接導(dǎo)線與顯示儀表相連接組成測(cè)溫系統(tǒng)。1普通型熱電偶本體是熱電極，絕緣套，保護(hù)套管，接線端子。熱電偶通常由熱電極、絕緣管、保護(hù)套管等幾個(gè)主要部分組成，其常見(jiàn)外形結(jié)構(gòu)如圖所示。安裝螺紋安裝法蘭1、普通工業(yè)裝配式熱電偶常用熱電偶的結(jié)構(gòu)普通工業(yè)用裝配式熱電偶工業(yè)用裝配式熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖接線盒保險(xiǎn)套管絕緣套管熱電偶絲普通裝配型熱電偶的

結(jié)構(gòu)放大圖

接線盒引出線套管

固定螺紋

（出廠時(shí)用塑料包裹）熱電偶工作端（熱端）

不銹鋼保護(hù)管

2、鎧裝熱電偶的結(jié)構(gòu)

鎧裝熱電偶的制造工藝：把熱電極材料與高溫絕緣材料預(yù)置在金屬保護(hù)管中、運(yùn)用同比例壓縮延伸工藝、將這三者合為一體，制成各種直徑、規(guī)格的鎧裝偶體，再截取適當(dāng)長(zhǎng)度、將工作端焊接密封、配置接線盒即成為柔軟、細(xì)長(zhǎng)的鎧裝熱電偶。

鎧裝熱電偶特點(diǎn)：內(nèi)部的熱電偶絲與外界空氣隔絕，有著良好的抗高溫氧化、抗低溫水蒸氣冷凝、抗機(jī)械外力沖擊的特性。鎧裝熱電偶可以制作得很細(xì)，能解決微小、狹窄場(chǎng)合的測(cè)溫問(wèn)題，且具有抗震、可彎曲、超長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。(2)鎧裝熱電偶鎧裝熱電偶結(jié)構(gòu)鎧裝型熱電偶外形法蘭鎧裝型熱電偶可長(zhǎng)達(dá)上百米薄壁金屬保護(hù)套管（鎧體）

BA絕緣材料鎧裝型熱電偶橫截面薄膜熱電偶由兩種金屬薄膜連接而成。

1）特點(diǎn)：微小面積上的溫度測(cè)量；動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，可測(cè)瞬變的表面溫度。

2)應(yīng)用：

(1)如將熱電極材料直接蒸鍍到被測(cè)表面，可測(cè)微秒級(jí)變化的溫度。

(2)如制成針狀，針尖為熱端，可測(cè)量點(diǎn)的溫度隔爆型熱電偶

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：隔爆熱電偶的接線盒在設(shè)計(jì)時(shí)采用防爆的特殊結(jié)構(gòu)，它的接線盒是經(jīng)過(guò)壓鑄而成的，有一定的厚度、隔爆空間，機(jī)構(gòu)強(qiáng)度較高；采用螺紋隔爆接合面，并采用密封圈進(jìn)行密封，因此，當(dāng)接線盒內(nèi)一旦放弧時(shí)，不會(huì)與外界環(huán)境的危險(xiǎn)氣體傳爆，能達(dá)到預(yù)期的防爆、隔爆效果。

使用場(chǎng)合：工業(yè)用的隔爆型熱電偶多用于化學(xué)工業(yè)自控系統(tǒng)中（由于在化工生產(chǎn)廠、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)常伴有各種易燃、易爆等化學(xué)氣體或蒸汽，如果用普通熱電偶則非常不安全、很容易引起環(huán)境氣體爆炸）。隔爆型熱電偶外形厚壁保護(hù)管壓鑄的接線盒電纜線其他熱電偶外形小形K型熱電偶

八種國(guó)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幾種常用熱電偶的測(cè)溫范圍及熱電勢(shì)

分度號(hào)

