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1、2019/5/25,1,4.3 热电偶传感器,本章学习的主要内容有: 1、了解温度测量的基本概念和方法； 2、了解热电偶的工作原理，了解热电偶的分类及特点； 3、掌握控温仪表的接线方法。,2019/5/25,2,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）,4.3.1 热电偶的工作原理,左端称为：测量端（工作端、热端）,热电极B,热电势,A,B,2019/5/25,3,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
2、发生偏转（说明什么？），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（又说明什么？） 。 显然，指南针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。,2019/5/25,4,结点产生热电势的微观解释及图形符号,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,2019/5/25,5,1. 两种导体的接触电势,式中 e 单位电荷， ； K 玻尔兹
3、曼常数， /K； T 结点的温度。,2019/5/25,6,2. 单一导体的温差电势,式中 、 高低端的热力学温度； 汤姆逊系数，表示导体两端的温度差为1时所产生的温差电势。,2019/5/25,7,2019/5/25,8,1）热电偶的热电势是热电偶两端温度函数的差，而不是热电偶两端温度差的函数； 2）热电偶所产生的热电势的大小，当热电偶的材料是均匀时，与热电偶的长度和直径无关，只与热电偶材料的成份和两端的温差有关； 3）当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后，热电偶热电势的大小，只与热电偶的温度差有关；若热电偶冷端的温度保持一定，热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。,2019/5/25,9
4、,4.3.2 热电偶的结构形式及材料,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铂热电偶丝,几种常用热电偶的测温范围及热电势,5种热电偶的测温范围与热电势各有什么特点？,2019/5/25,11,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？,结论：,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）？,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,我
5、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。,如何利用热电偶的分度表,假设热电偶的冷端温度为0C，请根据工业中常用的镍铬-镍硅（K）热电偶的分度表，查出100C 、0C、 100C 时的热电势。,数字式温度表,温度上限设定值,温度上限值设定键,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？,2019/5/25,15,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
6、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 。,2019/5/25,16,普通装配型热电偶的外形,安装螺纹,安装法兰,2019/5/25,17,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,2019/5/25,18,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）,铠装型热电偶横截面,2019/5/25,19,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、规格的铠装偶体，再截取适当长度、将
7、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。,2019/5/25,20,隔爆型热电偶外形,厚壁保护管,压铸的接线盒,电缆线,2019/5/25,21,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
8、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）。,2019/5/25,22,其他热电偶外形,小形K型热电偶,2019/5/25,23,4.3.3热电偶的基本定律,1均质导体定律 由同一种均质材料（导体或半导体）两端焊接组成闭合回路，无论导体截面如何以及温度如何分布，将不产生接触电势，温差电势相抵消，回路中总电势为零。,2019/5/25,24,2中间导体定律 在热电偶回路中接入中间导体（第三导体），只要中间导体两端温度相同，中间导体的引入对
9、热电偶回路总电势没有影响，这就是中间导体定律。,2019/5/25,25,3中间温度定律 热电偶回路两接点（温度为T、T0）间的热电势，等于热电偶在温度为T、Tn时的热电势与在温度为Tn、T0时的热电势的代数和。Tn称中间温度。,2019/5/25,26,4参考电极定律,当结点温度为T、T0时，用导体A、B组成的热电偶的热电动势等于AC热电偶和CB热电偶的热电动势的代数和，如图4-17所示，即,2019/5/25,27,4.3.4 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=0C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0C，而且
10、也不恒定， 因此将产生误差。 2、 一般情况下，冷端温度均高于0C，热电势总是偏小。应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失 。,2019/5/25,28,冷端温度补偿的方法,1.冰点法： 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0C不变。此法也称冰浴法，它消除了t0不等于0C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。,2019/5/25,29,冰浴法,在冰瓶中，冰水混合物的温度能较长时间地保持在0C不变。,2019/5/25,30,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,2
11、019/5/25,31,2.补偿导线法,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。,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。,2019/5/25,32,补偿导线型号（续）,2019/5/25,33,补偿导线外形,A,B,屏蔽层,保护层,2019/5/25,34,3.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0C时所测得的热电势EAB（t，0C）不等。若冷端温度高于0C，则EAB（t，t0）EAB（t，0C）。可以利用
12、下式计算并修正测量误差： EAB（t，0C）=EAB（t，t0）+EAB（t0，0C）,2019/5/25,35,计算修正法举例,用S型热电偶测电炉温度，用S型补偿导线连接热电偶和电位差计，电位差计测得热电势为9.902mv，电位差计所处位置的环境温度为22，那么热电偶此时测得的电炉的实际温度为：,查S型分度表可知：22对应的热电势为0.125mV，10.027mV对应的温度值为1038.2，1038.2就是热电偶此时测得的电炉的实际温度。如果不进行补偿，9.902mv对应的温度值为1027.4，相差10.8。,2019/5/25,36,4.仪表机械零点调整法,用螺丝刀调节仪表面板上的“机械零点”，使指针指到气温t0（图中为40 C）的刻度上。,机械零点,指针被预调到室温（40 C ） 可补偿冷端损失,2019/5/25,37,第 二 节作业,P80，3、6,
