第四次课热电偶测温课件.ppt

1、低温低温高温高温第一节第一节 温度检测的基本概念温度检测的基本概念一、一、温度测量的基本温度测量的基本概念概念 温度标志着物温度标志着物质内部大量分子无质内部大量分子无规则运动的剧烈程规则运动的剧烈程度。温度越高，表度。温度越高，表示物体内部分子热示物体内部分子热运动越剧烈。运动越剧烈。模拟图：模拟图：在一个密闭的空间里，气体分在一个密闭的空间里，气体分子在高温时的运动速度比低温时快！子在高温时的运动速度比低温时快！二、温标二、温标 u 1 1、温度的数值表示方法称为温标。温度的数值表示方法称为温标。它规定了温度的读数的起点（即零点）它规定了温度的读数的起点（即零点）以及温度的单位。各类温度计

2、的刻度均以及温度的单位。各类温度计的刻度均由温标确定。由温标确定。u 2 2、国际上规定的温标有：摄氏温标、国际上规定的温标有：摄氏温标、华氏温标、热力学温标等。华氏温标、热力学温标等。几种温标的对比几种温标的对比 正常体温正常体温为为37 C C，相当于华相当于华氏温度多氏温度多少度？少度？热力学温标（热力学温标（K K）热力学温标是热力学温标是建立在热力学第二建立在热力学第二定律基础上的最科定律基础上的最科学的温标，是由开学的温标，是由开尔文（尔文（Kelvin）根）根据热力学定律提出据热力学定律提出来的，因此又称开来的，因此又称开氏温标。它的符号氏温标。它的符号是是T，单位是开尔文，单位

3、是开尔文（K）。威廉威廉汤姆逊汤姆逊开尔文勋爵像开尔文勋爵像1990国际温标国际温标(ITS-90)从从1990年年1月月1日开始在全世界范日开始在全世界范围内采用围内采用1990年国际温标，简称年国际温标，简称ITS-90。它定义了一系列温度的固定点，。它定义了一系列温度的固定点，测量和重现这些固定点的标准仪器以测量和重现这些固定点的标准仪器以及计算公式，例如及计算公式，例如水的三相点为水的三相点为273.16K（0.01 C）等。等。三、温度测量及传感器分类三、温度测量及传感器分类 n 按照按照用途用途可分为基准温度计和工业温度计；可分为基准温度计和工业温度计；n 按照测量方法又可分为按照

4、测量方法又可分为接触式接触式和和非接触式非接触式；n 按工作原理又可分为按工作原理又可分为膨胀式膨胀式、电阻式电阻式、热电热电式式、辐射式辐射式等。等。介绍几种温度测量方法介绍几种温度测量方法 示温涂料（变色涂料）示温涂料（变色涂料）装满热水后图案装满热水后图案变得清晰可辨变得清晰可辨变色涂料在电脑内部温度中的示温作用变色涂料在电脑内部温度中的示温作用CPU散散热风扇热风扇低温时显示低温时显示蓝色蓝色温度升高后变为红色温度升高后变为红色体积体积热膨胀式热膨胀式 不需要电源，耐用；不需要电源，耐用；但感温部件体积较大。但感温部件体积较大。气体的体积与气体的体积与热力学温度成正比热力学温度成正比红

5、外温度计红外温度计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 结论：当两个结点温度不相同时，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（参考端、冷端、冷端）端）第二节第二节 热电偶的工作原理热电偶的工作原理 左端称为：左端称为：测量端测量端（工作（工作端、热端、热端）端）热电极热电极B B热电势热电势AB温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最普温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。遍的传感元件之一。它除具有它除具有结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，结

6、构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号输出信号为电信号便于远传或信号转换等优点外，还能便于远传或信号转换等优点外，还能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。热电偶原理图TT0AB热端冷端E EABAB(T T,T T0 0)=)=E EABAB(T T)-)-E EABAB(T T0 0)=f f(T T)-C=)-C=g g(T T)热电偶的电势可表示为：热电偶的电势可表示为：第三节第三节 标准化热电偶与分度表标准化热电偶与分度表u 热电

