热电偶传感器

第一节温度测量的基本概念一、温度测量的基本概念温度标志着物质内部大量分子无规则运动的剧烈程度。温度越高，表示物体内部分子热运动越剧烈。模拟图：在一个密闭的空间里，气体分子在高温时的运动速度比低温时快！二、温标1、温度的数值表示方法称为温标。它规定了温度的读数的起点（即零点）以及温度的单位。各类温度计的刻度均由温标确定。2、国际上规定的温标有：摄氏温标、华氏温标、热力学温标等。第一节温度测量的基本概念几种温标的对比正常体温为37C，相当于华氏温度多少度？二、温标第一节温度测量的基本概念热力学温标（K）热力学温标是建立在热力学第二定律基础上的最科学的温标，是由开尔文（Kelvin）根据热力学定律提出来的，因此又称开氏温标。它的符号是T，单位是开尔文（K）。威廉·汤姆逊·开尔文勋爵像二、温标第一节温度测量的基本概念1990国际温标(ITS-90)从1990年1月1日开始在全世界范围内采用1990年国际温标，简称ITS-90。它定义了一系列温度的固定点，测量和重现这些固定点的标准仪器以及计算公式，例如水的三相点为273.16K（0.01C）等。二、温标第一节温度测量的基本概念按照用途可分为基准温度计和工业温度计；按照测量方法又可分为接触式和非接触式；按工作原理又可分为膨胀式、电阻式、热电式、辐射式等等；按输出方式分，有自发电型、非电测型等。三、温度测量及传感器分类第一节温度测量的基本概念介绍几种温度测量方法示温涂料（变色涂料）装满热水后图案变得清晰可辨三、温度测量及传感器分类第一节温度测量的基本概念变色涂料在电脑内部温度中的示温作用CPU散热风扇低温时显示蓝色温度升高后变为红色三、温度测量及传感器分类第一节温度测量的基本概念不需要电源，耐用；但感温部件体积较大。气体的体积与热力学温度成正比介绍几种温度测量方法体积热膨胀式三、温度测量及传感器分类第一节温度测量的基本概念介绍几种温度测量方法红外温度计三、温度测量及传感器分类第一节温度测量的基本概念热电偶测温的主要优点:1、它属于自发电型传感器：测量时可以不需外加电源，可直接驱动动圈式仪表；2、测温范围广：下限可达-270C，上限可达1800C以上；3、各温区中的热电势均符合国际计量委员会的标准。三、温度测量及传感器分类第一节温度测量的基本概念热电极A右端称为：自由端（参考端、冷端）第二节热电偶的工作原理左端称为：测量端（工作端、热端）热电极B热电势AB先看一个实验——热电偶工作原理演示结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。一、热电效应1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在回路中的指针发生偏转（说明什么？），如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指针的偏转角反而减小（又说明什么？）。显然，指针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。从实验到理论：热电效应第二节热电偶的工作原理一、热电效应自由电子＋ABeAB（T）T结点产生热电势的微观解释及图形符号两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，从而产生热电势。从实验到理论：热电效应第二节热电偶的工作原理一、热电效应热电效应的定义：将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。第二节热电偶的工作原理一、热电效应BAABNNekTTeln)(ABTT0k——玻耳兹曼常数，e——电子电荷量，T——接触处的温度，NA，NB——分别为导体A和B的自由电子密度。BAABNNekTTeln)(00接触电动势不同材料之间:节点处电子的扩散所致第二节热电偶的工作原理二、热电势（接触电动势和温差电动势）温差电动势0TAATedTσA，σB——汤姆逊温度系数。同种材料：两端温度不同电子运动速度不同0TBBTedT第二节热电偶的工作原理二、热电势（接触电动势和温差电动势）ABTT0由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0,如果T＞T0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：BTATNNekTln00ln0BTATNNekTdTTTBA0)(回路总电势),(),()()(),(0000TTeTTeTeTeTTEBAABABABNAT、NAT0——导体A在结点温度为T和T0时的电子密度；NBT、NBT0——导体B在结点温度为T和T0时的电子密度；σA、σB——导体A和B的汤姆逊系数。实验和理论均以证明：热电偶回路的热电动势主要是由接触电势引起的。又由于EAB（T）和EAB（T0）的极性相反，所以回路总电势为：结论：①如果热电偶两材料相同，则无论接点处的温度如何，总电势为零；②如果两接点处的温度相同，尽管A、B材料不同，总热电势为零；③热电偶产生的热电势只与材料、接点处的温度有关，而与材料的尺寸、几何形状无关；④若A、B材料确定，热电势EAB(T,T0)是两接点温度T和T0的函数差,即如果T0保持恒定,则f(T0)=C(常数)热电势EAB(T,T0)只是工作端温度T的单值函数。2)中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。TT0V1)均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。第二节热电偶的工作原理三、热电偶测温基本定律若三个接点的温度均为T0，则回路的总热电势为EABC（T0）=EAB(T0)+EBC(T0)+ECA(T0)=0若A、B接点温度为T，其余接点温度为T0，且TT0，则回路的总热电势为EABC（T，T0）=EAB(T)+EBC(T0)+ECA(T0)因为EAB(T0)=-[EBC(T0)+ECA(T0)]所以EABC（T，T0）=EAB(T)-EAB(T0)3)中间温度定律热电偶在两接点温度t、t0时的热电动势等于该热电偶在接点温度为t、tn和tn、t0时的相应热电动势的代数和。