熱電偶測(cè)溫原理及應(yīng)用

工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)

湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院Welcometo

MyClass主講:鄔文俊講師--湖北工業(yè)大學(xué)精品課程科學(xué)引領(lǐng)工程，工程引入課堂

設(shè)計(jì)和制作：何濤教授及工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)

2/5/20231溫度是物理現(xiàn)象中具有代表性的物理量是十大計(jì)量單位之一現(xiàn)代生活中溫度測(cè)量和控制是不可缺少的，如家用電器：電飯煲、電冰箱、空調(diào)、微波爐這些家用電器中都少不了溫度傳感器。概述2/5/20232紅外人體探測(cè)器現(xiàn)代樓宇自動(dòng)化(電源管理、安全監(jiān)測(cè)、照明控制、空調(diào)控制、停車管理、水/廢水管理和電梯監(jiān)控)中溫度是不可缺少的，概述2/5/20233現(xiàn)代工業(yè)中溫度測(cè)量和控制是不可缺少的，概述精確的煙草烘干木材烘干2/5/20234

溫度傳感器的種類很多：

熱膨脹溫度傳感器：有液體、氣體的玻璃式溫度計(jì)、體溫計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛；

半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器：家電、汽車上使用，價(jià)格便宜、用量大、成本低、性能差別不大；金屬電阻、熱電偶、紅外溫度傳感器：工業(yè)上常用，性能價(jià)格差別比較大，精度高的通常價(jià)格比較昂貴。集成溫度傳感器，利用晶體管PN結(jié)電流、電壓隨溫度變化，有專用集成電路，體積小、響應(yīng)快、價(jià)廉，測(cè)量150℃以下溫度。概述2/5/20235第9講溫度傳感器原理與應(yīng)用

-熱電偶ThermoelectricCoupleSensors一、熱電偶的工作原理；二、熱電偶測(cè)溫實(shí)驗(yàn)三、熱電偶測(cè)溫基本定律四、熱電偶的冷端補(bǔ)償及補(bǔ)償導(dǎo)線2/5/20236YC-811報(bào)警溫度計(jì)

分辨率:0.1°C/0.1°F

KType:鎳鉻-鎳硅熱電偶可測(cè)溫度范圍-200°C~1372°C可設(shè)定上下限蜂鳴報(bào)警實(shí)驗(yàn)：測(cè)冰水溫度、測(cè)沸水溫度（觀察準(zhǔn)確度和響應(yīng)時(shí)間）2/5/20237結(jié)論：當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度不相同時(shí)，回路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。

熱電極A自由端（冷端、參考端）

測(cè)量端（熱端、工作端）

熱電極B熱電勢(shì)ABnA>nB結(jié)點(diǎn)1結(jié)點(diǎn)2一、熱電偶的工作原理

2/5/20238結(jié)論：熱電偶兩結(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的總的熱電勢(shì)等于熱端熱電勢(shì)與冷端熱電勢(shì)之差，是兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫差Δt

的函數(shù)：EAB（T，T0）=eAB（

T）-eAB（

T0

）熱電勢(shì)與兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫差Δt成函數(shù)關(guān)系2/5/202391、熱電效應(yīng)

1821年，德國(guó)物理學(xué)家賽貝克用兩種不同金屬組成閉合回路，并用酒精燈加熱其中一個(gè)結(jié)點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)放在回路中的指南針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，如果用兩盞酒精燈對(duì)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)同時(shí)加熱，指南針的偏轉(zhuǎn)角反而減小。顯然，指南針的偏轉(zhuǎn)說(shuō)明回路中有電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生并有電流在回路中流動(dòng)，電流的強(qiáng)弱與兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫差有關(guān)。將兩種不同材料的導(dǎo)體A和B串接成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)溫度不同時(shí)，在回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。！兩端溫度不同的導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)！兩種不同的導(dǎo)體接在一起會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)？能用來(lái)制作傳感器嗎ABTT02/5/2023102、熱電勢(shì)的組成：接觸電勢(shì)當(dāng)相互接觸的兩金屬密度不同時(shí)產(chǎn)生接觸電勢(shì)。溫差電勢(shì)同一金屬，若兩端的溫度不同則產(chǎn)生溫差電勢(shì)。2/5/202311兩種不同的金屬互相接觸時(shí)，由于不同金屬內(nèi)自由電子的密度不同，在兩金屬A和B的接觸點(diǎn)處會(huì)發(fā)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象。自由電子將從密度大的金屬A擴(kuò)散到密度小的金屬B，使A失去電子帶正電，B得到電子帶負(fù)電，從而產(chǎn)生接觸電勢(shì)。

