《傳感器與檢測技術》課件-項目五 熱電偶

項目五熱電偶知識目標

掌握熱電偶的工作原理、分類、溫度校正；了解熱電偶的放大電路及應用。技能目標

根據(jù)不同工作環(huán)境，靈活選擇溫度校正方案；熟練掌握熱電偶型號與補償導線的匹配；熟練使用熱電偶分度表。知識準備1．熱電偶工作原理熱電勢效應將兩種電子密度不同的導體如圖連接成閉合回路,如果兩端所處的溫度不同時，在該回路內(nèi)就會產(chǎn)生接觸熱電動勢和溫差電動勢。熱電偶的熱電勢由接觸電勢和溫差電勢兩部分組成。（1）溫差電動勢溫差電動勢是同一導體的兩端因其溫度的不同而產(chǎn)生的一種熱電動勢。根據(jù)物理學的推導有下列公式：

（2）接觸電勢當兩種導體A和B接觸時，由于兩種材料電子密度不同（如），在熱端從A擴散到B的電子數(shù)目多，使冷端AB之間形成電位差，此即接觸電動勢。其大小取決于A、B的性質及接觸點的溫度，而與其形狀尺寸無關。

根據(jù)物理學性質可推導下列公式：（3）回路總電動勢

實驗和理論均已證明：熱電偶回路的熱電動勢主要是由接觸電勢引起的，故總電勢可整理為：

可見，當導體材料A、B確定后，總電勢僅與溫度和有關。如果能使冷端溫度固定，則總電勢就只與溫度成單值函數(shù)關系：相關結論：（1）如果熱電偶兩電極A、B材料相同，則無論兩端溫度如何，熱電偶回路的總熱電勢恒為零。（2）如熱電偶兩接點溫度相同即，盡管導體，的材料不同，熱電偶回路內(nèi)的總熱電動勢亦為零。

（3）熱電偶的熱電勢，材料的中間溫度無關，只與接觸點溫度有關。（4）若，材料確定，熱電勢是兩接點溫度和的函數(shù)差，即

2．熱電偶的種類1）標準熱電偶：指國家標準規(guī)定了其熱電勢與溫度的關系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標準分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。我國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標準生產(chǎn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標準化熱電偶為我國統(tǒng)一設計型熱電偶。2）非標準化熱電偶：指在使用范圍或數(shù)量級上均不及標準化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。S型分度表（參考溫度為0℃）K型分度表（參考溫度為0℃）B型分度表（參考溫度為0℃）E型分度表（參考溫度為0℃）J型分度表（參考溫度為0℃）T型分度表（參考溫度為0℃）3．熱電偶的結構類型1）普通型熱電偶2）鎧裝熱電偶1、反應速度快2、適合于測量發(fā)動機排氣等氣體的溫度3、與其它測量結構相比機械強度差a）露端型b）接殼型1、反應速度快2、不適合與干擾的場合c）絕緣型1、反應速度比接殼型慢2、使用壽命長3、防電干擾d）分離式絕緣性1、可避免雙支之間信號干擾2、其他特點同絕緣型3）多點型熱電偶4）微型熱電偶5）薄膜熱電偶6）表面熱電偶7）浸入式熱電偶4．熱電偶冷端的溫度補償1）補償導線法為什么要用補償導線？實際測溫時，由于熱電偶長度有限，自由端溫度將直接受到被測物溫度和周圍環(huán)境溫度的影響。

使用補償導線必須注意的四個問題：（1）兩根補償導線與熱電偶兩個熱電極的接點必須具有相同的溫度；（2）各種補償導線只能與相應型號的熱電偶配用；（3）必須在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)使用；（4）極性切勿接反。表5-4常用的補償導線2）冷端溫度校正法當冷端溫度不等于0℃，需要對熱電偶回路的測量電勢值加以修正。當工作端溫度為t時，分度表可查與

。根據(jù)中間導體定律，可得熱電偶熱電勢的計算公式：例：用鎳鉻-鎳硅熱電偶測量加熱爐溫度。已知冷端溫度℃，測得熱電勢為，求加熱爐溫度。解：查鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表得可得：

由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表得t=829.8℃3）冰浴法4）補償電橋法補償原理：將帶有銅熱電阻的補償電橋與被補償?shù)臒犭娕即?lián)，銅與熱電偶的冷端置于同一溫度場。室溫時，電橋輸出為零，當冷端溫度變化時，銅電阻阻值變化造成電橋不平衡輸出。此不平衡輸出電壓對熱電偶輸出變化有抵消作用。

5．熱電偶測溫線路1）熱電偶單點測溫線路2）熱電偶多點測量線路1—主熱電偶2—輔助熱電偶3—恒溫箱4—接線端子排5—切換開關6—顯示儀表7—補償導線；8—銅導線3）熱電偶的連接（a）熱電偶并聯(lián)線路并聯(lián)線路的特點：當有一只熱電偶燒斷時，難以覺察出來。當然，它也不會中斷整個測溫系統(tǒng)的工作。（b）熱電偶串聯(lián)線路（c）熱電偶反向串聯(lián)線路

串聯(lián)線路的優(yōu)點：熱電動勢大，儀表的靈敏度大大增加，且避免了熱電偶并聯(lián)線路存在的缺點，可立即發(fā)現(xiàn)有斷路。缺點：只要有一支熱電偶斷路，整個測溫系統(tǒng)將停止工作。任務實施1．熱電偶用于金屬表面溫度的測量金屬表面溫度測量對于機械、冶金、能源、國防等部門是普遍而重要的問題。根據(jù)對象特點，測溫范圍從幾百度到一千多攝氏度，多采用直接測量方法。也就是用各種型號及規(guī)格的熱電偶，用粘接劑及焊接的方法，將熱電偶與被測金屬的表面直接接觸，然后把熱電偶接到顯示儀表上，組成測溫系統(tǒng)，指示出金屬表面的溫度。

一般當被測金屬表面溫度在200~300℃時，可采用粘貼劑將熱電偶結點粘附在金屬表面，工藝簡單。當被測表面溫度較高，而且要求測量精度和響應時間小的情況下，常采用焊接的方法，將熱電偶的結點焊于金屬表面。2．熱電偶在空調(diào)系統(tǒng)中的應用在空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測中，只需要對空調(diào)系統(tǒng)中的冷凍水、冷卻水的出水與回水的溫差進行控制，使得不管系統(tǒng)的使用量如何變化，出水與回水的溫差值為恒定,保證系統(tǒng)的供冷處于最佳狀態(tài)，從而達到節(jié)能效果。3．熱電偶傳感器在飛行實驗中的應用在某型飛機的設計定型中，用1RW10熱電偶傳感器和DVI采集器來測量“發(fā)動機A3引氣口溫度”和“TPU排氣溫度”。一只1RW10傳感器可以測量3個點，而一塊DVI采集器的熱電偶采集板可以測量8路熱電偶參數(shù)，而且DVI采集器的熱電偶采集板帶冷端溫度補償。它的采集原理如圖5-14所示。4．紅外熱電偶SDB21型紅外熱電偶已應用于隧道窯高溫區(qū)窯頂測溫（1750℃）、氧化鋁廠焙燒爐測溫（1200）、陶瓷廠窯爐爐壁測溫（1600℃）、碳素廠焙燒測溫（1400℃）、玻璃窯碹頂測溫（1600