熱電偶-熱電偶（傳感技術(shù)課件）

項目5熱電偶熱電偶在城市軌道交通車輛的空調(diào)系統(tǒng)中，常采用傳感器與電子溫控器相配合進行溫度控制。溫控器多使用電子調(diào)節(jié)器，傳感器用作溫度檢測，一般采用熱電偶或熱敏電阻作傳感器。熱電偶測溫的主要優(yōu)點1.屬于自發(fā)電型傳感器：測量時可以不需外加電源，可直接驅(qū)動動圈式儀表。2.測溫范圍廣：下限可達-270℃

，上限可達1800℃以上。3.各溫區(qū)中的各種熱電偶的熱電動勢均符合國際計量委員會的標準。4.已形成系列化、標準化的一種測溫傳感器，可以選用標準的顯示儀表和記錄儀表（二次儀表）來進行顯示和記錄，由二次儀表中的微處理器判斷被測溫度的上下限，從而控制交流接觸器的通斷。熱電偶工作原理演示

結(jié)論：當兩個結(jié)點溫度不相同時，回路中將產(chǎn)生電動勢。熱電極A右端稱為：自由端（參考端、冷端）

左端稱為：測量端（工作端、熱端）

熱電極B熱電動勢A從實驗到理論：熱電效應(yīng)

1821年，德國物理學(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接觸點（稱為結(jié)點），發(fā)現(xiàn)放在回路中的指南針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。說明回路中產(chǎn)生了什么？1－工作端2－熱電極A3－熱電極B4－指南針5－參考端熱電偶：兩種不同材料的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）A和B組成閉合回路。A、B是熱偶絲，也叫熱電極。熱電勢：熱電偶放在被測對象中，兩端溫度不同時，會產(chǎn)生的電動勢。熱電流：回路中通過的電流。熱端（工作端）、冷端（自由端）：感受溫度變化的那端稱為熱端，另一端稱為冷端。熱電效應(yīng)熱電勢由溫差電勢和接觸電勢組成。若將導(dǎo)體A或B的兩端分別置于不同的溫度場t、t0中（t>t0），在導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生了電位差，將該電位差稱為溫差電勢。

eA(t，t0)=UA(t)-UA(t0)eB(t，t0)=UB(t)-UB(t0)溫差電勢的大小與導(dǎo)體的電子密度及兩端溫度有關(guān)。熱電勢接觸電勢當A和B兩種不同材料的導(dǎo)體接觸時，在A與B兩導(dǎo)體的接觸處產(chǎn)生的電位差，稱為接觸電勢。eAB(t)=UA(t)-UB(t)eAB(t0)=UA(t0)-UB(t0)溫度越高，接觸電勢越大；兩種導(dǎo)體電子密度的比值越大，接觸電勢越大。熱電勢接觸電勢的大小與接點處溫度高低和導(dǎo)體的電子密度有關(guān)。熱電偶回路的總電勢

熱電偶回路的總電勢為EAB(t，t0)=eAB(t)–eAB(t0)–eA(t，t0)+eB(t，t0)熱電偶回路的總電勢

一般地，在熱電偶回路中接觸電勢遠遠大于溫差電勢，所以溫差電勢可以忽略不計。EAB(t，t0)=eAB(t)-eAB(t0)熱電偶回路的總電勢

熱電偶回路中熱電勢的大小，只與組成熱電偶的導(dǎo)體材料和兩接點的溫度有關(guān)，而與熱電偶的形狀尺寸無關(guān)。當熱電偶兩電極材料固定后，熱電動勢便是兩接點溫度為t和t0時的函數(shù)差，即EAB(t，t0)=f(t)-f(t0)如果使冷端溫度t0保持不變，則熱電動勢便成為熱端溫度t的單一函數(shù)，即

EAB(t，t0)=f(t)-C=φ(t)用實驗方法求取這個函數(shù)關(guān)系。通常令t0=0℃，然后在不同的溫差（t-t0）情況下，精確地測定出回路總熱電動勢，并將所測得的結(jié)果列成表格（稱為熱電偶分度表），供使用時查閱。熱電偶的三條基本定律均勻?qū)w定律、中間導(dǎo)體定律、中間溫度定律1.均勻?qū)w定律

1）定律內(nèi)容：由一種均勻?qū)w（或半導(dǎo)體）組成的閉合回路，不論溫度如何分布，都不能產(chǎn)生電動勢。

2）定律推論（1)熱電偶必須由兩種不同材料組成（2)由一種材料組成的閉合回路存在溫差時，如回路有熱電勢，則材料不均勻。2.中間導(dǎo)體定律1）定律內(nèi)容：不同材料組成的閉合回路中，若各種材料接觸點的溫度都相同，則回路中熱電勢的總和等于零。2）定律推論推論：在熱電偶回路接入第三種導(dǎo)體，若第三種導(dǎo)體的兩接點溫度相同，對回路中總熱電勢無影響。連接顯示儀表的兩個接點溫度相同，則不影響熱電偶電勢。熱電偶的三條基本定律3.中間溫度定律定律內(nèi)容：熱電偶在兩接點溫度t1、t3時的熱電動勢等于接點溫度分別為t1、t2和t2、t3

