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第7章 热电偶传感器,热电偶的工作原理 常用热电偶及结构 热电偶冷端温度补偿,2,一、热电效应,7-1 热电偶的工作原理,把两种不同导体或半导体的这种组合称为热电偶，A和B称为热电极。温度高的接点称为热端（或工作端），温度低的接点称为冷端（或自由端）。,把两种不同导体(或半导体)材料A、B连接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，回路中将会产生热电动势(称为热电势)，这种现象称为热电效应。,3,热电偶工作原理演示,当两个接点温度不相同时，回路中将产生热电动势。热电势由两种材料的接触电势和单一材料的温差电势决定。,热电极A,自由端（参考端、冷端）,测量端（工作端、热端）,热电极B,热电势,A,B,4,（一）接触电势,eAB(T)导体A、B结点在温度T 时形成的接触电动势；e 单位电荷，e=1.610-19C；k 波尔兹曼常数，k=1.3810-23 J/K；nA、nB 导体A、B在温度为T 时的电子密度。,可见，接触电势的大小与温度高低及导体的电子密度有关。,在不同导体的接触面上，因自由电子密度不同而发生电子扩散，导体A失去电子带正电荷，导体B则带负电荷。达到平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差接触电势。,5,eA(T，T0)导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势；T，T0 高低温端的绝对温度；A 汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1时所产生的温差电动势,与两端温度及材料性质有关。,导体内自由电子在高温端具有较大动能，向低温端扩散，使高温端带正电荷，低温端带负电荷。达到平衡时，在导体两端产生电位差温差电势。,（二）温差电势,6,nAT/nAT0，nBT/nBT0导体A/B在结点温度为T和T0时的电子密度A/B导体A/B的汤姆逊系数。,等于整个回路中各接触电势与各温差电势的代数和,温差电势很小，上式中起决定作用的是接触电势。,（三）热电偶回路总的热电势,7,结论：,如果A和B两导体的材料相同，即nA=nB，A=B，即使两端温度T、T0不同，总热电势也为零，因此热电偶必须用两种不同成分的材料做热电极。如果热电偶的两电极材料不同，但热电偶的两端温度相同，即TT0，总的热电势也为零。热电势的大小仅与热电极材料的性质、两个接点的温度有关，与热电偶的尺寸及形状无关。,8,综上所述，热电动势的大小只与材料和接点温度有关，如果冷端温度固定，则热电偶的热电势就是被测温度的单值函数。只要测出热电势的大小，就能得到被测温度T，这就是利用热电偶测温的原理。,9,热电偶的分度表,不同金属组成的热电偶，温度与热电动势之间有不同的函数关系，一般通过实验的方法来确定，并将不同温度下测得的结果列成表格，编制出热电势与温度的对照表，即分度表。直接使用分度表的约束条件：冷端温度为0C。分度表每10分档。中间值按内插法计算。,EM、EH、EL分别为被测温度tM、较高温度tH、较低温度tL对应的热电势。,10,S型(铂铑10-铂)热电偶分度表,比较3个热电势，热电势与温度是否线性？,11,问题：利用热电偶测温，必须在回路中引入连接导线和仪表，接入导线和仪表后会不会影响回路中的热电势呢？,二、热电偶基本定律,（一）中间导体定律,在热电偶测温回路内接入第三种导体，只要第三种导体的两端温度相同，对回路的总热电势没有影响。,用途：,同理，第4种，第5种,12,在热电偶测温回路中，测量仪表（如毫伏表、电位差计）与连接导线可以看作第三种导体，不影响回路中原来的热电势。,中间导体定律的用途：,13,导体C称为标准电极,当接点温度为T,T0时，用导体A，B组成的热电偶产生的热电动势等于A、C热电偶和C、B热电偶热电势的代数和。,意义：,（二）标准电极定律,14,标准电极定律的意义：,通常选用高纯铂丝作标准电极只要测得它与各种金属组成的热电偶的热电动势，则各种金属间相互组合成热电偶的热电动势就可根据标准电极定律计算出来。从而减少了热电偶分度表的工作量。,例：热端为100，冷端为0时，镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为2.95mV，而考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为4.0mV，则镍铬和考铜组成的热电偶所产生的热电动势应为：,2.95(4.0)=6.95(mV),15,（三）连接导体定律与中间温度定律,A、B热电偶，A、B连接导线，回路的总热电势：,EABBA（T,Tn,T0）=EAB（T,Tn）+EAB（Tn,T0）,上式为连接导体定律的数学表达式,当A与A、B与B材料分别相同时，上式为：,EAB(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0),上式为中间温度定律的数学表达式,意义：,16,A,B,T,Tn,Tn,A,B,T0,T0,热电偶补偿导线接线图,E,工业上运用补偿导线进行温度测量的理论基础。,只要T、T0不变，接入AB后不管接点温度Tn如何变化，都不影响总热电势引入补偿导线原理。,连接导体定律的意义：,EABBA（T,Tn,T0）=EAB（T,Tn）+EAB（Tn,T0）,17,为制定热电偶分度表奠定了理论基础。,热电偶分度表：每一个电势值对应的温度是在冷端为0的情况下获得的。只要得到冷端为0时的热电势，就可求出冷端不为0时的热电势。,Tn为中间温度，当T0=0，Tn已知时：,查分度表得出,中间温度定律的意义：,EAB(T,Tn)=EAB(T,0)EAB(Tn，0),EAB(T,0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn，0),查分度表得出,分度表,EAB(T,T0)=EAB(T,0)EAB(T0，0),18,用镍铬-镍硅热电偶测量温度，已知冷端温度T0=20，测得热电势EAB(T,T0)为19.633mV,求被测温度T。