梁森——热电偶传感器.

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1、机械工业出版社 中等职业教育电气类规划教材 自动检测与转换技术 第九章 多媒体课件 200951 更新 Date1 第九章 热电偶传感器 在这一章里，卡卡要给大家介绍有关温度 、温标、测温方法等一些基本概念和方法， 着重介绍热电偶传感器的原理、分类、特性 及其应用。 热电偶传感器属于自发电型传感器。 开尔文是英国著名的物理学家。一百 多年前，他建立了热力学温度标度，也 称为绝对温标。它的零度，即物质世界 可能的最低温度，相当于摄氏零下273度 ，称为绝对零度。 *2 第一节 温度测量的基本概念 一、温 度测量的基本概念 温度标 志着物质内部大量 分子无规则运动的 剧烈程度。温度越 高，表示物体

2、内部 分子热运动越剧烈 。 模拟图：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！ 低温 高温 Date3 二、温标 1、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）以及温度的单 位。各类温度计的刻度均由温标确定。 2、国际上规定的温标有：摄氏温标、华 氏温标、热力学温标等。 Date4 几种温标的对比 正常 体温为37 C ， 相当于华 氏温度多 少度？ Date5 热力学温标（K） 热力学温 标是建立在热力学第 二定律基础上的最科 学的温标，是由开尔 文（Kelvin）根据热 力学定律提出来的， 因此又称开氏温标。 它的符号是T，单位 是开尔文（K） 。

3、威廉汤姆逊开尔文勋爵像 Date6 1990国际温标(ITS-90) 国际温度咨询委员会于1989年9月通过了 1990年新的国际温标(ITS-90),并上报国际计量委 员会批准。这个新国际温标于1990年1月1日起在 全世界各国开始执行。新温标用“T_(90)”代表势 力学温度,其单位仍用 K 表示。我国的国家法定 测温标准将统一采用新的国际温，简称ITS-90 。 ITS-90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及计算公式，例 如水的三相点为273.16K（0.01C）等。 Date7 三、温度测量及传感器分类 温度传感器按照用途可分为基准温度计和 工业温度计；按照

4、测量方法又可分为接触式 和非接触式；按工作原理又可分为膨胀式、 电阻式、热电式、辐射式等等；按输出方式 分，有自发电型、非电测型等。 Date8 介绍几种温度测量方法 示温涂料（变色涂料） 装满热水后图案 变得清晰可辨 Date9 变色涂料在电脑内部温度中的示温作用 CPU散 热风扇 低温时显示 蓝色 温度升高后变为红色 Date10 体积热膨胀式 不需要电源，耐 用；但感温部件体积较 大。 气体的体积与 热力学温度成正比 Date11 红外温度计 激光瞄准 Date12 热电偶测温的主要优点 1、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； 2、测温范围广：下限可

5、达-270C ，上限可达1800C以上； 3、各温区中的热电势均符合国际 计量委员会的标准。 Date13 先看一个实验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。 热电极A 右端称为 ：自由 端（参 考端、 冷端） 第二节 热电偶的工作原理及分类 左端称为 ：测量 端（工 作端、 热端） 热电极B 热电势 A B Date14 从实验到理论：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。这说明什么？ 1工作端 2热电极 3指南针 4参考端 Date15 动画3：“

6、结点”产生热电势的微观解释 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A和B的接触 点处会发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度 大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正 电，B得到电子带负电，从而产生热电势。 自由 电子 A B eAB（ T ） T 热电偶的图形符号 自由电子浓度高，失去电子多， 带正电 自由电子浓度低，失去电子少 得到电子多，带负电 Date16 以上演示得出的结论： 有关热电偶热电势的讨论 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t 的 函数： EAB(T，T0)=eAB ( T )- eAB

7、 ( T0 ) 结论： 热电势大致与两个结点的温差T或t 成正比 Date17 从实验到理论得到有关热电效应的结论 如果用两盏酒精灯同时加热两个结点，指 南针的偏转角反而减小。这又说明什么？ 结论： 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。 热电流的强弱与两个结点的温差有关，而不 是与单一的一端结点的温度成正比。 Date18 热电偶的种类及结构 八种国际通用热电偶： B:铂铑30铂铑6 、R:铂铑13 铂 、S:铂铑10铂 、 K:镍铬镍硅 、 N:镍铬硅镍硅 、 E:镍铬 铜镍、 J:铁铜镍 、 T:铜铜镍 用于制造铂铂热电偶 的各种铂铂热电偶丝 Date19 几种常用热

8、电偶的测温范围及热电势 分度号 名称 测量温度范围 1000C 热电势/ mV B铂铑30铂铑6501820 C4.834 R铂铑13铂-501768 C10.506 S铂铑10铂-501768 C9.587 K镍铬镍铬 (铝) -2701370 C41.276 E 镍铬铜镍 (康 铜 ) 270800 C 5种热电偶的测温范围与热电势各有什么特点？ Date20 几种常用热电偶的热电势与温度的 关系曲线分析 哪几种热电 偶的测温上限较 高？ 哪几种热电 偶的线性较差？ 哪一种热电 偶的灵敏度较高 ？ 哪一种热电 偶的灵敏度较低 ？ 为什么所有的曲线均过原点（零度点）？Date21 热电偶的分