7、偶热电极的材料要求：热电偶热电极的材料要求：u 物理性能稳定，热电特性不随时间改变；物理性能稳定，热电特性不随时间改变；u 导电率高，且电阻温度系数小；导电率高，且电阻温度系数小；u 热电势随温度的变化率大，且该变化率接近常数热电势随温度的变化率大，且该变化率接近常数u 复现性好，便于成批生产，便于制造复现性好，便于成批生产，便于制造常用的种标准化热电偶：常用的种标准化热电偶：S型、型、B型、型、K型、型、E型。型。在在t0=0 C时，时，用实验方法测出热电偶在不同的工作用实验方法测出热电偶在不同的工作温度温度下所下所产生的产生的热电势值热电势值，列成表格，就是，列成表格，就是分度表分度表。温

8、度与热电势之间非线性。当自由端温度与热电势之间非线性。当自由端t 0 C时，热电势应由时，热电势应由下式求得下式求得)0,(),()0,(00tEttEtE【例【例3.3】S型热电偶在工作时自由端温度型热电偶在工作时自由端温度t0=30 C，现测得热，现测得热电偶的电势为电偶的电势为7.5mV，求被测介质实际温度。，求被测介质实际温度。解：查解：查S分度表得分度表得mVE173.0)0,30(热电偶测得的电势为热电偶测得的电势为mVtE5.7)30,(则则mVEtEtE673.7173.05.7)0,30()30,()0,(再查再查S分度表得与其对应的实际温度为分度表得与其对应的实际温度为83

9、0 C注意:既不能只按7.5mV查表，认为T=814.6，也不能把814.6加上30，认为T=844.6。第四节第四节 热电偶自由端温度的处理热电偶自由端温度的处理1、补偿导线、补偿导线ABT1T2T2ABT0T0热电偶补偿热电偶补偿导线接线图导线接线图E根据中间温度定律：只要根据中间温度定律：只要T1、T0不变，不变，当在原来热电偶回路当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料中分别引入与导体材料A、B同样同样热电特性热电特性的材料的材料A、B(如图如图)即引入所谓补偿导线时，即引入所谓补偿导线时，接入接入A B 后不管接点温度后不管接点温度T2如何变如何变化，都不影响总热电势。这便是引入补偿导

10、线原理。化，都不影响总热电势。这便是引入补偿导线原理。EAB（T1,T0）=EAB（T1,T2）+EA B（T2,T0）=EAB（T1,T2）+EAB（T2,T0）=EAB（T1,T0）补偿导线可将热电偶延长，使其自由端远离易受环境变化影补偿导线可将热电偶延长，使其自由端远离易受环境变化影响的测温现场，则自由端温度响的测温现场，则自由端温度t0比较稳定。比较稳定。补偿导线用廉价金属代替贵重金属，降低成本。补偿导线用廉价金属代替贵重金属，降低成本。使用补偿导线便于安装和铺设。使用补偿导线便于安装和铺设。使用补偿导线的原因：使用补偿导线的原因：使用补偿导线须注意：使用补偿导线须注意：u 温度范围温

11、度范围0100 Cu 型号匹配型号匹配u 接点处温度相同接点处温度相同u 区分正负区分正负u 补偿导线的作用只是延伸热电偶的自由端，并没有自由补偿导线的作用只是延伸热电偶的自由端，并没有自由端补偿功能。端补偿功能。补偿导线外形补偿导线外形 A B 屏蔽层屏蔽层保护层保护层n 热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0为依据，否为依据，否则会产生误差。则会产生误差。原因：原因：n 热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定出热电势是被测温度的单值函数，

12、必须使冷端温度保持恒定方法u 计算修正法计算修正法u 自由端恒温法自由端恒温法u 自动补偿法自动补偿法u 零点迁移法零点迁移法u 软件处理法软件处理法2、热电偶自由端温度补偿问题、热电偶自由端温度补偿问题(1)计算修正法计算修正法用普通室温计算出参比端实际温度用普通室温计算出参比端实际温度TH，利用公式计算，利用公式计算EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)(2)自由端恒温法自由端恒温法mVABABTCC仪表铜导线试管补偿导线热电偶冰点槽冰水溶液T0把热电偶的参比端把热电偶的参比端置于冰水混合物容置于冰水混合物容器里，使器里，使T0=0。这种办法仅限于科这种办法仅限于科学