解：,使用分度表举例,查镍铬-镍硅热电偶分度表得EAB(T0,0)EAB(20,0)0.798,EAB(T,0)=EAB(T,T0)+EAB(T0,0)=19.633+0.798=20.431mV,由分度表得温度T495,19,7-2 常用热电偶及结构,一、常用热电偶,八种国际通用热电偶：S:铂铑10铂、B:铂铑30铂铑6、R:铂铑13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,写在前面的热电极为正极，写在后面的热电极为负极。铂铑10表示该合金含90的铂及10的铑。,20,铂铑10-铂热电偶（S型）,贵金属热电偶。电极线径规定为0.5mm，正极（SP）的名义化学成分为铂铑合金负极（SN）为纯铂，故俗称为单铂铑热电偶。长期最高使用温度为1300，短期最高使用温度为1600。优点：准确度高，稳定性好，测温温区和使用寿命长，物理化学性能良好，在高温下抗氧化性能好，适用于氧化和惰性气氛中。缺点：热电势较小，灵敏度低；高温下易受还原气体和金属蒸汽的侵害；贵金属材料昂贵。,21,镍铬-镍硅热电偶（K型）,使用量最大的廉价金属热电偶，用量为其他热电偶的总和优点：线性度好，热电势较大，灵敏度较高，稳定性和复现性均好，抗氧化性强，价格便宜。能用于氧化性和惰性气氛中。K型热电偶不能在高温下直接用于硫、还原性或还原、氧化交替的气氛中，也不能用于真空中。,22,工业热电偶分类及性能,23,常用热电偶的热电势与温度的关系曲线,灵敏度较高的是？,为什么所有的曲线均过原点（零度点）？,灵敏度较低的是？,E、J、T、K、N,R、S、B,因为冷端置于0，则热端也为0时，热电势为0。,24,二、常用热电偶的结构形式,（一）普通装配型热电偶,热电极 绝缘套管(防止两个热电极在中间位置短路)保护套管(使热电极免受化学侵蚀及机械损伤)接线盒(连接导线通过接线盒与热电极连接),25,普通装配型热电偶外形,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,26,铠装热电偶是将热电极、绝缘材料连同金属保护套管起拉制成型，可做得很细、很长，其外径可小到0.25mm，长度可达100m以上，且可以弯曲。铠装热电偶种类多，其测量端有碰底型、不碰底型、露头型和帽型等几种形式。,（二）铠装式热电偶,(a)碰底型；(b)不碰底型；(c)露头型；(d)帽型,铠装式热电偶断面结构示意图,27,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。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，且具有热容量小，响应速度快，可弯曲、抗震、超长等优点。,28,铠装型热电偶可 长达上百米,铠装型热电偶外形,法兰,薄壁金属 保护套管（铠体）,横截面,29,（三）薄膜热电偶,其热接点既小又薄(0.010.lm厚)热容量小，响应速度快 适用于测量瞬变的表面温度和微小面积上的温度。,用真空蒸镀等方法把两种热电极材料分别沉积在绝缘基片上形成的一种快速感温元件。,30,为测量钢水和其他熔融金属温度而设计的热电偶。用直径为0.050.lmm的热电极装在U型石英管中，再铸以高温绝缘水泥，外面再用保护钢帽所组成。这种热电偶使用一次就焚化，优点是热惯性小，测量精度土57。,1钢帽；2石英；3纸环；4绝热泥；5冷端；6棉花；7绝缘纸管；8补偿导线；9套管；10塑料插座；11簧片与引出线,（四）消耗型快速热电偶,31,冷端补偿方法：补偿导线法冰点槽法,7-3 热电偶冷端温度补偿,原因：热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定；热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0为依据，否则会产生误差。,冷端温度计算校正法补偿电桥法,32,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，通常由两种不同性质的廉价金属导线制成,而且在补偿的温度范围内,要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性。,一、补偿导线法,T,T0,33,34,使用补偿导线时注意问题：,补偿导线只能用在规定的温度范围内（0100）；热电偶和补偿导线的两个接点处要保持温度相同；不同型号的热电偶配有不同的补偿导线；补偿导线的正、负极分别与热电偶正、负极相连；补偿导线的作用是将热电偶冷端延长到温度比较稳定的地方，不能使冷端为0。,35,常用的补偿导线,X：补偿导线合金丝的名义化学成分与配用的热电偶相同；C：补偿导线合金丝的名义化学成分与配用的热电偶不同。,36,二、冰点槽法（冰浴法）,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。一般只适用于实验室中，工业中使用极为不便。,37,例:用铜-康铜热电偶测某一温度T，冷端在室温环境T0中，测得热电动势EAB(T，T0)=1.999mV，又用室温计测出T0=21，查此种热电偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.832mV，故得EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，0)=1.999+0.832=2.831(mV)再次查分度表，与2.831mV对应的热端温度T=68。,三、冷端温度计算校正法,当热电偶的冷端温度T0 0C，而是环境温度时，所测得的热电势为EAB(T，T0)，与冷端为0C时所测得的热电势EAB(T，0)不等。可以用下式计算并修正测量误差：EAB(T,0)=EAB(T,T0)+EAB(T0,0),38,四、补偿电桥法,四个桥臂：R13 为阻值恒定的锰铜电阻、RCu为铜电阻设计时使20下电桥平衡(R1=R2=R3=RCu)，此时Uab=0，电桥对仪表读数无影响。,39,6-1 什么是热电效应？6-2 热电偶的基本定律有哪些，其基本内容是什么，对热电偶的测量有什么样的理论指导作用？6-3 热电偶测温时为什么要进行冷端温度补偿？其冷端温度补偿方法有哪几种？,习题与思考题,