9、度表 热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法 我国从1991年开始采用国际计量委员会规 定的“1990年国际温标”（简称ITS-90）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。 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：自由端（冷端）温度必 须为0C。 本教材的附录D列出了工业中常用的镍铬- 镍硅（K）热电偶的分度表。 Date22 如何利用热电偶的分度表 假设热电偶的冷端温度 为0C，请根据本教材的附录 工业中常用的镍铬-镍硅 （K）热电偶的分度表，查 出-100、0 、 100 时 的热电势。 数字式温度表 温度上限设定值 温度上限值设

10、定键 Date23 K热电偶 的分度表 比较 查出的3个 热电势， 可以看出 热电势是 否线性？ Date24 如何由热电偶的热电势查热端温度值 设冷端为0C，根据以下电路中的毫伏表的示 值及K热电偶的分度表，查出热端的温度tx 。 Date25 装配型热电偶的外形 安装 螺纹 安装 法兰 Date26 普通装配型 热电偶的 结构放大图 接 线盒 引出线套管 固定螺纹 （出厂时用塑料包裹 ） 热电偶工作端（热端） 不锈钢保护管 Date27 铠装型热电偶 铠装热电偶的制造工艺：把热电极材料与 高温绝缘材料预置在金属保护管中、运用同比例压缩 延伸工艺、将这三者合为一体，制成各种直径、规格 的铠装

11、偶体，再截取适当长度、将工作端焊接密封、 配置接线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。 铠装热电偶特点：内部的热电偶丝与外界 空气隔绝，有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷 凝、抗机械外力冲击的特性。铠装热电偶可以制作得 很细，能解决微小、狭窄场合的测温问题，且具有 抗震、可弯曲、超长等优点。 Date28 铠装型热电偶外形 法 兰 铠装型热电偶可 长达上百米 薄壁金属 保护套管 （铠体） BA 绝缘 材料 铠装型热电偶 横截面 Date29 隔爆型热电偶 结构特点：隔爆热电偶的接线盒在设计时 采用防爆的特殊结构，它的接线盒是经过压铸而成的 ，有一定的厚度、隔爆空间，机构强度较高；采用螺 纹隔爆接

12、合面，并采用密封圈进行密封，因此，当接 线盒内一旦放弧时，不会与外界环境的危险气体传爆 ，能达到预期的防爆、隔爆效果。 使用场合：工业用的隔爆型热电偶多用于 化学工业自控系统中（由于在化工生产厂、生产现场 常伴有各种易燃、易爆等化学气体或蒸汽，如果用普 通热电偶则非常不安全、很容易引起环境气体爆炸） 。 Date30 隔爆型热电偶外形 厚壁保护管压铸的接线盒 电缆线 Date31 其他热电偶外形 小形K型热电偶 Date32 第三节 热电偶冷端的延长 采用相对廉价的补偿导线，可延长热电 偶的冷端，使之远离高温区；可节约大量贵金属； 易弯曲，便于敷设。 型号 配用热电偶 正-负 导线外皮颜色 正

13、-负 SC铂铑10-铂红-绿 KC镍铬 - 镍硅红-蓝 WC5/26钨铼5-钨铼26 红-橙 补偿导线在0100C范围内的热电势与配套的 热电偶的热电势相等，所以不影响测量精度。 Date33 补偿导线型号（续） 型号 配用热电偶 正-负 型 号 导线外皮 颜色 正-负 100时的 热电势/ mV RC R （铂铑13铂） RC 红-绿 0.647 NC N（镍铬硅镍硅） NC 红-黄2.744 EX E （镍铬铜镍） EX 红-棕6.319 JX J（铁铜镍） JX 红-紫5.264 TX T （铜铜镍 ） TX 红-白4.279 Date34 补偿导线外形 A B 屏蔽层 保护层 Date

14、35 第四节 热电偶的冷端温度补偿 必要性： 1、用热电偶的分度表查毫伏数-温 度时，必须满足t0=0的条件。在实际测温中 ，冷端温度常随环境温度而变化，这样t0不但 不是0 ，而且也不恒定， 因此将产生误差。 2、 一般情况下，冷端温度均高于 0 ，热电势总是偏小。应想办法消除或补偿 热电偶的冷端损失 。 Date36 冷端温度补偿的方法 一、冷端恒温法： 将热电偶的冷端置于装有冰水 混合物的恒温容器中，使冷端的温度保持 在0不变。此法也称冰浴法，它消除了t0 不等于0而引入的误差，由于冰融化较快 ，所以一般只适用于实验室中。 Date37 冰浴法 在冰瓶中，冰水混合物的温 度能较长时间地保

15、持在0不变。 Date38 冰浴法接线图 1被测流体管道 2热电偶 3接线盒 4补偿导线 5铜质导线 6毫伏表 7冰瓶 8 冰水混合物 9试管 10新的冷端 Date39 二、计算修正法 当热电偶的冷端温度t0 0C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EAB（t，t0）与冷端为0时所 测得的热电势EAB（t，0 ）不等。若冷端温度 高于0，则EAB（t，t0）EAB（t，0 ）。可 以利用下式计算并修正测量误差： EAB（t，0 ）=EAB（t，t0）+EAB（t0， 0 ） Date40 计算修正法举例 K 热电偶测温电路 中，热电极 A、 B直接焊接在钢 板上，A 、B 为补偿导线， Cu为铜导线， 已知接线盒1 的 温度t1=40， 冰瓶中为冰水混 合物，接线盒 3 的温度t3=20.0 。 求：1）冰瓶的温度t 2；2）将热电极