的兩支同性質(zhì)熱電偶的熱電動勢的代數(shù)和。+At1t2BE1+At3BE2EAB(t1,t2)＋EAB(t2,t3)=eAB(t1)+eBA(t2)+eAB(t2)+eBA(t3)=eAB(t1)+eBA(t3)=EAB(t1,t3)+At1t3BE3=E1+E2熱電偶的三條基本定律熱電偶的種類及結(jié)構(gòu)

八種國際通用熱電偶：B:鉑銠30—鉑銠6

R:鉑銠13—鉑S:鉑銠10—鉑K:鎳鉻—鎳硅N:鎳鉻硅—鎳硅E:鎳鉻—銅鎳J:鐵—銅鎳T:銅—銅鎳用于制造鉑熱電偶的各種熱電偶絲幾種國標熱電偶的測溫范圍及熱電動勢

分度號

名稱

測量溫度范圍

1000℃熱電動勢/mVB鉑銠30－鉑銠650～1820℃4.834R鉑銠13—鉑-50～1768℃10.506S鉑銠10—鉑-50～1768℃9.587K鎳鉻－鎳硅

(鋁)-270～1370℃41.276E鎳鉻－銅鎳(康銅)-270～800℃—熱電偶的分度表

—熱電偶的線性較差，多數(shù)情況下采用查表法我國從1991年開始采用國際計量委員會規(guī)定的“1990年國際溫標”(簡稱ITS-90)的新標準。按此標準,制定了相應(yīng)的分度表,并且有相應(yīng)的線性化集成電路與之對應(yīng)，并由計算機查表。

直接從熱電偶的分度表查溫度與熱電動勢的關(guān)系時的約束條件是：自由端（冷端）溫度必須為0℃。查熱電偶分度表（溫度/毫伏數(shù)）

數(shù)字式溫度表溫度上限設(shè)定值溫度上限值設(shè)定鍵單片機自動查分度表，并顯示被測溫度值K型熱電偶的分度表分別查出-100℃、+100℃時的2個熱電動勢。計算與0℃之差，體會熱電動勢的非線性。裝配式熱電偶的外形安裝螺紋安裝法蘭普通裝配式熱電偶的結(jié)構(gòu)圖接線盒引出線套管

固定螺紋

（出廠時用塑料包裹）熱電偶工作端（熱端）

不銹鋼保護管

普通工業(yè)用裝配式熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖接線盒保險套管絕緣套管熱電偶絲鎧裝式熱電偶鎧裝熱電偶的制造工藝：把熱電極材料與高溫絕緣材料預(yù)置在金屬保護管中、運用同比例壓縮延伸工藝、將這三者合為一體，制成各種直徑、規(guī)格的鎧裝偶體，再截取適當長度、將工作端焊接密封、配置接線盒即成為柔軟、細長的鎧裝熱電偶。鎧裝熱電偶特點：內(nèi)部的熱電偶絲與外界空氣隔絕，有著良好的抗高溫氧化、抗低溫水蒸氣冷凝、抗機械外力沖擊的特性。鎧裝熱電偶可以制作得很細，能解決微小、狹窄場合的測溫問題，且具有抗震、可彎曲、超長等優(yōu)點。鎧裝型熱電偶外形法蘭鎧裝型熱電偶可長達上百米薄壁金屬保護套管（鎧體）

BA絕緣材料鎧裝型熱電偶橫截面鎧裝型熱電偶外形接線卡屏蔽層測量端（熱端）鎧裝式熱電偶在設(shè)備中的安裝快速反應(yīng)薄膜熱電偶用真空蒸鍍等方法使兩種熱電極材料蒸鍍到絕緣板上而形成薄膜裝熱電偶，熱接點約0.01～0.lμm。特別適用于對壁面溫度的快速測量。安裝時，用粘結(jié)劑將它粘結(jié)在被測物體壁面上。尺寸約為60×6×0.2mm;測溫范圍在300℃以下；反應(yīng)時間僅為幾ms。

