理解熱電偶的工作原理

1、2020/8/8,1,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。,2020/8/8,2,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)則運動的劇烈程度。溫度越高，表示物體內(nèi)部分子熱運動越劇烈。,模擬圖：在一個密閉的空間里，氣體分子在高溫時的運動速度比低溫時快！,低溫,高溫,2020/8/8,3,二、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)

2、等。,2020/8/8,4,幾種溫標(biāo)的對比,正常體溫為37 C ，相當(dāng)于華氏溫度多少度？,2020/8/8,5,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,2020/8/8,6,三、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。,2020/8/8,7,介紹幾種溫度測量方法,示溫涂料（變色

3、涂料）,裝滿熱水后圖案變得清晰可辨,2020/8/8,8,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,2020/8/8,9,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,2020/8/8,10,紅外溫度計,2020/8/8,11,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、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,2020/8/8,12,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,A,B,2020/8/8,13,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)。,202

5、0/8/8,14,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,A,B,eAB（ T ）,T,2020/8/8,15,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。,2020/8/8,16,（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

6、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：,k：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。,2020/8/8,17,（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)則運動的劇烈程度。溫度越高，表示物體內(nèi)部分子熱運動越劇烈。 模擬圖：在一個密閉的空間里，氣體分子在高溫時的運動速度比低溫時快！,溫度的影響,2020/8/8,18,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

7、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。,2020/8/8,19,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?2020/8/8,20,有關(guān)熱電偶熱電勢的討論,熱電

8、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t 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：,2020/8/8,21,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t 成正比,2020/8/8,22,二、有關(guān)熱電偶的幾點結(jié)論,規(guī)定：AB(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。 AB

9、(T,T0)=-EBA(T,T0)=-EAB(T0,T) 解釋：當(dāng)nAnB,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。,2020/8/8,23,1）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。,溫差電動勢只占極小部分,2020/8/8,24,3）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A

10、B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？,2020/8/8,25,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。,2020/8/8,26,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(

11、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 ABC(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。,2020/8/8,27,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

12、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。,2020/8/8,28,2、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AB(T,T0)可以用AB(T,Tn)與AB(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

13、基礎(chǔ)。,2020/8/8,29,3、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：,2020/8/8,30,參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

14、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,2020/8/8,31,三、熱電偶冷端溫度補償,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，

15、 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)想辦法消除或補償熱電偶的冷端損失 。,2020/8/8,32,A、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。,2020/8/8,33,B、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

16、修正。,1被測流體管道 2熱電偶 3接線盒 4補償導(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,2020/8/8,34,冷端溫度的修正計算,當(dāng)熱電偶的冷端溫度t00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

17、，0)為熱電偶熱端溫度為t0，冷端溫度為0時的熱電動勢。,2020/8/8,35,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。,2020/8/8,36,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=977,2020/8/8,37,C 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。,2020/8/8,38,電橋補償法,電橋補償法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓來自動補償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢變

18、化值，可購買與被補償熱電偶對應(yīng)型號的補償電橋。,XT-WBC熱電偶端補償器,2020/8/8,39,（一）補償導(dǎo)線法,采用相對廉價的補償導(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)。 所謂補償導(dǎo)線：實際上是一對材料化學(xué)成分不同的導(dǎo)線，在0100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。,2020/8/8,40,補償導(dǎo)線型號,書p70 表43,2020/8/8,41,補償導(dǎo)線外形,A,B,屏蔽層,保護(hù)層,2020/8/8,42,在使用延長線時的應(yīng)注意以下幾

19、方面：,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； 注意極性，不能接反，否則會造成更大的誤差； 延長線與熱電偶連接的兩個結(jié)點，其溫度必須相同。,2020/8/8,43,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,幾種常用熱電偶的測溫范圍及熱電勢,5種熱電偶的測溫范圍與熱電勢各有什么特點？,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41列出了工業(yè)中常用的熱電偶如鎳鉻-鎳硅（K）的分度表。,2020/8/8,46,普通裝配型熱電偶的外形,安裝螺紋,安裝法蘭,2020/8/8,47,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 （出廠時用塑料包裹）,熱電偶工作端（熱端）,不銹鋼保護(hù)管,2020/8/8