热电偶测温原理与应用

2022-9-271工程测试技术根底工程测试技术根底 湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院Welcome to My Class主讲主讲:邬文俊邬文俊 讲师讲师-湖北工业大学精品课程湖北工业大学精品课程 科学引领工程，工程引入课堂科学引领工程，工程引入课堂 设计和制作：何涛教授及工程测试技术根底课程教学团队设计和制作：何涛教授及工程测试技术根底课程教学团队 2022-9-272概述概述2022-9-273红外人体探测器现代楼宇自动化现代楼宇自动化(电源管理、平安监测、照明控电源管理、平安监测、照明控制、空调控制、停车管理、水制、空调控制、停车管理、水/废水管理和电梯监废水管理和电梯监控控)中温度是不可缺少的，中温度是不可缺少的，概述概述2022-9-274现代工业中温度测量和控制是不可缺少的，现代工业中温度测量和控制是不可缺少的，概述概述准确的烟草烘干准确的烟草烘干木材烘干木材烘干2022-9-275 温度传感器的种类很多：温度传感器的种类很多：热膨胀温度传感器：有液体、气体的玻璃热膨胀温度传感器：有液体、气体的玻璃式温式温 度计、体温计，构造简单，应用广泛；度计、体温计，构造简单，应用广泛；半导体热敏电阻传感器：家电、汽车上使半导体热敏电阻传感器：家电、汽车上使用，价格廉价、用量大、本钱低、性能差异用，价格廉价、用量大、本钱低、性能差异不大；不大；金属电阻、热电偶、红外温度传感器：工金属电阻、热电偶、红外温度传感器：工业上常用，性能价格差异比较大，精度高的业上常用，性能价格差异比较大，精度高的通常价格比较昂贵。

通常价格比较昂贵集成温度传感器，利用晶体管集成温度传感器，利用晶体管PN结电流、结电流、电压随温度变化，有专用集成电路，体积小、电压随温度变化，有专用集成电路，体积小、响应快、价廉，测量响应快、价廉，测量150以下温度以下温度概述概述2022-9-276第第9讲讲 温度传感器原理与应用温度传感器原理与应用-热电偶热电偶Thermoelectric Couple Sensors一、热电偶的工作原理；一、热电偶的工作原理；二、热电偶测温实验二、热电偶测温实验三、热电偶测温根本定律三、热电偶测温根本定律四、热电偶的冷端补偿及补偿导线四、热电偶的冷端补偿及补偿导线2022-9-277YC-811 报警温度计报警温度计 分辨率分辨率:0.1C/0.1F K Type:镍铬-镍硅热电偶 可测温度范围-200C 1372C 可设定上下限蜂鸣报警n实验：测冰水温度、测沸水温度观察准确度和响应时间2022-9-278结论：当两个结点温度不一样时，回路中将产生电动势结论：当两个结点温度不一样时，回路中将产生电动势热电极热电极A A自由端自由端冷端、冷端、参考端参考端 测量端测量端热端、热端、工作端工作端 热电极热电极B B热电势热电势ABnAnB结点1结点2一、一、热电偶的工作原理热电偶的工作原理 2022-9-279结论：结论：热电偶两结点所产生的总的热电势等于热端热电势与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，是两个结点的温差冷端热电势之差，是两个结点的温差t t 的函数：的函数：EAB EABT T，T0T0=eAB=eAB T T-eAB-eAB T0 T0 热电势与热电势与两个结点的两个结点的温差温差t t 成函数关系成函数关系2022-9-27101、热电效应热电效应 1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路闭合回路，并用酒精灯加热其中一个结点，发现放在回路中的指南针发生并用酒精灯加热其中一个结点，发现放在回路中的指南针发生偏转，如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转偏转，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。

角反而减小显然，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中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关将两种将两种不同材料不同材料的导体的导体A A和和B B串接成一个闭合回路，当串接成一个闭合回路，当两个两个接点温度不同接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应成电流，此现象称为热电效应两端温度不同的导体会产生电动势！两种不同的导体接在一起会产生电动势？能用来制作传感器吗ABTT02022-9-27112、热电势的组成：接触电势当相互接触的两金属密度不同时产生接触电势温差电势同一金属，假设两端的温度不同那么产生温差电势2022-9-2712 两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自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，在两金属由电子的密度不同，在两金属A和和B的接触点处会的接触点处会发生自由电子的发生自由电子的扩散现象扩散现象自由电子将从密度大自由电子将从密度大的金属的金属A扩散到密度小的金属扩散到密度小的金属B，使，使A失去电子带失去电子带正电正电，B得到电子带负电得到电子带负电，从而产生，从而产生接触电势接触电势。

