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1、第第7章章 热电偶传感器热电偶传感器本章知识点（技能点）：本章知识点（技能点）：n n1热电偶的工作原理n n2热电偶的分类n n3热电偶冷端的补偿方法n n4热电偶的四种测温线路的连接方式和适用场合n n5热电偶的应用先导案例先导案例 图图7-1 SWK-2 表面温度计表面温度计7.1 热电偶的工作原理热电偶的工作原理 热电偶的工作原理基于热电效应。将两种不同的导体热电偶的工作原理基于热电效应。将两种不同的导体A A和和B B组成闭组成闭合回路，如图合回路，如图7-27-2所示，如果两接点所示，如果两接点T T和和T T0 0的温度不同，在回路中就会的温度不同，在回路中就会产生电动势，有电流
2、流过，这种现象称为热电效应或塞贝克效应，这产生电动势，有电流流过，这种现象称为热电效应或塞贝克效应，这两种导体的组合就称为热电偶，相应的电动势和电流称为热电动势和两种导体的组合就称为热电偶，相应的电动势和电流称为热电动势和热电流，导体热电流，导体A A和和B B称为热电极，接触热场的一端称为工作端（热端），称为热电极，接触热场的一端称为工作端（热端），另一端称为自由端（冷端）。另一端称为自由端（冷端）。1 1接触电势接触电势 金属导体由于材料不同，其内部的电子密度也不同，金属导体由于材料不同，其内部的电子密度也不同，电子密度不同的金属接触在一起就要发生自由电子的扩散电子密度不同的金属接触在一起
3、就要发生自由电子的扩散现象，自由电子会从密度大的金属向密度小的金属转移，现象，自由电子会从密度大的金属向密度小的金属转移，于是在两导体之间就形成了电位差，这个电位差就是接触于是在两导体之间就形成了电位差，这个电位差就是接触电势。电势。2 2温差电势温差电势 温差电势就是由于金属导体两端温度不同而产生的另温差电势就是由于金属导体两端温度不同而产生的另一种电势。温度不同，导体中自由电子能量就不同，温度一种电势。温度不同，导体中自由电子能量就不同，温度越高电子能量就越大。在导体中能量大的电子就会向低能越高电子能量就越大。在导体中能量大的电子就会向低能级区扩散，于是就在导体的两端形成一个电位差，这就是
4、级区扩散，于是就在导体的两端形成一个电位差，这就是温差电势。温差电势。7.2 热电偶的结构热电偶的结构 按结构形式，热电偶分普通型、铠装型、表面型和快速型四种。 7.3 热电偶的分类热电偶的分类 热电偶对热电极的材料是有着一定要求的，热电偶对热电极的材料是有着一定要求的，如下所示：如下所示：（1 1）热电动势大，测量范围宽，线性好；）热电动势大，测量范围宽，线性好；（2 2）性能稳定，不易氧化、变形和腐蚀；）性能稳定，不易氧化、变形和腐蚀；（3 3）电阻温度系数小，电阻率小；）电阻温度系数小，电阻率小；（4 4）易加工，材料复制性好。）易加工，材料复制性好。 1997 1997年，国际电工委员
5、会（年，国际电工委员会（IECIEC）对七种热）对七种热电偶制定了国际标准。它们的分度号是电偶制定了国际标准。它们的分度号是S S、B B、K K、T T、E E、J J、R R。 7.4 热电偶参考端（冷端）的处理热电偶参考端（冷端）的处理 有四种方法可以采用，分别为定点法、补偿导线法、热电动势修正法和电桥补偿法。 7.4.1 定点法：定点法：将冷端放置于温度严格控制的水浴中，水浴是一个水三相点装置，其温度是0.010.0005C，最常用的方法是用冰浴，冰浴的恒定温度为0C，仅限于实验室之用。7.4.2 7.4.2 补偿导线法补偿导线法补偿导线法补偿导线法 补补偿偿导导线线法法就就是是采采用
6、用补补偿偿导导线线将将热热电电偶偶延延伸伸到到温温度度恒恒定定或或温温度度波波动动较较小小处处，只要热电偶和补偿导线的二个接点温度一致，就不会影响热电动势的输出。只要热电偶和补偿导线的二个接点温度一致，就不会影响热电动势的输出。例子：镍铬例子：镍铬- -镍硅热电偶测量炉温镍硅热电偶测量炉温 假假设设，热热端端温温度度为为800800，冷冷端端温温度度为为5050，仪仪表表室室的的环环境境温温度度恒恒为为2020。需要将热电偶产生的热电动势信号送到仪表室。需要将热电偶产生的热电动势信号送到仪表室。 冷端温度为冷端温度为0 0，热端温度为，热端温度为800800时的热电动势为时的热电动势为E(80
7、0E(800，0)0)33.275mV33.275mV；热端温度为热端温度为5050时的热电动势为时的热电动势为E E(50(50，0)0)2.023mV2.023mV； 热端温度为热端温度为2020时的热电动势为时的热电动势为E E(20(20，0)=0.798mV0)=0.798mV。 如果热电偶与仪表之间直接用铜导线连接，根据中间导体定律，输入仪表的如果热电偶与仪表之间直接用铜导线连接，根据中间导体定律，输入仪表的热电动势为热电动势为E E(800(800，50)=50)=E E(800(800，0)-0)-E E(50(50，0)=(33.277-2.022)mV=31.255mV(0
8、)=(33.277-2.022)mV=31.255mV(相当于相当于751751) ) 如果热电偶与仪表之间用补偿导线连接，相当于将热电偶延伸到仪表室，输如果热电偶与仪表之间用补偿导线连接，相当于将热电偶延伸到仪表室，输入仪表的热电动势为入仪表的热电动势为 E E(800(800，20)=20)=E E(800(800，0)-0)-E E(20(20，0)=(33.277-0.798)mV=32.479mV(0)=(33.277-0.798)mV=32.479mV(相当于相当于781781) ) 与炉内的真实温度相差分别为与炉内的真实温度相差分别为751751-800-800=-49=-49
9、781 781-800-800=-19=-197.4.3 热电动势修正法热电动势修正法 当参考端温度恒定，但恒定温度不是分度时的定点温当参考端温度恒定，但恒定温度不是分度时的定点温度时，就可采用此法进行修正。具体方法就是利用中间温度时，就可采用此法进行修正。具体方法就是利用中间温度定律，将测量值加上一个修正值，再查分度表，得到实度定律，将测量值加上一个修正值，再查分度表，得到实际的温度值。际的温度值。7.4.4 电桥补偿法电桥补偿法7.5常见的热电偶测温线路常见的热电偶测温线路7.5.1 7.5.1 单点测温线路单点测温线路单点测温线路单点测温线路 7.5.2 7.5.2 两点温差测量线路两点温差测量线路两点温差测量线路两点温差测量线路7.5.3 7.5.3 串联线路串联线路串联线路串联线路 7.5.4 7.5.4 并联线路并联线路并联线路并联线路