自由電子＋ABEAB（

T）T接觸電勢(shì)的大小與溫度有關(guān)式中:K——波爾茲曼常數(shù);e——單位電荷電量;NAT、NBT——溫度為T導(dǎo)體A、B的電子密度。方向：從密度小指向密度大的接觸電勢(shì)2/5/202312ABTT0兩個(gè)結(jié)點(diǎn)處分別有兩個(gè)接觸電勢(shì)，且方向相反。整個(gè)回路中總的接觸電動(dòng)勢(shì)為：如果兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫度相同，T=T0，則總接觸電動(dòng)勢(shì)為0圖中：NA>NB，T>T0以順時(shí)針為正EAB(T)EAB(T0)2/5/202313同一導(dǎo)體的兩端溫度不同時(shí),高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大,因而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,因此,在導(dǎo)體兩端便形成溫差電勢(shì)。自由電子TT0接觸電勢(shì)的大小與密度有關(guān)式中:K——波爾茲曼常數(shù);e——單位電荷電量;NAT——溫度為T導(dǎo)體A的電子密度。＋AEA(T,T0)方向：從低溫指向高溫溫差電勢(shì)2/5/202314ABTT0整個(gè)回路中總的溫差電動(dòng)勢(shì)為：如果AB兩金屬的密度相同，則總溫差電動(dòng)勢(shì)為0以順時(shí)針為正EB(T,T0)EA(T,T0)2/5/202315接觸電勢(shì)當(dāng)相互接觸的兩金屬的密度不同時(shí)產(chǎn)生接觸電勢(shì)，其大小與結(jié)點(diǎn)的溫度相關(guān)。溫差電勢(shì)同一金屬，若兩端的溫度不同則產(chǎn)生溫差電勢(shì)，其大小其密度相關(guān)。結(jié)論：2/5/202316回路中總熱電動(dòng)勢(shì)為：EAB(T,T0)=EB(T,T0)+EAB(T)-

EAB(T0)-EA(T,T0)以順時(shí)針為正藍(lán)色的為接觸電勢(shì)綠色的為溫差電勢(shì)ABTT0EB(T,T0)EA(T,T0)如果A、B密度相同（均質(zhì)導(dǎo)體），則不存在接觸電動(dòng)勢(shì)，兩導(dǎo)體內(nèi)溫差電動(dòng)勢(shì)，大小相等，方向相反，總熱電勢(shì)為0。即為均質(zhì)導(dǎo)體定律如果兩結(jié)點(diǎn)溫度相同（T=T0），則不存在溫差電動(dòng)勢(shì)，兩結(jié)點(diǎn)處接觸電動(dòng)勢(shì)，大小相等，方向相反，總熱電勢(shì)為0.EAB(T)EAB(T0)由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路中,不論導(dǎo)體的截面和長(zhǎng)度如何以及各處的溫度分布如何,都不能產(chǎn)生熱電勢(shì)。2/5/202317熱電勢(shì)=接觸電勢(shì)+溫差電勢(shì)EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)+EB(T,T0)-EA(T,T0)結(jié)論：當(dāng)nA=nB，不存在接觸電勢(shì)EAB

E總=EB(T,T0)-

EA(T,T0)=0當(dāng)T=T0，不存在溫差電勢(shì)EA、EB

E總=EAB(T)-EAB(T0)=02/5/202318（1）在總熱電勢(shì)中,溫差電勢(shì)比接觸電勢(shì)小很多,可忽略不計(jì),熱電偶的熱電勢(shì)可表示為：EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)

（2）對(duì)于已選定的熱電偶,當(dāng)參考端溫度T0恒定時(shí),EAB(T0)=C為常數(shù),則總的熱電勢(shì)就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)系,即EAB(T,T0)=EAB(T)-C=f(T)3、熱電勢(shì)與被測(cè)溫度的關(guān)系：（3）實(shí)際應(yīng)用中,熱電勢(shì)與溫度之間關(guān)系是通過(guò)熱電偶分度表來(lái)確定的。分度表是在參考端溫度為0℃時(shí),通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立起來(lái)的熱電勢(shì)與工作端溫度之間的數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系。2/5/202319K熱電偶的分度表

熱電偶的冷端溫度為0C，查表得出被測(cè)溫度？如何利用分度表來(lái)確定溫度？3種環(huán)境下（K型熱電偶）熱端的熱電勢(shì)分別為0、為4、為-3.5。2/5/2023204、幾種常用熱電偶分度號(hào)

