热电偶测温原理及应用详解

2020/12/241工程测试技术基础湖北工业大学机械学院WelcometoMyClass主讲:邬文俊讲师--湖北工业大学精品课程科学引领工程，工程引入课堂设计和制作：何涛教授及工程测试技术基础课程教学团队2020/12/242温度是物理现象中具有代表性的物理量是十大计量单位之一现代生活中温度测量和控制是不可缺少的，如家用电器：电饭煲、电冰箱、空调、微波炉这些家用电器中都少不了温度传感器。概述2020/12/243红外人体探测器现代楼宇自动化(电源管理、安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、水/废水管理和电梯监控)中温度是不可缺少的，概述2020/12/244现代工业中温度测量和控制是不可缺少的，概述精确的烟草烘干木材烘干2020/12/245温度传感器的种类很多：•热膨胀温度传感器：有液体、气体的玻璃式温度计、体温计，结构简单，应用广泛；•半导体热敏电阻传感器：家电、汽车上使用，价格便宜、用量大、成本低、性能差别不大；•金属电阻、热电偶、红外温度传感器：工业上常用，性能价格差别比较大，精度高的通常价格比较昂贵。•集成温度传感器，利用晶体管PN结电流、电压随温度变化，有专用集成电路，体积小、响应快、价廉，测量150℃以下温度。概述2020/12/246第9讲温度传感器原理与应用-热电偶ThermoelectricCoupleSensors一、热电偶的工作原理；二、热电偶测温实验三、热电偶测温基本定律四、热电偶的冷端补偿及补偿导线2020/12/247YC-811报警温度计•分辨率:0.1°C/0.1°F•KType:镍铬-镍硅热电偶•可测温度范围-200°C~1372°C•可设定上下限蜂鸣报警实验：测冰水温度、测沸水温度（观察准确度和响应时间）2020/12/248结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。热电极A自由端（冷端、参考端）测量端（热端、工作端）热电极B热电势ABnAnB结点1结点2一、热电偶的工作原理2020/12/249结论：热电偶两结点所产生的总的热电势等于热端热电势与冷端热电势之差，是两个结点的温差Δt的函数：EAB（T，T0）=eAB（T）-eAB（T0）热电势与两个结点的温差Δt成函数关系2020/12/24101、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结点，发现放在回路中的指南针发生偏转，如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转角反而减小。显然，指南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。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。！两端温度不同的导体会产生电动势！两种不同的导体接在一起会产生电动势？能用来制作传感器吗ABTT02020/12/24112、热电势的组成：接触电势当相互接触的两金属密度不同时产生接触电势。温差电势同一金属，若两端的温度不同则产生温差电势。2020/12/2412两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，从而产生接触电势。自由电子＋ABEAB（T）T接触电势的大小与温度有关BTATABNNekTTEln)(式中:K——波尔兹曼常数;e——单位电荷电量;NAT、NBT——温度为T导体A、B的电子密度。方向：从密度小指向密度大的接触电势2020/12/2413ABTT0两个结点处分别有两个接触电势，且方向相反。整个回路中总的接触电动势为：00lnln)()(00BTATBTATABABNNekTNNekTTETE如果两个结点的温度相同，T=T0，则总接触电动势为0图中：NANB，TT0以顺时针为正EAB(T)EAB(T0)2020/12/2414同一导体的两端温度不同时,高温端的电子能量要比低温端的电子能量大,因而从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多,结果高温端因失去电子而带正电,低温端因获得多余的电子而带负电,因此,在导体两端便形成温差电势。自由电子TT0接触电势的大小与密度有关式中:K——波尔兹曼常数;e——单位电荷电量;NAT——温度为T导体A的电子密度。＋dtdttNdNeKTTEATTTATA)(1),(00AEA(T,T0)方向：从低温指向高温温差电势2020/12/2415ABTT0整个回路中总的温差电动势为：),(),(00TTETTEAB如果AB两金属的密度相同，则总温差电动势为0以顺时针为正EB(T,T0)EA(T,T0)dtdttNdNeKddttNdNeKTTETTEATTTATBTTTBTAB)(1)(1),(),(00002020/12/2416接触电势当相互接触的两金属的密度不同时产生接触电势，其大小与结点的温度相关。温差电势同一金属，若两端的温度不同则产生温差电势，其大小其密度相关。