機(jī)械工程測試技術(shù)-第四章

第四章：

熱電偶傳感器石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院電氣工程系石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院干燥技術(shù)與裝備實驗室《機(jī)械工程測試技術(shù)》第四章 熱電偶傳感器內(nèi)容提示：4.1熱電偶測溫原理4.2熱電偶的基本定律4.3熱電極材料及常用熱電偶4.4熱電偶的結(jié)構(gòu)4.5熱電偶的冷端補(bǔ)償4.6熱電偶的常用測溫電路4.1熱電偶測溫原理熱電偶工作原理演示

結(jié)論：當(dāng)兩個結(jié)點溫度不相同時，回路中將產(chǎn)生電動勢。

熱電極A熱電極B熱電勢AB4.1熱電偶測溫原理4.1.1什么是熱電偶

一端結(jié)合在一起的一對不同材料的導(dǎo)體，并應(yīng)用其熱電效應(yīng)實現(xiàn)溫度測量的敏感元件被稱為熱電偶。熱端冷端4.1熱電偶測溫原理4.1.2熱電效應(yīng)

熱電效應(yīng)這個術(shù)語包含了三個分別經(jīng)定義過的效應(yīng)：塞貝克效應(yīng)（Seebeckeffect）、帕爾帖效應(yīng)（Peltiereffect）、及湯姆遜效應(yīng)（Thomsoneffect）。 塞貝克效應(yīng)——兩種不同金屬構(gòu)成的回路中，如果兩種金屬的結(jié)點處溫度不同，該回路中就會產(chǎn)生一個電動勢(或稱為塞貝克電動勢)。 該電動勢由兩部分構(gòu)成：接觸電動勢和溫差電動勢。4.1熱電偶測溫原理4.1.3接觸電動勢

由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動勢，又稱為帕爾貼電動勢。 接觸電動勢的數(shù)值取決于兩種不同導(dǎo)體的材料特性和接觸點的溫度。4.1.3接觸電動勢接觸電動勢的大小可以表示為：4.1熱電偶測溫原理4.1.4溫差電動勢 同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種電動勢，又稱為湯姆遜電動勢。 機(jī)理：高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大，從高溫端跑到低溫端的電子數(shù)比從低溫端跑到高溫端的要多，結(jié)果高溫端因失去電子而帶正電，低溫端因獲得多余的電子而帶負(fù)電，在導(dǎo)體兩端便形成溫差電動勢。EA(T,T0)4.1熱電偶測溫原理4.1.5熱電偶的回路電動勢EAB(T,T0)=EAB(T)-EA(T,T0)-EAB(T0)+EB(T,T0)4.1熱電偶測溫原理4.1.5熱電偶的回路電動勢如果使冷端溫度T0保持恒定，則對一定材料的熱電偶，其總電動勢就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)系，即EAB(T,T0)=f(T)–C=Φ(T)熱電勢存在必須具備兩個條件：兩種不同的金屬材料組成熱電偶熱電偶的兩端存在溫差因此，只要測出EAB(T,T0)的大小，就能得到被測溫度T。4.2熱電偶的基本定律4.2.1均質(zhì)導(dǎo)體定律4.2.2中間導(dǎo)體定律4.2.3中間溫度定律4.2.4標(biāo)準(zhǔn)電極定律4.2熱電偶的基本定律4.2.1均質(zhì)導(dǎo)體定律由兩種均質(zhì)導(dǎo)體組成的熱電偶，其熱電動勢的大小只與兩材料及兩接點溫度有關(guān)，與熱電偶的大小尺寸、形狀及沿電極各處的溫度分布無關(guān)。即熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的均質(zhì)材料構(gòu)成。4.2熱電偶的基本定律4.2.2中間導(dǎo)體定律 在熱電偶測溫回路內(nèi)，接入第三種導(dǎo)體時，只要第三種導(dǎo)體的兩端溫度相同，則對回路的總熱電動勢沒有影響。 意義：利用熱電偶進(jìn)行測溫，必須在回路中引入連接導(dǎo)線和儀表，接入導(dǎo)線和儀表后不會影響回路中的熱電勢。4.2.2中間導(dǎo)體定律t0t0tt0t1t14.2熱電偶的基本定律4.2.3中間溫度定律 在熱電偶回路中，兩結(jié)點溫度為T、T0時的熱電動勢，等于該熱電偶在結(jié)點溫度為T、Ta和Ta、T0時熱電動勢的代數(shù)和，即EAB(T,T0)=EAB(T,Ta)+EAB(Ta,T0) 實際上熱電動勢所反映的是熱端和冷端間的相對溫度差，而非熱端的絕對溫度。4.2熱電偶的基本定律4.2.4標(biāo)準(zhǔn)電極定律 如果兩種導(dǎo)體分別與第三種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢已知，則由兩種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢也就已知。4.2.4標(biāo)準(zhǔn)電極定律通常選用高純鉑絲作為標(biāo)準(zhǔn)電極，只要測得各種金屬與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢，則各種金屬之間相互組合而成的熱電阻的熱電動勢便可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電極定律求出。