名稱

測(cè)量溫度范圍

1000

C熱電勢(shì)/mVB鉑銠30－鉑銠650～1820

C4.834R鉑銠13—鉑-50～1768

C10.506S鉑銠10—鉑-50～1768

C9.587K鎳鉻－鎳鉻

(鋁)-270～1370

C41.276E鎳鉻－銅鎳(康銅)－270～800

C——先看一個(gè)實(shí)驗(yàn)——熱電偶工作原理演示

結(jié)論：當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度不相同時(shí)，回路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。熱電極A右端稱為：自由端（參考端、冷端）左端稱為：測(cè)量端（工作端、熱端）熱電極B熱電勢(shì)AB上述現(xiàn)象稱為熱電現(xiàn)象，1821年賽貝克發(fā)現(xiàn)的，也稱賽貝克效應(yīng)熱電偶的工作原理（1）補(bǔ)償導(dǎo)線法由于受到材料價(jià)格的限制不可能做很長(zhǎng)，而要使其冷端不受測(cè)溫對(duì)象的溫度影響，必須使冷端遠(yuǎn)離溫度對(duì)象，采用補(bǔ)償導(dǎo)線可以做到這一點(diǎn)。所謂補(bǔ)償導(dǎo)線，實(shí)際上是一對(duì)材料化學(xué)成分不同的導(dǎo)線，在0～150℃溫度范圍內(nèi)與配接的熱電偶有一致的熱電特性，但價(jià)格相對(duì)要便宜。型號(hào)配用熱電偶正-負(fù)導(dǎo)線外皮顏色正-負(fù)SC鉑銠10-鉑紅-綠KC鎳鉻-鎳硅紅-藍(lán)WC5/26鎢錸5-鎢錸26

紅-橙補(bǔ)償導(dǎo)線在0～150

C范圍內(nèi)的熱電勢(shì)與配套的熱電偶的熱電勢(shì)相等，所以不影響測(cè)量精度。熱電偶的冷端補(bǔ)償補(bǔ)償導(dǎo)線外形

A’B’屏蔽層保護(hù)層(2)冰浴法

冷端用冰水混合物或0℃恒溫器保持在0℃。這種方法可避免校正的麻煩,但使用不便,多在實(shí)驗(yàn)室中使用。適用于實(shí)驗(yàn)室中的精確測(cè)量和檢定熱電偶時(shí)使用。熱電偶的基本定律—中間導(dǎo)體定律根據(jù)中間導(dǎo)體定律,用開(kāi)路熱電偶對(duì)液態(tài)金屬和金屬壁面測(cè)溫。3.中間溫度定律

接點(diǎn)溫度為(T,T0)時(shí)的熱電勢(shì)等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度為(T,Tn)和(Tn,T0)時(shí)相應(yīng)熱電勢(shì)的代數(shù)和。其中,Tn稱為中間溫度。

圖10-6熱電偶中間溫度定律示意圖熱電偶的基本定律—中間溫度定律EAB(T,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)

中間溫度定律為制定熱電偶的分度表奠定了理論基礎(chǔ)。熱電偶分都表都是以冷端溫度為0℃時(shí)作出的。從分度表(見(jiàn)于各種傳感器使用手冊(cè))查出參考端為0℃時(shí)的熱電勢(shì),即可求得參考端溫度不為0℃時(shí)的熱電勢(shì)。同理,以導(dǎo)體A’和B’分別替代導(dǎo)體A和B時(shí),有

該式為補(bǔ)償導(dǎo)線的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。熱電偶的基本定律—中間溫度定律熱電偶的基本定律—中間溫度定律

一般工程測(cè)量中冷端都不為零(任一恒定值),因此只要測(cè)出熱端冷端的熱電勢(shì),便可利用熱電偶分度表求出被測(cè)工作端的實(shí)際溫度。2)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(huì)影響熱電偶回路的總熱電動(dòng)勢(shì)。TT0V1)均質(zhì)導(dǎo)體定律由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的橫截面積、長(zhǎng)度以及溫度分布如何均不產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)。熱電偶測(cè)溫基本定律3)參考電極定律兩種導(dǎo)體A,B分別與參考電極C組成熱電偶，如果他們所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)為已知，A和B兩極配對(duì)后的熱電動(dòng)勢(shì)可用下式求得：4)中間溫度定律熱電偶在兩接點(diǎn)溫度t、t0時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度為t、tn和tn、t0時(shí)的相應(yīng)熱電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和。中間溫度定律可以用下式表示：

