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1、2019/5/21,1,机电类 自动检测技术 第九章 多媒体课件 统一书号：ISBN 978-7-111-40710-2 课程配套网站 www.sensor- 或 2013年1月版,第九章 热电偶传感器,本章介绍温度和温标的基本概念、温度测量的基本方法、热电偶的基本工作原理、热电偶的分类、特点及使用、冷端延长的方法、冷端温度补偿的方法和技术、控温仪表的使用等。,9.1 温度测量的基本概念 9.2 热电偶传感器的工作原理 9.3 热电偶的种类及结构 9.4 热电偶冷端的延长 9.5 热电偶的冷端温度补偿与 集成温度传感器 9.6 热电偶的应用及配套仪表,第九章 热电偶传感器 目录,温度是诸多物理
2、现象中具有代表性的物理量，现代生活中准确的温度是不可缺少的信息内容，家用电器涉及温度测量和控制的有：电饭煲、电冰箱、空调、微波炉、电热水器等。,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！温度从微观上看，是物体分子运动平均动能大小的标志。,温度是表征物体的冷热程度的物理量。为了定量分析，要给给物体的冷热程度一个定量的描述。温标就是以此目的而建立的。 温标是温度数值化的标尺，它给出了温度数值化的一套规则和方法，并明确了温度的测量单位和
3、温度起点。 温标的建立方法：借助于随温度变化而变化的物理量（体积、压力、电阻和热电动势等）来定义温度数值、建立温标。,二、温标,二、温标 （续）,1. 温度的数值表示方法称为温标。 温标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。,发展阶段：华氏温标摄氏温标开氏温标 华氏温标规定：标准大气压下冰融点为32度，水沸点为212度，两者中间分180格，每格为华氏1度，符号为。摄氏温标规定，标准大气压下冰融点为0度，水沸点为100度，两者中间分100格，每格为摄氏1度，符号为。华氏温标与摄氏温标的换算关系是
4、：,例：摄氏温度为20时，华氏温度为32+36=68 开氏温标规定，温度不能为负值，起点为绝对零度，冰融点为273.15度，水沸点为373.15度，两者中间分100格，每格为1开，符号为K。 各种温标均有局限性，华氏温标和摄氏温标只能标定0100 的温度，而开氏温标的起点只是理论上存在，无法达到。,温标的发展,国际实用温标是一种协议温标，用来统一各国之间的温度计量。 尽可能地接近热力学（开氏）温度； 各国均能以很高的准确度复现同样的温标； 用于复现温标的标准温度计使用方便、性能稳定。 第一个国际温标是1927年国际计量大会决定采用的，“1927国际温标”,后来又不断改进修订，相继有1948国际
5、温标、 1968国际实用温标和1990国际实用温标。 目前推行的是1990年国际实用温标ITS-90： 热力学温度用符号T90表示,单位为开尔文，符号为K。 摄氏温度的符号为t90，单位是摄氏度,符号为。,国际实用温标,T90和t90的关系为：t90=T90-273.15 ， 或 t /=T /K-273.15 例如:摄氏温度为0时，开尔文温度为273.15K,ITS-90国际实用温标由三部分组成： 定义固定点、内插标准仪器及内插公式。 定义的固定点是指： 某些纯物质的三相点（气、液、固共存）、熔点或凝固点、沸点这些固定点的指定温度值。 固定点间的温度用规定的内插标准仪器和内插公式来分度。 热
6、力学温标就是通过这种方法在标准仪器上来实现的。,几种温标的对比,正常体温为37 ， 相当于华氏温度多少度？,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)”代表热力学温度,其单位用 K 表示。我国的国家法定测温标准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（0.01）等。,热力学温标（K）,热力学温标是建立在热力学第
7、二定律基础上的最科学的温标，是由开尔文（Kelvin）根据热力学定律提来的，因此又称开氏温标。它的符号是T，单位是开尔文（K） 。,威廉汤姆逊开尔文勋爵像,国际实用温标是由各国计量部门按规定分别保持和传递。 各类温度计在使用前均要进行检定。一般采用比较法进行检定，即：将标准温度计和被校温度计同时放入检定装置（如各种恒温槽和管式电炉），以标准温度计测定的温度为已知，将被校温度计的测量值与其比较，从而确定被校温度计的准确度和修正值。,三、温标的传递,表9-1 ITS-90定义固定点,四、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；按照测量方法又可分为接触式和非接触式；按工
8、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、机械非电测型等。,温度传感器应满足的条件：,特性与温度之间的关系要适中，并容易检测和处理，且随温度基本呈线性变化； 除温度以外，特性对其它物理量的灵敏度要低； 特性随时间变化要小； 重复性好，没有滞后和老化； 灵敏度高，坚固耐用，体积小，对检测对象的影响要小； 机械性能好，耐化学腐蚀，耐热性能好； 能大批量生产，价格便宜； 无危险性，无公害。,温度传感器的种类及特点:,接触式温度传感器 非接触式温度传感器,接触式温度传感器的特点：传感器直接与被测物体接触进行温度测量，由于被测物体的热量传递给传感器，降低了被测物体温度，