例如：熱端為100℃，冷端為0℃時，鎳鉻合金與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為2.95mV，而考銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為-4.0mV，則鎳鉻和考銅組合而成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢為: 2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV4.3熱電極材料及常用熱電偶4.3.1熱電極材料在測溫范圍內(nèi)性能穩(wěn)定導(dǎo)電率要高，并且電阻溫度系數(shù)要小熱電動勢隨溫度的變化率要大，并且希望變化率在測溫范圍內(nèi)接近常數(shù)材料的機(jī)械強(qiáng)度要高，復(fù)制性好、復(fù)制工藝簡單，價格便宜4.3熱電極材料及常用熱電偶4.3.2常用熱電偶 國際電工委員會（IEC）向世界各國推薦8種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶。鉑銠10-鉑熱電偶（S型）鉑銠30-鉑銠6熱電偶（B型）鎳鉻-鎳硅熱電偶（K型）鎳鉻-考銅熱電偶（E型）鐵-考銅熱電偶（J型）銅-考銅熱電偶（T型）鎳鉻硅-鎳硅熱電偶（N型）鉑銠13-鉑熱電偶（R型）4.3熱電極材料及常用熱電偶4.3.2常用熱電偶T型-200~350℃測量精度高，但溫度范圍小，易氧化，使用較少J型-200~750℃廣泛應(yīng)用于中低溫度的測量，價格低廉，靈敏度高E型-200~900℃靈敏度高，價格低廉，但應(yīng)用較少K型-200~1250℃常被用于測量500℃以上的高溫，適用于氧化和中性氣氛中進(jìn)行測量，4.3熱電極材料及常用熱電偶4.3.2常用熱電偶N型-200~1350℃應(yīng)用較少，但可在某些場合替代昂貴的鉑型熱電偶R型0~1450℃價格昂貴，穩(wěn)定性好，但熱電動勢較低，通常被用于高溫段S型0~1450℃B型300~1700℃4.3熱電極材料及常用熱電偶4.3.3熱電偶的極性K型正極負(fù)極J型負(fù)極正極4.3熱電極材料及常用熱電偶4.3.3熱電偶的極性Fe-Con:positivelegismagneticCu-Con:positivelegiscopper-coloredNiCr-Ni:negativelegismagneticPtRh-Pt:negativelegissofter4.3熱電極材料及常用熱電偶4.3.4分度表及相關(guān)公式分度表的使用公式法

T=a0+a1v+a2v2+‥+anvn 其中a0,a1,...,an這些系數(shù)可通過查表獲得。熱電偶式溫度傳感器線性近似法 在某些有限的溫度范圍內(nèi)，可利用下面的公式對溫度與電動勢間的關(guān)系進(jìn)行線性近似。其中，V是電動勢，s為斜率，T為溫度，b為偏置電壓（為0）。在0～50℃范圍內(nèi)，可s的值列于下表中。

V=s·T+b4.4熱電偶的結(jié)構(gòu)4.4.1普通型熱電偶4.4熱電偶的結(jié)構(gòu)4.4.2鎧裝熱電偶測溫端熱容量小，動態(tài)響應(yīng)快；機(jī)械強(qiáng)度高，撓性好，可安裝在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝置上。

4.5熱電偶的冷端補(bǔ)償 實際上熱電動勢所反映的是熱端和冷端間的相對溫度差，而非熱端的絕對溫度。因此，在進(jìn)行測量時，需將冷端溫度維持在穩(wěn)定狀態(tài)，或者獲得該處的實際溫度。通常采用如下一些溫度補(bǔ)償辦法：4.5.1補(bǔ)償導(dǎo)線法4.5熱電偶的冷端補(bǔ)償在使用補(bǔ)償導(dǎo)線時必須注意以下問題：補(bǔ)償導(dǎo)線只在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)（一般為0~100℃

）與熱電偶的熱電動勢相等或接近不同型號的熱電偶有不同的補(bǔ)償導(dǎo)線熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線的兩個接點處要保持同溫度補(bǔ)償導(dǎo)線有正、負(fù)極，需分別與熱電偶的正、負(fù)極相連補(bǔ)償導(dǎo)線的作用只是延伸熱電偶的自由端，當(dāng)自由端的溫度仍不為0時，仍需其他補(bǔ)償方法進(jìn)行修正4.5熱電偶的冷端補(bǔ)償常用的補(bǔ)償導(dǎo)線4.5熱電偶的冷端補(bǔ)償4.5.2冷端溫度修正法 當(dāng)冷端溫度t0不等于0℃，需要對熱電偶回路的測量電勢值EAB（t，t0）加以修正。當(dāng)工作端溫度為t時，分度表可查EAB(t,0)與EAB(t0,0)。 根據(jù)中間溫度定律得到：EAB(t,0)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0)

4.5熱電偶的冷端補(bǔ)償4.5.3冰浴法4.5熱電偶的冷端補(bǔ)償4.5.4硬件補(bǔ)償法4.5熱電偶的冷端補(bǔ)償4.5.5軟件補(bǔ)償法 利用熱敏電阻或其他溫度傳感器將冷端溫度t0傳入數(shù)據(jù)處理模塊，實現(xiàn)對被測點溫度的修正。4.6熱電偶的常用測溫電路4.6.1測量某點溫度的基本電路4.