4123快速反應(yīng)薄膜熱電偶1—熱電極2—熱接點3—絕緣基板4—引出線隔爆式熱電偶結(jié)構(gòu)特點：隔爆熱電偶的接線盒在設(shè)計時采用防爆的特殊結(jié)構(gòu)，它的接線盒是經(jīng)過壓鑄而成的，有一定的厚度、隔爆空間，機構(gòu)強度較高；采用螺紋隔爆接合面，并采用密封圈進行密封，因此，當接線盒內(nèi)一旦放弧時，不會與外界環(huán)境的危險氣體傳爆，能達到預(yù)期的防爆、隔爆效果。使用場合：工業(yè)用的隔爆型熱電偶多用于化學(xué)工業(yè)自控系統(tǒng)中（由于在化工生產(chǎn)廠、生產(chǎn)現(xiàn)場常伴有各種易燃、易爆等化學(xué)氣體或蒸汽，如果用普通熱電偶則非常不安全、很容易引起環(huán)境氣體爆炸）。隔爆式熱電偶外形厚壁保護管壓鑄的接線盒電纜線法蘭盤其他熱電偶外形小型K型熱電偶熱電偶的冷端溫度補償必要性：用熱電偶的分度表查毫伏數(shù)-溫度時，必須滿足t0=0℃的條件。在實際測溫中，冷端溫度常隨環(huán)境溫度而變化，這樣t0不但不是0℃，而且也不恒定，因此將產(chǎn)生誤差。儀表機械零點調(diào)整法當熱電偶與動圈式儀表配套使用時，若熱電偶的冷端溫度比較恒定，對測量精度要求又不太高時，可將動圈儀表的機械零點調(diào)整至熱電偶冷端所處的溫度t0處，這相當于在輸入熱電偶的熱電勢前就給儀表輸入一個熱電勢E（t0,0℃）。這樣，儀表在使用時所指示的值約為E（t0,0℃）+E（t,t0）。進行儀表機械零點調(diào)整時，首先必須將儀表的電源及輸入信號切斷，然后用螺釘旋具調(diào)節(jié)儀表面板上的螺釘使指針指到的刻度上。當氣溫變化時，應(yīng)及時修正指針的位置。此法雖有一定的誤差，但非常簡便，在工業(yè)上經(jīng)常采用。儀表機械零點調(diào)整法用螺絲刀調(diào)節(jié)儀表面板上的“機械零點”，使指針指到氣溫t0（圖中為40℃）的刻度上。機械零點指針被預(yù)調(diào)到室溫（40℃

）可補償冷端損失冷端溫度校正法1.問題提出分度的冷端溫度為0℃，如測溫時熱電偶是t0不為0℃，不能用測得E(t,t0)直接查分度表求t。2.計算公式E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)（中間溫度定律）用E(t,0)查表求t。冰浴法冷端放入一個溫度恒為0℃的冰點槽中將水與冰屑混合放入保溫瓶，在瓶蓋上插入盛變壓器油的試管，熱電偶的冷端插入到試管中。電橋補償法原理：冷端波動熱電勢由不平衡電橋的輸出補償。設(shè)計不平衡電橋，電橋與熱電偶冷端溫度相同。橋臂電阻R1=R2=R3=1

（不變），Rcu是銅導(dǎo)線的補償電阻（隨溫度變化）,E是橋路直流電源，Rs是限流電阻。+-ABa+b-+ExcdR1R2R3RcuRsE具體方法Rs晶體管PN結(jié)溫度補償法1.方法：用溫敏二極管或溫敏晶體管構(gòu)成熱電偶冷端溫度補償器，其靈敏度和準確度很高。2.工作原理:在環(huán)境溫度中，將一個相應(yīng)的PN結(jié)上的電壓引入熱電偶回路。熱電偶測溫線路

1．測量某一點的溫度2．測量兩點之間的溫度差（使用相同型號的熱電偶）測量兩點間溫差測量某點溫度3．熱電偶并聯(lián)線路（測量平均溫度）4．熱電偶串聯(lián)線路（測量幾點溫度之和）熱電偶串聯(lián)

熱電偶并聯(lián)

熱電偶測溫線路熱電偶的安裝與應(yīng)用為了使管道的氣流充分與熱電偶產(chǎn)生熱交換,裝配式熱電偶應(yīng)盡可能垂直向下插入管道中。熱電偶高出管道的部分必須包扎保溫材料,否則將產(chǎn)生3~5℃的誤差。a）在肘管（彎管）上的安裝b）在擴展管上的安裝1－管道2－絕熱層3－熱電偶4－安裝螺栓5－墊片6－接線盒7－補償導(dǎo)線8－焊臺9－擴大管裝配式熱電偶在

鍋爐中的安裝適合不同被測壁面的熱電偶安裝方法

1—發(fā)熱元件2—散熱片3—薄膜熱電偶4—絕熱保護層

5—硬質(zhì)車刀6—用激光加工的斜孔7—露頭式鎧裝熱電偶的測量端8—薄壁金屬保護管9—冷端10—工件a）薄膜熱電偶測量表面溫度

b）鎧裝式熱電偶測量車刀的核心溫度

c）鎧裝式熱電偶測量電動機外殼溫度與熱電偶配套的儀表

由于我國生產(chǎn)的熱電偶均符合ITS-90國際溫標所規(guī)定的標準，其一致性非常好，所以國家又規(guī)定了與標準熱電偶配套的儀表，它們的顯示值為溫度，而且均已線性化。國家標準的動圈式顯示儀表命名為XC系列。有指示型（XCZ）和指示調(diào)節(jié)型（XCT）等系列品種。與K型熱電偶配套的動圈儀