13、实验中使用。学实验中使用。工业应用中，把补偿导线的末工业应用中，把补偿导线的末端引至电加热的恒温器中，使端引至电加热的恒温器中，使其维持在某一恒定温度。其维持在某一恒定温度。(3)自动补偿法自动补偿法利用不平衡电桥产生热电势补偿热电偶因冷端温度变化而利用不平衡电桥产生热电势补偿热电偶因冷端温度变化而引起热电势的变化值。引起热电势的变化值。不平衡电桥由不平衡电桥由R1、R2、R3(锰铜丝绕制锰铜丝绕制)、RCu(铜丝绕制铜丝绕制)四个桥臂和桥路电四个桥臂和桥路电源组成。设计时，在源组成。设计时，在0下使电桥平衡下使电桥平衡(R1=R2=R3=RCu)，此时，此时Uab=0，电桥，电桥对仪表读数无

14、影响。对仪表读数无影响。T0 Ua Uab EAB(T,T0)注意：桥臂注意：桥臂RCu必须和热电偶的冷必须和热电偶的冷端靠近，使处于同一温度之下。端靠近，使处于同一温度之下。冷端补偿器的作用 mVEAB(T,T0)T0T0TAB+-abUUabRCuR1R2R3R注意，不同材质的热电偶所配的冷端补偿器，其中的限流电阻注意，不同材质的热电偶所配的冷端补偿器，其中的限流电阻R不一不一样，互换时必须重新调整。样，互换时必须重新调整。供电供电4V直流，在直流，在040或或-2020的范围起补偿作用。的范围起补偿作用。(4)零点迁移法零点迁移法例例:用动圈仪表配合热电偶测温时，如果把仪表的机械零点用动

15、圈仪表配合热电偶测温时，如果把仪表的机械零点调到室温调到室温TH的刻度上的刻度上,在热电动势为零时，指针指示的温度在热电动势为零时，指针指示的温度值并不是值并不是0而是而是TH。而热电偶的冷端温度已是。而热电偶的冷端温度已是TH,则只有当则只有当热端温度热端温度T=TH时，才能使时，才能使EAB(T,TH)=0，这样，指示值就和，这样，指示值就和热端的实际温度一致了。这种办法非常简便，而且一劳永逸热端的实际温度一致了。这种办法非常简便，而且一劳永逸，只要冷端温度总保持在，只要冷端温度总保持在TH不变，指示值就永远正确。不变，指示值就永远正确。应用领域：如果冷端不是应用领域：如果冷端不是0，但十

16、分稳定（如恒温车间或有，但十分稳定（如恒温车间或有空调的场所）。空调的场所）。实质：实质：在测量结果中人为地加一个恒定值在测量结果中人为地加一个恒定值，因为冷端温度稳，因为冷端温度稳定不变，电动势定不变，电动势EAB(TH,0)是常数，利用指示仪表上是常数，利用指示仪表上调整零点调整零点的办法，加大某个适当的值而实现补偿。的办法，加大某个适当的值而实现补偿。指针被预调到室温（指针被预调到室温（40 C）可补偿冷端损失可补偿冷端损失对于计算机系统，不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。例对于计算机系统，不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。例如冷端温度恒定但不为如冷端温度恒定但不为0的情况，只需在采样后加一

17、个的情况，只需在采样后加一个与冷端温度对应的常数即可。与冷端温度对应的常数即可。(5)软件处理法软件处理法【例【例3.4】有一个实际的热电偶测温系统，如下图所示，设有一个实际的热电偶测温系统，如下图所示，设t=300 C，tc=50 C，t0=20 C，求测量回路的总电势以及温度显示求测量回路的总电势以及温度显示仪表的读数。仪表的读数。如果补偿导线为如果补偿导线为普通铜导线普通铜导线，或显示仪表，或显示仪表为配为配E型热电偶的型热电偶的，则测量回路的总电势和温度的显示值又，则测量回路的总电势和温度的显示值又各为多少？各为多少？镍硅镍硅ttcL1L2t0补偿电桥补偿电桥显示仪表显示仪表镍烙镍烙解