設(shè)冷端為0

C，根據(jù)以下電路中的毫伏表的示值及K熱電偶的分度表，查出熱端的溫度tx

。如何由熱電偶的熱電勢(shì)查熱端溫度值K熱電偶的分度表

比較查出的3個(gè)熱電勢(shì)，可以看出熱電勢(shì)是否線性？熱電偶的應(yīng)用及配套儀表

由于我國(guó)生產(chǎn)的熱電偶均符合ITS-90國(guó)際溫標(biāo)所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，其一致性非常好，所以國(guó)家又規(guī)定了與每一種標(biāo)準(zhǔn)熱電偶配套的儀表，它們的顯示值為溫度，而且均已線性化。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)圈式顯示儀表命名為XC系列。有指示型（XCZ）和指示調(diào)節(jié)型（XCT）等系列品種。與K型熱電偶配套的動(dòng)圈儀表型號(hào)為XCZ-101或XCT-101等。數(shù)字式儀表也有指示型（XMZ）和指示調(diào)節(jié)型（XMT）等幾種系列品種。

XCZ系列指針式顯示儀表

XC系列動(dòng)圈式儀表測(cè)量機(jī)構(gòu)的核心部件是一個(gè)磁電式毫伏計(jì)。動(dòng)圈式儀表與熱電偶配套測(cè)溫時(shí)，熱電偶、連接導(dǎo)線（補(bǔ)償導(dǎo)線）、調(diào)整電阻和顯示儀表組成了一個(gè)閉合回路。

1—熱電偶2—補(bǔ)償導(dǎo)線3—冷端補(bǔ)償器4—外接調(diào)整電阻5—銅導(dǎo)線6—?jiǎng)尤?—張絲8—磁鋼（極靴）

9—指針

10—刻度面板

XMZ系列智能數(shù)字顯示儀表

特點(diǎn)：

1、帶冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償；

2、單片機(jī)智能化設(shè)計(jì)，儀表零點(diǎn)、量程等全部參數(shù)可按鍵設(shè)定；

3、具有軟件校驗(yàn)功能，可通過(guò)按鍵對(duì)儀表進(jìn)行校準(zhǔn)；

4、具有超量程指示、斷線指示等故障自診斷功能；

5、采用開(kāi)關(guān)電源，電壓適應(yīng)范圍寬，儀表體積小、重量輕。

6、220VAC或24VDC供電電源。XMT系列熱電偶智能數(shù)字顯示控制儀表的特點(diǎn)帶冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償；具有超量程指示、斷線指示等故障自診斷功能；雙屏顯示、副屏顯示內(nèi)容可設(shè)定；最多可帶4路報(bào)警控制繼電器輸出；每個(gè)報(bào)警控制點(diǎn)的回差可設(shè)定；每個(gè)報(bào)警控制點(diǎn)的報(bào)警方式（上限報(bào)警或下限報(bào)警）可分別設(shè)定。DDZ－Ⅲ型電動(dòng)單元組合

儀表中的變送單元之一：軌裝式溫度變送器

它能將熱電偶（或熱電阻）的輸入信號(hào)線性地轉(zhuǎn)換成與溫度成比例的電流（電壓）信號(hào)，供給顯示、控制儀表及計(jì)算機(jī)集散系統(tǒng)，廣泛用于冶金、石油化工、熱電站、紡織、造紙等行業(yè)的測(cè)溫控制系統(tǒng)中。

請(qǐng)將右圖各有關(guān)設(shè)備正確地連接起來(lái)，組成熱電偶測(cè)溫、控溫電路。黃綠紅L1

L2

L3

接大地銅排接零熱電偶輸出端電爐如何根據(jù)常用電路設(shè)備的要求接線380V線圈的交流接觸器連接過(guò)程

當(dāng)溫度控制器測(cè)得的溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，5-6兩端開(kāi)路，交流接觸器失電，電爐回路被切斷。接大地銅排黃綠紅L1

L2

L3

電爐接零“3”端接何處熱電偶220V線圈的交流接觸器連接過(guò)程LLL123

當(dāng)溫度控制器測(cè)得的溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，5-6兩端開(kāi)路，交流接觸器失電，電爐回路被