传感器与检测技术第七章课件.ppt

1、2022年年8月月10日星期三日星期三第第7 7章章 热电偶传感器热电偶传感器2022年年8月月10日星期三日星期三7.2 热电偶的材料、结构及种类热电偶的材料、结构及种类27.1 热电偶传感器的工作原理热电偶传感器的工作原理17.3 热电偶的冷端补偿热电偶的冷端补偿32022年年8月月10日星期三日星期三知识目标：知识目标：(1)了解热电偶的材料、结构和种类。了解热电偶的材料、结构和种类。(2)掌握热电偶传感器的工作原理。掌握热电偶传感器的工作原理。(3)掌握热电偶的冷端补偿方法。掌握热电偶的冷端补偿方法。教学目标教学目标技能目标：技能目标：（1 1）能够使用常用仪器检查热电偶传感器性能，判

2、）能够使用常用仪器检查热电偶传感器性能，判别其好坏。别其好坏。（2 2）能够运用所学知识设计制作基本检测单元模块）能够运用所学知识设计制作基本检测单元模块电路。电路。（3 3）能够对制作的模块电路进行简单的测试。）能够对制作的模块电路进行简单的测试。2022年年8月月10日星期三日星期三情感目标：情感目标：（1）养成良好的工作责任心、坚强的意志力和严谨）养成良好的工作责任心、坚强的意志力和严谨的工作作风。的工作作风。（2）具有工作与学习良好的交流与团队合作能力）具有工作与学习良好的交流与团队合作能力。教学重难点教学重难点教学重点：教学重点：热电效应和热电偶的基本定律。热电效应和热电偶的基本定律

3、。教学难点：教学难点：热电偶冷端补偿的常用方法。热电偶冷端补偿的常用方法。2022年年8月月10日星期三日星期三1.它属于自发电型传感器：测量时可以不它属于自发电型传感器：测量时可以不需外加电源，可直接驱动动圈式仪表；需外加电源，可直接驱动动圈式仪表；2.测温范围广：下限可达测温范围广：下限可达-270 C，上限，上限可达可达1800 C以上；以上；3.各温区中的热电势均符合国际计量委员各温区中的热电势均符合国际计量委员会的标准。会的标准。热电偶测温的主要优点热电偶测温的主要优点2022年年8月月10日星期三日星期三先看一个实验先看一个实验热电偶工作原理演示热电偶工作原理演示 6结论：当两个结

4、点温度不相同时，回路中将产生电动势。结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。热电极热电极A A右端称为：右端称为：自由端自由端（参考端、（参考端、冷端）冷端）左端称为：左端称为：测量端测量端（工作端、（工作端、热端）热端）热电极热电极B B热电势热电势AB7.1 热电偶传感器的工作原理热电偶传感器的工作原理2022年年8月月10日星期三日星期三7.1.1 热电效应热电效应热电偶的工作原理是基于物体的热电效应。两种不同的金属导体热电偶的工作原理是基于物体的热电效应。两种不同的金属导体组成闭合电路，用酒精灯加热其中的一个连接点，发现放在回路组成闭合电路，用酒精灯加热其中的一个连接点，发现

5、放在回路中的指南针发生了偏转。如果用两个酒精灯对两个结点同时进行中的指南针发生了偏转。如果用两个酒精灯对两个结点同时进行加热，指南针偏转的角度反而减小，由此可知，闭合电路中存在加热，指南针偏转的角度反而减小，由此可知，闭合电路中存在电动势并且有电流产生，电流的强弱与两结点的温差有关，这种电动势并且有电流产生，电流的强弱与两结点的温差有关，这种现象称为热点效应。两种不同材料的导体所组成的回路称为现象称为热点效应。两种不同材料的导体所组成的回路称为“热热电偶电偶”。组成热电偶的导体称为。组成热电偶的导体称为“热电极热电极”。热电偶所产生的电。热电偶所产生的电动势称为热电动势。热电偶的两个结点中，置

6、于温度为动势称为热电动势。热电偶的两个结点中，置于温度为T的被测的被测对象中的结点称之为测量端，又称为工作端或热端，而置于参考对象中的结点称之为测量端，又称为工作端或热端，而置于参考温度为温度为T0的另一结点称之为冷端，又称自由端或参考端。的另一结点称之为冷端，又称自由端或参考端。2022年年8月月10日星期三日星期三从实验到理论：从实验到理论：热电效应热电效应 1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在回路中的指南针发生偏转（在回