名稱

測(cè)量溫度范圍

1000C熱電勢(shì)/mVB鉑銠30－鉑銠650～1820C4.834R鉑銠13—鉑-50～1768C10.506S鉑銠10—鉑-50～1768C9.587K鎳鉻－鎳鉻(鋁)-200～1372C41.276E鎳鉻－銅鎳(康銅)－270～800C——?2/5/202321幾種常用熱電偶的熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系曲線分析

哪幾種熱電偶的測(cè)溫上限較高？

結(jié)論：哪幾種熱電偶的線性較差？哪一種熱電偶的靈敏度較高？

哪一種熱電偶的靈敏度較低？為什么所有的曲線均過(guò)原點(diǎn)（零度點(diǎn)）？2/5/202322二、熱電偶測(cè)溫實(shí)驗(yàn)測(cè)出變色涂料的變色溫度超溫報(bào)警實(shí)驗(yàn)CPU散熱風(fēng)扇低溫時(shí)顯示藍(lán)色溫度升高后變?yōu)榧t色2/5/202323問(wèn)題：1、測(cè)量時(shí)，熱端在哪？冷端在哪？熱電勢(shì)是用什么檢測(cè)儀表測(cè)量的？測(cè)量?jī)x表的導(dǎo)線與熱電阻的導(dǎo)體不同，是不是會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響？2、冷端怎么保持0度？若是不為0度怎么辦？2/5/2023241)中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只要其兩端的溫度相等，該導(dǎo)體的接入就不會(huì)影響熱電偶回路的總熱電動(dòng)勢(shì)。TT0V同時(shí)也解決了測(cè)量頭熱端遠(yuǎn)離冷端的問(wèn)題，中間可用其他導(dǎo)線連接。三、熱電偶測(cè)溫基本定律2/5/2023252)中間溫度定律熱電偶AB在接點(diǎn)溫度為T、T0時(shí)的熱電勢(shì)EAB(T,T0）等于熱電偶AB在接點(diǎn)溫度T、Tc和Tc、T0時(shí)的熱電勢(shì)的代數(shù)和：EAB(T,T0）=EAB(T,Tc）+EAB(Tc,T0）

ABTT0=ABTTC+ABTcT0該定律是參考端溫度計(jì)算修正法的理論依據(jù)。在實(shí)際熱電偶測(cè)溫回路中,利用熱電偶這一性質(zhì),可對(duì)參考端溫度不為0℃的熱電勢(shì)進(jìn)行修正。2/5/202326熱電偶基本定律解決了兩個(gè)問(wèn)題：1、實(shí)際測(cè)量時(shí)冷端和熱端相隔很遠(yuǎn)（中間導(dǎo)體定律）熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線2、實(shí)際測(cè)量時(shí)冷端溫度不為0度（中間溫度定律

）冷端補(bǔ)償四、熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線及冷端溫度補(bǔ)償2/5/202327

在實(shí)際測(cè)溫時(shí),需要把熱電偶輸出的電勢(shì)信號(hào)傳輸?shù)竭h(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)數(shù)十米的控制室里的顯示儀表或控制儀表,這樣參考端溫度t0也比較穩(wěn)定。熱電偶一般做得較短需要用導(dǎo)線將熱電偶的冷端延伸出來(lái)。工程中采用一種補(bǔ)償導(dǎo)線,它通常由兩種不同性質(zhì)的廉價(jià)金屬導(dǎo)線制成,而且在0~100℃溫度范圍內(nèi),要求補(bǔ)償導(dǎo)線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線2/5/202328(1)參考端溫度修正法：參考端溫度不等于0℃,則需要對(duì)熱電偶回路的電勢(shì)值加以修正,修正值為EAB(t0,0)。經(jīng)修正后的實(shí)際熱電勢(shì),可由分度表中查出被測(cè)實(shí)際溫度值。EAB(T,0）=EAB(T,T0）+EAB(T0,0）(2)參考端0℃恒溫法：在實(shí)驗(yàn)室及精密測(cè)量中,通常把參考端放入裝滿冰水混合物的容器中,以便參考端溫度保持0℃.(3)參考端溫度自動(dòng)補(bǔ)償法（補(bǔ)償電橋法）：補(bǔ)償電橋法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓作為補(bǔ)償信號(hào),來(lái)自動(dòng)補(bǔ)償熱電偶測(cè)量過(guò)程中因參考端溫度不為0℃或變化而引起熱電勢(shì)的變化值。冷端補(bǔ)償方法2/5/202329如圖所示,不平衡電橋由三個(gè)電阻溫度系數(shù)較小的錳銅絲繞制的電阻r1、r2、r3、電阻溫度