自由自由电子电子ABEAB T T T接触电势的大小与温度有关接触电势的大小与温度有关BTATABNNekTTEln)(式中:K波尔兹曼常数;e单位电荷电量;NAT、NBT温度为T导体A、B的电子密度方向：从密度小指向方向：从密度小指向密度大的密度大的接触电势接触电势2022-9-2713ABTT0两个结点处分别有两个接触电势，且方向相反两个结点处分别有两个接触电势，且方向相反整个回路中总的接触电动势为：整个回路中总的接触电动势为：00lnln)()(00BTATBTATABABNNekTNNekTTETE如果两个结点的温度一样，如果两个结点的温度一样，T=T0T=T0，那么总接触电动势为，那么总接触电动势为0 0图中：图中：NANBNANB，TT0TT0以顺时针为正以顺时针为正EAB(T)(T)EAB(T(T0 0)2022-9-2714同一导体同一导体的两端温度不同时的两端温度不同时,高温端的电子能量要比低温端的电高温端的电子能量要比低温端的电子能量大子能量大,因而从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高因而从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多温端的要多,结果高温端因失去电子而带正电结果高温端因失去电子而带正电,低温端因获得多低温端因获得多余的电子而带负电余的电子而带负电,因此因此,在导体两端便形成在导体两端便形成温差电势温差电势。

自由自由电子电子TT0接触电势的大小与密度有关接触电势的大小与密度有关式中:K波尔兹曼常数;e单位电荷电量;NAT温度为T导体A的电子密度dtdttNdNeKTTEATTTATA)(1),(00AEA(T,T(T,T0 0)方向：从低温指向高温方向：从低温指向高温温差电势温差电势2022-9-2715ABTT0整个回路中总的整个回路中总的温差电动势温差电动势为：为：),(),(00TTETTEAB如果如果ABAB两金属的密度一样，那么总温差电动势为两金属的密度一样，那么总温差电动势为0 0以顺时针为正以顺时针为正EB(T,T(T,T0 0)EA(T,T(T,T0 0)dtdttNdNeKddttNdNeKTTETTEATTTATBTTTBTAB)(1)(1),(),(00002022-9-2716接触电势当相互接触的两金属的密度不同时产生接触电势，其大小与结点的温度相关温差电势同一金属，假设两端的温度不同那么产生温差电势，其大小其密度相关结论：结论：2022-9-2717回路中回路中总热电动势总热电动势为：为：EAB(T,T0)=EB(T,T0)+EAB(T)-EAB(T0)-EA(T,T0)以顺时针为正以顺时针为正蓝色的为接触电势蓝色的为接触电势绿色的为温差电势绿色的为温差电势ABTT0EB(T,T(T,T0 0)EA(T,T(T,T0 0)如果如果A、B密度一样均质导体，那么不存在接触电动势，密度一样均质导体，那么不存在接触电动势，两导体内温差电动势，大小相等，方向相反，总热电势为两导体内温差电动势，大小相等，方向相反，总热电势为0。

即为均质导体定律即为均质导体定律如果两结点温度一样如果两结点温度一样T=T0，那么不存在温差电动势，两，那么不存在温差电动势，两结点处接触电动势，大小相等，方向相反，总热电势为结点处接触电动势，大小相等，方向相反，总热电势为0.EAB(T)(T)EAB(T(T0 0)由一种均质导体组成的闭合回路中由一种均质导体组成的闭合回路中,不管导体的截不管导体的截面和长度如何以及各处的温度分布如何面和长度如何以及各处的温度分布如何,都不能产都不能产生热电势生热电势2022-9-2718热电势=接触电势+温差电势EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)+EB(T,T0)-EA(T,T0)结论：当nA=nB，不存在接触电势EAB E总总=EB(T,T0)-EA(T,T0)=0 当T=T0，不存在温差电势EA、EB E总总=EAB(T)-EAB(T0)=0 2022-9-27191在总热电势中在总热电势中,温差电势比接触电势小很多温差电势比接触电势小很多,可可忽略不计忽略不计,热电偶的热电势可表示为：热电偶的热电势可表示为：EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)2对于已选定的热电偶对于已选定的热电偶,当参考端温度当参考端温度T0恒定时恒定时,EAB(T0)=C为常数为常数,那么总的热电势就只与温度那么总的热电势就只与温度T成成单值函数关系单值函数关系,即即 EAB(T,T0)=EAB(T)-C=f(T)3、热电势热电势与被测温度的关系：与被测温度的关系：3实际应用中实际应用中,热电势与温度之间关系是通过热电热电势与温度之间关系是通过热电偶分度表来确定的。