7、路中的指南针发生偏转（说明什么？说明什么？），如果用两盏酒），如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转角反而减小（精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转角反而减小（又说又说明什么？明什么？）。显然，指南针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在显然，指南针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。2022年年8月月10日星期三日星期三热电势主要由温差电势和接触电势组成。热电势主要由温差电势和接触电势组成。1.温差电势温差电势温差电势是由于同一种热电极两端温度不同而产生的一种电温差电势是由于同一种热电极两端温

8、度不同而产生的一种电势。如果两端温度势。如果两端温度tt0时，热电极内的自由电子就会从温度高时，热电极内的自由电子就会从温度高的一端向温度低的一端转移，这样就会有温差电势的产生。的一端向温度低的一端转移，这样就会有温差电势的产生。图图7-2 7-2 温差电势的产生原理温差电势的产生原理2022年年8月月10日星期三日星期三2.接触电势接触电势热电偶回路的总电势主要是由接触电势引起。热电偶回路的总电势主要是由接触电势引起。两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属度不同，在两金属A和和B的接触点处会发生自由电子的的接触

9、点处会发生自由电子的扩散现扩散现象。象。图图7-3 7-3 接触电势的产生原理接触电势的产生原理2022年年8月月10日星期三日星期三热电偶两结点所产生的总的热电势等于热端热电势与冷端热热电偶两结点所产生的总的热电势等于热端热电势与冷端热电势之差，是两个结点的温差电势之差，是两个结点的温差t 的函数：的函数：EAB（t，t0）=EAB（t）-EAB（t 0）式中，式中，EAB（t）为热端的电势（）为热端的电势（V）；）；EAB（t 0）为冷端的电势（）为冷端的电势（V）。）。热电势大致与两个结点的热电势大致与两个结点的温差温差t 成正比成正比2022年年8月月10日星期三日星期三热电偶产生的热

10、电动势由上式可以得出下列结论：热电偶产生的热电动势由上式可以得出下列结论：如果热电偶两电极材料相同，即使两端温度不同如果热电偶两电极材料相同，即使两端温度不同(tt0），但总输），但总输出电动势仍为零。出电动势仍为零。因此必需由两种不同材料才能构成热电偶；因此必需由两种不同材料才能构成热电偶；如果热电偶两结点温度相同如果热电偶两结点温度相同,则回路总的热电动势必然等于零则回路总的热电动势必然等于零,温差温差越大，热电动势越大；越大，热电动势越大；热电动势的大小只与材料和结点温度有关，与热电偶的尺寸形状无热电动势的大小只与材料和结点温度有关，与热电偶的尺寸形状无关。关。2022年年8月月10日星

11、期三日星期三7.1.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律1.均质导体定律均质导体定律由两种均质导体组成的热电偶，其热电势的大小只与两材料由两种均质导体组成的热电偶，其热电势的大小只与两材料及两接点温度有关，与热电偶的大小尺寸、形状、电极各处及两接点温度有关，与热电偶的大小尺寸、形状、电极各处的温度分布无关。的温度分布无关。如果热电偶回路中的两个热电极的材料相同，不管其是否存如果热电偶回路中的两个热电极的材料相同，不管其是否存在温差，热电偶回路中的热电势均为零；如果热电偶回路中在温差，热电偶回路中的热电势均为零；如果热电偶回路中的两个热电极的材料不均匀，则当热电极各处在不同温度时，的两个热电极的

12、材料不均匀，则当热电极各处在不同温度时，热电偶回路中将产生附加热电势，造成测量误差。热电偶回路中将产生附加热电势，造成测量误差。2022年年8月月10日星期三日星期三2.中间导体定律中间导体定律若在热电偶回路中插入中间导体，只要中间导体两端温度相若在热电偶回路中插入中间导体，只要中间导体两端温度相同，则对热电偶回路的总热电动势无影响。这就是中间导体同，则对热电偶回路的总热电动势无影响。这就是中间导体定律。定律。图图7-5 7-5 接入中间导体的热电偶回路接入中间导体的热电偶回路利用热电偶来实际测温时，连接导线、显示仪表和接插件等利用热电偶来实际测温时，连接导线、显示仪表和接插件等均可看成是中间