9、特别是被测物体热容量较小时，测量准确度较低。因此采用这种方式要测得物体的真实温度的前提条件是被测物体的热容量要足够大。,非接触式温度传感器：主要是利用被测物体热辐射而发出红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成本较高，测量准确度较低。 优点：不从被测物体上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场。,温度测量及传感器分类,表9-2 温度传感器的种类及特点,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,变色陶瓷,示温变色贴,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,体积热膨胀式,不需要电源，寿命长；但感温部件体积较大， 只
10、能抵近测量。,气体的体积与热力学温度成正比,红外温度计,热电偶测温的主要优点,1. 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：下限可达-270 ，上限可达1800以上； 3.各温区中的各种热电偶的热电动势均符合国际计量委员会的标准。,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,左端称为：测量端（工作端、热端）,热电极B,热电动势,A,B,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
11、结点），发现放在回路中的指南针发生偏转。说明回路中产生了什么？,1工作端 2热电极A 2热电极B 4指南针 5参考端,“结点”产生热电动势的微观动画,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相互扩散现象。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，从而产生热电动势。,自由电子,A,B,eAB（ T ）,T,热电偶的图形符号,上图中的接触电动势eAB(T )可用下式表示,式中 eAB(T) A、B两种材料在温度为T时的 接触电动势； T接触处的热力学温度； k 玻尔兹曼常数（k=1.3810-2
12、3J/K）； e 电子电荷（e =1.610-19C）； nA、nB热电极材料A、B的自由电子密度。,如果取eAB(T)的方向为正方向，如图所示，则有,有关热电动势的几个结论,1）如果热电偶两根电极材料相同，即使两端温度不同（tt0），但总输出热电动势仍为零。因此必须由两种不同材料才能构成热电偶。 2）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。两结点温差越大，热电动势越大。 3）式中未包含与热电偶的尺寸形状有关的参数，所以热电动势的大小只与材料和结点温度有关。 如果以摄氏温度为单位，EAB(T，T0)也可以写成EAB(t，t0)，其物理意义虽然有所不同，但电动势的数值是相同的。,
13、有关热电偶热电动势的讨论,热电偶两结点所产生的总的热电动势等于热端热电动势与冷端热电动势之差，是两个结点的温差t 的函数： EAB(T，T0)=eAB ( T )- eAB ( T0 ),结论：热电动势大致与两个结点的温差T或t 成正比。,从实验到理论的讨论,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。,中间导体定律,若在热电偶回路中插入“中间导体”(A、B热电极之外的其他导体),只要中间导体两端温度相同,则对热电偶回路的总热电
14、动势无影响 。,1镍铜表棒 2磷铜接插件 3铜漆包线动圈表头Cu纯铜导线 HNi镍黄铜 QSn锡磷青铜 Sn焊锡 NiMn镍锰铜电阻丝,热电偶A、B回路插入中间导体C后， 总的热电动势为：,总的热电动势与C无关。同理，热电偶回路中插入多种导体（D、E、F），只要保证插入的每种导体的两端温度相同，则对热电偶的热电动势也无影响。,中间导体定律的意义,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导体，只要保证这些中间导体两端的温度各自相同，则对热电偶的热电动势没有影响。 在使用热电偶时，应尽量使上述元器件两端的温度相同，才能减少测量误差。 在放大器中，若某个电阻或集成电路引脚两
15、端的温度不相同，将产生热电动势。为了尽量减小由此产生的电动势，可以用铜质屏蔽罩将放大电路与热源隔离，并使罩内各个元件两端的温度相同。,参考电极定律,已知热电极A、B与参考电极C 组成的热电偶在结点温度为（t,t0）时的热电动势分别为EAC(t,t0)，EBC(t,t0)，则在相同温度下，由A、B两种热电极配对后的热电动势EAB(t,t0)： EAB（t,t0）=EAC(t，t0)EBC(t,t0) 参考电极定律简化了热电偶的选配工作。只要获得有关热电极与参考电极配对的热电动势，那么任何两种热电极配对时的热电动势均可求得，就能较快地筛选出适合需要的、 性能良好的热电偶。 目前常用纯铂丝作为 标准
16、电极。,第三节 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,用于制造铂热电偶的各种热电偶丝,几种国标热电偶的测温范围及热电动势,5种热电偶的测温范围与热电动势各有什么特点？用途？,几种旧国标热电偶的分度号测温范围,几种常用热电偶的热电动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（0点）？,铂铑30-铂铑6热电偶（分度号B）,为贵金属热电偶。正极是铂铑丝（铂70%，铑30%），负极也是铂铑丝（铂94%，铑6%），俗称双铂