分度表是在参考端温度为偶分度表来确定的分度表是在参考端温度为0时时,通过实验建立起来的热电势与工作端温度之间的数值通过实验建立起来的热电势与工作端温度之间的数值对应关系对应关系2022-9-2720K热电偶的热电偶的分度表分度表 热电偶的冷端热电偶的冷端温度为温度为0 0 C C，查，查表得出被测温表得出被测温度？度？如何利用分度表如何利用分度表来确定温度？来确定温度？3种环境下种环境下K型热型热电偶热端的热电电偶热端的热电势分别为势分别为0、为、为4、为2022-9-27214 4、几种常用热电偶、几种常用热电偶分度号分度号 名称名称 测量温度范围测量温度范围 1000 C热电势热电势/mVB铂铑铂铑3030铂铑铂铑6 6501820 C C4.8344.834R铂铑铂铑1313铂铂-501768 C C 10.50610.506S铂铑铂铑1010铂铂-501768 C C9.5879.587K镍铬镍铬镍铬镍铬(铝铝)-2001372 C C 41.27641.276E镍铬铜镍镍铬铜镍(康康 铜铜)270800 C C?2022-9-2722几种常用热电偶的热电势与温度的关系几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线分析曲线分析 哪几种热电偶的哪几种热电偶的测温上限较高？测温上限较高？结论：结论：哪几种热电偶的哪几种热电偶的线性较差？线性较差？哪一种热电偶的哪一种热电偶的灵敏度较高？灵敏度较高？哪一种热电偶的哪一种热电偶的灵敏度较低？灵敏度较低？为什么所有的曲线均过原点零度点？为什么所有的曲线均过原点零度点？2022-9-2723二、热电偶测温实验二、热电偶测温实验 测出变色涂料的变色温度 超温报警实验CPU散热风扇散热风扇低温时显示蓝色低温时显示蓝色温度升高后变为红色温度升高后变为红色2022-9-2724问题：1、测量时，热端在哪？冷端在哪？热电势是用什么检测仪表测量的？测量仪表的导线与热电阻的导体不同，是不是会对测量结果产生影响？2、冷端怎么保持0度？假设是不为0度怎么办？2022-9-27251)中间导体定律中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。

偶回路的总热电动势TT0V同时也解决了测量头热端远离冷端的问题，中间可用其他导线连接三、热电偶测温根本定律三、热电偶测温根本定律2022-9-27262)2)中间温度定律中间温度定律 热电偶热电偶ABAB在接点温度为在接点温度为T T、T0T0时的热电势时的热电势EAB(T,T0EAB(T,T0等于热电偶等于热电偶ABAB在接点温度在接点温度T T、TcTc和和TcTc、T0T0时的热电势时的热电势的代数和：的代数和：EAB(T,T0EAB(T,T0=EAB(T,Tc=EAB(T,Tc+EAB(Tc,T0+EAB(Tc,T0 ABTT0=ABTTC+ABTcT0该定律是参考端温度计算修正法的理论依据该定律是参考端温度计算修正法的理论依据在实在实际热电偶测温回路中际热电偶测温回路中,利用热电偶这一性质利用热电偶这一性质,可对参可对参考端温度不为考端温度不为0的热电势进展修正的热电势进展修正2022-9-2727热电偶根本定律解决了两个问题：热电偶根本定律解决了两个问题：1、实际测量时冷端和热端相隔很远中间导体定律、实际测量时冷端和热端相隔很远中间导体定律热电偶补偿导线热电偶补偿导线2、实际测量时冷端温度不为、实际测量时冷端温度不为0度中间温度定律度中间温度定律 冷端补偿冷端补偿四、热电偶补偿导线及冷端温度补偿四、热电偶补偿导线及冷端温度补偿2022-9-2728 在实际测温时,需要把热电偶输出的电势信号传输到远离现场数十米的控制室里的显示仪表或控制仪表,这样参考端温度t0也比较稳定。

热电偶一般做得较短 需要用导线将热电偶的冷端延伸出来工程中采用一种补偿导线,它通常由两种不同性质的廉价金属导线制成,而且在0100温度范围内,要求补偿导线和所配热电偶具有一样的热电特性热电偶补偿导线热电偶补偿导线2022-9-2729 (1)参考端温度修正法：参考端温度不等于0,那么需要对热电偶回路的电势值加以修正,修正值为EAB(t0 ,0)经修正后的实际热电势,可由分度表中查出被测实际温度值EAB(T,0=EAB(T,T0+EAB(T0,0 (2)参考端0恒温法：在实验室及精细测量中,通常把参考端放入装满冰水混合物的容器中,以便参考端温度保持0.(3)参考端温度自动补偿法补偿电桥法：补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压作为补偿信号,来自动补偿热电偶测量过程中因参考端温度不为0或变化而引起热电势的变化值冷端补偿方法冷端补偿方法2022-9-2730 如下图,不平衡电桥由三个电阻温度系数较小的锰铜丝绕制的电阻r1、r2、r3、电阻温度系数较大的铜丝绕制的电阻RCu 和稳压电源组成补偿电桥与热电偶参考端处在同一环境温度,但由于RCu的阻值随环境温度变化而变化,如果适中选择桥臂电阻和桥路电流,就可以使电桥产生的不平衡电压Uab补偿由于参考端温度变化引起的热电势EAB(t,t0)变化量,从而到达自动补偿的目的。

2022-9-2731普通装配型普通装配型热电偶的外形热电偶的外形安装安装螺纹螺纹安装安装法兰法兰2022-9-2732课外实验 实时监测电脑CPU的运行温度，并设置超温报警祝您成功！祝您成功！。