13、导体，只要保证均可看成是中间导体，只要保证中间导体两端的温度相同中间导体两端的温度相同，则对热电偶的热电动势没有影响。因此中间导体定律对热电则对热电偶的热电动势没有影响。因此中间导体定律对热电偶的实际应用是非常重要的。偶的实际应用是非常重要的。2022年年8月月10日星期三日星期三根据中间导体定律，可以在热电偶回路中接入一个电位计根据中间导体定律，可以在热电偶回路中接入一个电位计E，只要保证电位计与热电偶连接处结点的温度相等，就不会影只要保证电位计与热电偶连接处结点的温度相等，就不会影响到热电偶回路的总电势响到热电偶回路的总电势（a a）冷端接入电位计（）冷端接入电位计（b b）热端与冷端之间

14、接入电位计）热端与冷端之间接入电位计图图7-6 7-6 电位计接入热电偶回路电位计接入热电偶回路2022年年8月月10日星期三日星期三3.中间温度定律中间温度定律 在两种不同热电极材料组成的热电偶回路中，如果热端温度在两种不同热电极材料组成的热电偶回路中，如果热端温度为为t，冷端温度为，冷端温度为t0，中间温度为，中间温度为tn，则热电偶回路的总电势等，则热电偶回路的总电势等于于t与与tn热电势和热电势和tn与与t0热电势的代数和，即热电势的代数和，即AB0ABnABn0(,)(,)(,)Et tEt tEtt（7-2）2022年年8月月10日星期三日星期三4.标准电极定律标准电极定律如图如图

15、7-7所示，当热电偶的热端温度为所示，当热电偶的热端温度为t，冷端温度为，冷端温度为 t0时，用时，用热电极热电极A和热电极和热电极B组成的热电偶回路的总电势等于热电偶组成的热电偶回路的总电势等于热电偶AC的热电势和热电偶的热电势和热电偶CB的热电势的代数和，即的热电势的代数和，即AB0AC0CB0(,)(,)(,)Et tEt tEt t（7-3）图图7-7 7-7 接入标准电极的热电偶回路接入标准电极的热电偶回路2022年年8月月10日星期三日星期三7.2 热电偶的材料、结构及种类热电偶的材料、结构及种类7.2.1 热电偶的材料热电偶的材料八种国际通用热电偶：八种国际通用热电偶：B:铂铑铂

16、铑30铂铑铂铑6、R:铂铑铂铑13铂铂、S:铂铑铂铑10铂铂、K:镍铬镍铬镍硅镍硅、N:镍铬硅镍铬硅镍硅镍硅、E:镍铬镍铬铜镍、铜镍、J:铁铁铜镍铜镍、T:铜铜铜镍铜镍用于制造用于制造铂铂热电偶热电偶的各种的各种铂铂热电偶丝热电偶丝2022年年8月月10日星期三日星期三名 称分度号测温范围/100 时热电势/mV1 000 时的热电势/mV特 点铂铑30-铂铑B501 8200.0334.834 熔点高，测温上限高，性能稳定，准确度高，价格昂贵，热电势小，线性差，只适用于高温域的测量铂铑13-铂R501 7680.64710.506 测温上限较高，准确度高，性能稳定，复现性好，热电势较小，不能

17、在金属蒸汽和还原性气体中使用，在高温下连续使用时其特性会逐渐变坏，价格昂贵，多用于精密测量铂铑10-铂S501 7680.6469.587测温上限较高，准确度高，性能稳定，复现性好，热电势较小，不能在金属蒸汽和还原性气体中使用，在高温下连续使用时其特性会逐渐变坏，价格昂贵，但性能不如R型热电偶，曾经作为国际温标的法定标准电极镍铬-镍硅K2701 3704.09641.276 热电势大，线性好，稳定性好，价格低廉，材质较硬，在高于1 000 时长期使用会引起热电势漂移，多用于工业测量镍铬硅-镍硅N2701 3002.77436.256 一种新型热电偶，各项性能均比K型热电偶好，适用于工业测量镍铬

18、-康铜E2708006.31976.373热电势比K型热电偶高一倍左右，线性好，耐高湿度，价格低廉，但不能用于还原性气体，多用于工业测量铁-康铜J2107605.26957.953 价格低廉，在还原性气体中较稳定，但纯铁易被腐蚀和氧化，多用于工业测量铜-康铜T2704004.279 价格低廉，加工性能好，离散性小，性能稳定，线性好，准确度高，铜在高温时易被氧化，测温上限低，多用于低温域测量，可作为2000 温域的计量标准2022年年8月月10日星期三日星期三我国从我国从1991年开始采用国际计量委员会规定的年开始采用国际计量委员会规定的“1990年国际年国际温标温标”（简称（简称ITS-90）