18、：解：由题意可知，使用的热电偶的分度号为由题意可知，使用的热电偶的分度号为K型，则回路总电势型，则回路总电势)0,(),(),(00tEttEttEEcKcK补补K型热电偶产型热电偶产生的热电势生的热电势补偿电桥提补偿电桥提供的电势供的电势K型热电偶补偿导型热电偶补偿导线产生的电势线产生的电势由于补偿导线和补偿电桥都是和由于补偿导线和补偿电桥都是和K型热电偶匹配的，回路型热电偶匹配的，回路总电势可写成总电势可写成)0,()0,(),(),(00tEtEttEttEEKKcKcK将将t=300 C代入上式，查表可得代入上式，查表可得E=12.209mV显然，显示仪表的显然，显示仪表的读数应该为读

19、数应该为300 C当补偿导线为铜导线时当补偿导线为铜导线时(显示仪表为配显示仪表为配K型热电偶型热电偶)，则，则EK补补(tc,t0)=0，回路总电势为：，回路总电势为：mVEEtEttEEKKKcK984.10)0798.0()023.2209.12()0,20()50,300()0,(),(0查查K型热电偶分度表可得型热电偶分度表可得t显示显示=270.3 C。当显示仪表为配当显示仪表为配E型热电偶型热电偶(补偿导线接法正确补偿导线接法正确)时，则时，则E补补(t0,0)=EE(t0,0)，回路总电势为：，回路总电势为：mVtEttEttEEEcKcK603.12)0,(),(),(00由

20、于显示仪表是配由于显示仪表是配E型热电偶，因此查型热电偶，因此查E型热电偶分度表型热电偶分度表可得可得t显示显示=188.9 C。在测量中补偿导线的接法不正确或配用的显示仪表型号在测量中补偿导线的接法不正确或配用的显示仪表型号不对等都会引起错误的测量结果。不对等都会引起错误的测量结果。第五节第五节 热电偶的结构形式热电偶的结构形式1、普通热电偶、普通热电偶下图为典型工业用热电偶结构示意图。它由热电偶丝、绝下图为典型工业用热电偶结构示意图。它由热电偶丝、绝缘套管、保护套管以及接线盒等部分组成。实验室用时，缘套管、保护套管以及接线盒等部分组成。实验室用时，也可不装保护套管，以减小热惯性。也可不装保

21、护套管，以减小热惯性。工业热电偶结构示意图1接线盒；2保险套管3绝缘套管4热电偶丝1234普通装配型热电偶的外形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普通普通装配型装配型热电热电偶的结构偶的结构放大图放大图 接线盒接线盒引出线套管引出线套管 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 2、铠装热电偶、铠装热电偶它是由热电偶丝、绝缘材料，金属套管三者拉细组合而成它是由热电偶丝、绝缘材料，金属套管三者拉细组合而成一体。又由于它的热端形状不同，可分为四种型式如图。一体。又由于它的热端形状不同，可分为四种型式

22、如图。(a)(b)(c)(d)132优 点 是 小 型 化（直 径 从优 点 是 小 型 化（直 径 从12mm到到0.25mm）、寿命、）、寿命、热惯性小，使用方便。热惯性小，使用方便。测测温范围在温范围在1100以下的有：以下的有：镍铬镍铬镍硅、镍铬镍硅、镍铬考铜铠考铜铠装式热电偶。装式热电偶。铠装型热电偶外形铠装型热电偶外形法兰法兰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保护薄壁金属保护套管（铠体）套管（铠体）BA绝缘绝缘 材料材料铠装型热电偶横截铠装型热电偶横截面面隔爆隔爆型热电偶外形型热电偶外形厚壁保护管厚壁保护管压铸的接线盒压铸的接线盒电缆线电缆线33谢谢！谢谢！