中间温度定律可以用下式表示：00(,)(,)(,)ABAnABnETTETTETTB中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据。第二节热电偶的工作原理三、热电偶测温基本定律根据金属的热电效应原理，任意两种不同材料的导体都可以作为热电极组成热电偶。在实际应用中，用作热电极的材料应具备如下几方面的条件：(1)在同样的温差下产生的热电势要大，且其热电势与温度之间呈线性或近似线性的单值函数关系；(2)耐高温、抗辐射性能好，在较宽的温度范围内其化学、物理性能稳定；(3)电阻温度系数小，电导率要高；第三节热电偶的材料、结构及种类1、热电偶的材料(4)易于复制，工艺性与互换性好，便于制度统一的分度表，材料要有一定的韧性，焊接性能好，以利于制作。1)铂—铂铑热电偶(S型)工业用热电偶丝：Φ0.5mm，实验室用可更细些。正极：铂铑合金丝,用90％铂和10％铑(重量比)冶炼而成。负极：铂丝。测量温度：长期：1300℃、短期：1600℃。特点：材料性能稳定，测量准确度较高；可做成标准热电偶或基准热电偶。用途：实验室或校验其它热电偶。测量温度较高，一般用来测量1000℃以上高温。在高温还原性气体中（如气体中含Co、H2等）易被侵蚀，需要用保护套管。材料属贵金属，成本较高。热电势较弱。热电偶常用材料2)铂铑30—铂铑6热电偶(B型)正极：铂铑合金（用70％铂，30％铑冶炼而成）。负极：铂铑合金（用94％铂，6％铑冶炼而成）。测量温度：长期可到1600℃，短期可达1800℃。特点：材料性能稳定，测量精度高。还原性气体中易被侵蚀。低温热电势极小，冷端温度在50℃以下可不加补偿。成本高。3)镍铬—镍硅(镍铝)热电偶(K型)工业用热电偶丝：Φ1.2~2.5mm，实验室用可细些。正极：镍铬合金(用88.4～89.7％镍、9～10％铬，0.6％硅，0.3％锰，0.4～0.7％钴冶炼而成)。负极：镍硅合金(用95.7～97％镍,2～3％硅,0.4～0.7％钴冶炼而成)。测量温度：长期1000℃，短期1300℃。特点：价格比较便宜，在工业上广泛应用。高温下抗氧化能力强，在还原性气体和含有SO2，H2S等气体中易被侵蚀。复现性好，热电势大，但精度不如WRLB。4)镍铬—考铜热电偶(E型)工业用热电偶丝:Ф1.2～2mm，实验室用可更细些。正极：镍铬合金负极：考铜合金（用56％铜，44％镍冶炼而成）。测量温度：长期600℃，短期800℃。特点：价格比较便宜，工业上广泛应用。在常用热电偶中它产生的热电势最大。气体硫化物对热电偶有腐蚀作用。考铜易氧化变质，适于在还原性或中性介质中使用。几种持殊用途的热电偶（1）铱和铱合金热电偶如铱50铑—铱10钌热电偶它能在氧化气氛中测量高达2100℃的高温。（2）钨铼热电偶是60年代发展起来的，是目前一种较好的高温热电偶，可使用在真空惰性气体介质或氢气介质中，但高温抗氧能力差。国产钨铼-钨铼20热电偶使用温度范围300～2000℃分度精度为1％。（3）金铁—镍铬热电偶主要用在低温测量，可在2～273K范围内使用，灵敏度约为10μV／℃。（4）钯—铂铱15热电偶是一种高输出性能的热电偶，在1398℃时的热电势为47.255mV，比铂—铂铑10热电偶在同样温度下的热电势高出3倍，因而可配用灵敏度较低的指示仪表，常应用于航空工业。（6）铜—康铜热电偶，分度号MK热电偶的热电势略高于镍铬-镍硅热电偶，约为43μV/℃。复现性好，稳定性好，精度高，价格便宜。缺点是铜易氧化，广泛用于20K～473K的低温实验室测量中。（5）铁—康铜热电偶，分度号TK灵敏度高，约为53μV/℃，线性度好，价格便宜，可在800℃以下的还原介质中使用。主要缺点是铁极易氧化，采用发蓝处理后可提高抗锈蚀能力。1）普通工业装配式热电偶的结构热电偶通常由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等几个主要部分组成。2、热电偶的结构第三节热电偶的材料、结构及种类工业热电偶结构示意图1－接线盒；2－保险套管3―绝缘套管4―热电偶丝1234下图为典型工业用热电偶结构示意图。它由热电偶丝、绝缘套管、保护套管以及接线盒等部分组成。实验室用时，也可不装保护套管，以减小热惯性。2）铠装热电偶的结构2、热电偶的结构铠装热电偶的制造工艺：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。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，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。第三节热电偶的材料、结构及种类铠装热电偶结构铠装型热电偶外形法兰铠装型热电偶可长达上百米薄壁金属保护套管（铠体）BA绝缘材料铠装型热电偶横截面3)快速反应薄膜热电偶用真空蒸镀等方法使两种热电极材料蒸镀到绝缘板上而形成薄膜装热电偶。如图，其热接点极薄(0.01～0.lμm)4123快速反应薄膜热电偶1—热电极;2—热接点;3—绝缘基板;4—引出线因此，特别适用于对壁面温度的快速测量。安装时,用粘结剂将它粘结在被测物体壁面上。目前我国试制的有铁—镍、铁—康铜和铜—康铜三种,尺寸为60×6×0.2mm;绝缘基板用云母、陶瓷片、玻璃及酚醛塑料纸等；测温范围在300℃以下；反应时间仅为几ms。设冷端为0C，根据以下电路中的毫伏表的示值及K热电偶的分度表，查出热端的温度tx。如何由热电偶的热电势查热端温度值K热电偶的分度表比较查出的3个热电势，可以看出热电势是否线性？4.型号表示第四节热电偶的冷端温度补偿由于热电偶产生的电势与两端温度有关，只