19、的新标准。按此标准，制定了相应的）的新标准。按此标准，制定了相应的分度表，并且有相应的线性化集成电路与之对应。分度表，并且有相应的线性化集成电路与之对应。热电偶的分度表热电偶的分度表 热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是：是：自由端（冷端）温度必须为自由端（冷端）温度必须为0 C。本教材本教材p112页列出了工业中常用的镍铬页列出了工业中常用的镍铬-镍硅（镍硅（K）热电偶的）热电偶的分度表。分度表。2022年年8月月10日星期三日星期三如何利用热电偶

20、的分度表如何利用热电偶的分度表假设热电偶的冷端温度为假设热电偶的冷端温度为0 C，请根据，请根据本教材本教材p112页表页表7-3镍铬镍铬-镍硅（镍硅（K）热电偶的分度表，查出热电偶的分度表，查出100 C、0 C、100 C 时的热电势。时的热电势。数字式温度表数字式温度表温度上限设定值温度上限设定值温度上限值设定键温度上限值设定键2022年年8月月10日星期三日星期三K K热电偶的分热电偶的分度表度表 比较比较查出的查出的3 3个个热电势，热电势，可以看出可以看出热电势是热电势是否否线性？线性？2022年年8月月10日星期三日星期三如何由热电偶的热电势查热端温度值 设冷端为设冷端为0 C，

21、根据以下电路中的毫伏表的，根据以下电路中的毫伏表的示值示值及及K热电偶的热电偶的分度表分度表，查出，查出热端的温度热端的温度tx。2022年年8月月10日星期三日星期三2022年年8月月10日星期三日星期三7.2.2 热电偶的结构及种类热电偶的结构及种类1.装配式热电偶图图7-8 7-8 装配式热电偶的结构示意图装配式热电偶的结构示意图1 1接线柱；接线柱；2 2接线座；接线座；3 3绝缘套管；绝缘套管；4 4热电极热电极2022年年8月月10日星期三日星期三普通装配型热电偶的外形安装安装螺纹螺纹安装安装法兰法兰2022年年8月月10日星期三日星期三普通装配型热电偶的结构放大图 接线盒引出线套

22、管引出线套管 固定螺纹固定螺纹 （出厂时用塑料包裹）（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）热电偶工作端（热端）不锈钢不锈钢保护管保护管 2022年年8月月10日星期三日星期三2.铠装式热电偶铠装式热电偶(a)碰底型碰底型 (b)不碰底型不碰底型 (c)露头型露头型 (d)帽型帽型图图7-9 铠装式热电偶断面的结构示意图铠装式热电偶断面的结构示意图1金属套管；金属套管；2绝缘材料；绝缘材料；3热电极热电极2022年年8月月10日星期三日星期三铠装型热电偶外形法兰法兰29铠装型热电偶可铠装型热电偶可 长达上百米长达上百米薄壁金属薄壁金属 保护套管保护套管（铠体）（铠体）BA绝缘绝缘 材料材料铠装

23、型热电偶铠装型热电偶横截面横截面2022年年8月月10日星期三日星期三3.快速反应薄膜热电偶快速反应薄膜热电偶图图7-10 快速反应薄膜热电偶的结构示意图快速反应薄膜热电偶的结构示意图1热电极；热电极；2热端结点；热端结点；3绝缘基板；绝缘基板；4引出线引出线2022年年8月月10日星期三日星期三快速反应薄膜热电偶快速反应薄膜热电偶2022年年8月月10日星期三日星期三其他热电偶外形小形K型热电偶2022年年8月月10日星期三日星期三7.3 热电偶的冷端补偿热电偶的冷端补偿1.用热电偶的分度表查毫伏数用热电偶的分度表查毫伏数-温度时，必须满足温度时，必须满足t0=0 C的条的条件。在实际测温中

24、，冷端温度常随环境温度而变化，这样件。在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化，这样t0不不但不是但不是0 C，而且也不恒定，而且也不恒定，因此将产生误差。因此将产生误差。2.一般情况下，冷端温度均高于一般情况下，冷端温度均高于0 C，热电势总是偏小。应，热电势总是偏小。应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失想办法消除或补偿热电偶的冷端损失。必要性：必要性：2022年年8月月10日星期三日星期三图7-11 补偿导线法的接线图7.3.1 补偿导线法补偿导线法2022年年8月月10日星期三日星期三采用相对采用相对廉价廉价的补偿导线，可的补偿导线，可延长热电偶的延长热电偶的冷端冷端，使之远离，使之远离高

25、温区；可节约大量贵金属；易弯曲，便于敷设。高温区；可节约大量贵金属；易弯曲，便于敷设。补偿导线在补偿导线在0100 C范围内的热电势与配套的热电偶的热电范围内的热电势与配套的热电偶的热电势势相等相等，所以，所以不影响不影响测量精度。测量精度。型号型号配用热电偶配用热电偶正正负负导线外皮颜导线外皮颜色色正正负负100 时的热时的热电势电势/mVRC铂铑铂铑13-铂铂红红绿绿0.647NC镍铬硅镍铬硅-镍硅镍硅红红黄黄2.744EX镍铬镍铬-康铜康铜红红棕棕6.319JX铁铁-康铜康铜红红紫紫5.264TX铜铜-康铜康铜红红白白4.2792022年年8月月10日星期三日星期三7.3.2 冷端恒温法

26、冷端恒温法冷端恒温法常用在以下三种情况中：冷端恒温法常用在以下三种情况中：（3）将热电偶的冷端置于恒温的空调房间中，使冷端温度保）将热电偶的冷端置于恒温的空调房间中，使冷端温度保持恒定。持恒定。（2）将热电偶的冷端置于电热恒温器中，恒温器的温度要略）将热电偶的冷端置于电热恒温器中，恒温器的温度要略高于环境温度的上限。高于环境温度的上限。（1）将热电偶的冷端置于放有冰水混合物的冰瓶中，使冷端）将热电偶的冷端置于放有冰水混合物的冰瓶中，使冷端温度保持温度保持0 不变的方法称为冰浴法，如图不变的方法称为冰浴法，如图7-12所示。采用所示。采用这种方法可以消除冷端温度这种方法可以消除冷端温度t0不等于

27、不等于0 而引起的误差。由于而引起的误差。由于冰融化比较快，因而一般只适合在实验室中使用。冰融化比较快，因而一般只适合在实验室中使用。2022年年8月月10日星期三日星期三冰浴法接线图冰浴法接线图 1 1被测流体管道；被测流体管道；2 2热电偶；热电偶；3 3接线盒；接线盒；4 4补偿导线；补偿导线；5 5铜质导线；铜质导线；6 6毫伏表；毫伏表；7 7冰瓶；冰瓶；8 8冰水混合物；冰水混合物；9 9试管；试管；1010新的冷端新的冷端 2022年年8月月10日星期三日星期三冰浴法38 在冰瓶中，冰水混合物的温在冰瓶中，冰水混合物的温度能较长时间地保持在度能较长时间地保持在0 0 C C不变。

28、不变。2022年年8月月10日星期三日星期三7.3.3 计算修正法计算修正法 当热电偶的冷端温度当热电偶的冷端温度t t0 0 0 0 C C时，由于热端与冷端的温差随时，由于热端与冷端的温差随冷端的变化而变化，所以测得的热电势冷端的变化而变化，所以测得的热电势E EABAB（t t，t t0 0）与冷端为）与冷端为0 0 C C时所测得的热电势时所测得的热电势E EABAB（t t，0 0 C C）不等。若冷端温度高于）不等。若冷端温度高于0 0 C C，则则E EABAB（t t，t t0 0）E EABAB（t t，0 0 C C）。可以利用下式计算并修正测量）。可以利用下式计算并修正测

29、量误差：误差：2022年年8月月10日星期三日星期三例例7-1 用镍铬用镍铬-镍硅（镍硅（K型）热电偶测炉温时，冷端温度型）热电偶测炉温时，冷端温度t0=30，用测温毫伏表测得的热电势用测温毫伏表测得的热电势EAB（t，30）=38.505 mV，试求炉温。试求炉温。解解 查表查表7-3得得EAB（30，0）=1.203 mV。根据式（。根据式（7-4）可）可得得EAB（t，0）=EAB（t，30）+EAB（30，0）=（38.505+1.203）mV=39.708 mV查表查表7-3，得到，得到t=960。2022年年8月月10日星期三日星期三7.3.4 电桥补偿法电桥补偿法 电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压来自动补偿热电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值，可购买与被补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值，可购买与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥。电偶对应型号的补偿电桥。XT-WBCXT-WBC热电偶热电偶 冷端冷端补偿器补偿器2022年年8月月10日星期三日星期三图7-13 电桥补偿法的接线图2022年年8月月10日星期三日星期三