结论：2020/12/2417回路中总热电动势为：EAB(T,T0)=EB(T,T0)+EAB(T)-EAB(T0)-EA(T,T0)以顺时针为正蓝色的为接触电势绿色的为温差电势ABTT0EB(T,T0)EA(T,T0)如果A、B密度相同（均质导体），则不存在接触电动势，两导体内温差电动势，大小相等，方向相反，总热电势为0。即为均质导体定律如果两结点温度相同（T=T0），则不存在温差电动势，两结点处接触电动势，大小相等，方向相反，总热电势为0.EAB(T)EAB(T0)由一种均质导体组成的闭合回路中,不论导体的截面和长度如何以及各处的温度分布如何,都不能产生热电势。2020/12/2418热电势=接触电势+温差电势EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)+EB(T,T0)-EA(T,T0)结论：当nA=nB，不存在接触电势EABE总=EB(T,T0)-EA(T,T0)=0当T=T0，不存在温差电势EA、EBE总=EAB(T)-EAB(T0)=02020/12/2419（1）在总热电势中,温差电势比接触电势小很多,可忽略不计,热电偶的热电势可表示为：EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)（2）对于已选定的热电偶,当参考端温度T0恒定时,EAB(T0)=C为常数,则总的热电势就只与温度T成单值函数关系,即EAB(T,T0)=EAB(T)-C=f(T)3、热电势与被测温度的关系：（3）实际应用中,热电势与温度之间关系是通过热电偶分度表来确定的。分度表是在参考端温度为0℃时,通过实验建立起来的热电势与工作端温度之间的数值对应关系。2020/12/2420K热电偶的分度表热电偶的冷端温度为0C，查表得出被测温度？如何利用分度表来确定温度？3种环境下（K型热电偶）热端的热电势分别为0、为4、为-3.5。2020/12/24214、几种常用热电偶分度号名称测量温度范围1000C热电势/mVB铂铑30－铂铑650～1820C4.834R铂铑13—铂-50～1768C10.506S铂铑10—铂-50～1768C9.587K镍铬－镍铬(铝)-200～1372C41.276E镍铬－铜镍(康铜)－270～800C——?2020/12/2422几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线分析哪几种热电偶的测温上限较高？结论：哪几种热电偶的线性较差？哪一种热电偶的灵敏度较高？哪一种热电偶的灵敏度较低？为什么所有的曲线均过原点（零度点）？2020/12/2423二、热电偶测温实验•测出变色涂料的变色温度•超温报警实验CPU散热风扇低温时显示蓝色温度升高后变为红色2020/12/2424问题：•1、测量时，热端在哪？冷端在哪？热电势是用什么检测仪表测量的？测量仪表的导线与热电阻的导体不同，是不是会对测量结果产生影响？•2、冷端怎么保持0度？若是不为0度怎么办？2020/12/24251)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。TT0V同时也解决了测量头热端远离冷端的问题，中间可用其他导线连接。三、热电偶测温基本定律2020/12/24262)中间温度定律热电偶AB在接点温度为T、T0时的热电势EAB(T,T0）等于热电偶AB在接点温度T、Tc和Tc、T0时的热电势的代数和：EAB(T,T0）=EAB(T,Tc）+EAB(Tc,T0）ABTT0=ABTTC+ABTcT0该定律是参考端温度计算修正法的理论依据。在实际热电偶测温回路中,利用热电偶这一性质,可对参考端温度不为0℃的热电势进行修正。2020/12/2427热电偶基本定律解决了两个问题：1、实际测量时冷端和热端相隔很远（中间导体定律）热电偶补偿导线2、实际测量时冷端温度不为0度（中间温度定律）冷端补偿四、热电偶补偿导线及冷端温度补偿2020/12/2428在实际测温时,需要把热电偶输出的电势信号传输到远离现场数十米的控制室里的显示仪表或控制仪表,这样参考端温度t0也比较稳定。热电偶一般做得较短需要用导线将热电偶的冷端延伸出来。工程中采用一种补偿导线,它通常由两种不同性质的廉价金属导线制成,而且在0~100℃温度范围内,要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性。热电偶补偿导线2020/12/2429(1)参考端温度修正法：参考端温度不等于0℃,则需要对热电偶回路的电势值加以修正,修正值为EAB(t0,0)。经修正后的实际热电势,可由分度表中查出被测实际温度值。EAB(T,0）=EAB(T,T0）+EAB(T0,0）(2)参考端0℃恒温法：在实验室及精密测量中,通常把参考端放入装满冰水混合物的容器中,以便参考端温度保持0℃.(3)参考端温度自动补偿法（补偿电桥法）：补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压作为补偿信号,来自动补偿热电偶测量过程中因参考端温度不为0℃或变化而引起热电势的变化值。冷端补偿方法2020/12/2430如图所示,不平衡电桥由三个电阻温度系数较小的锰铜丝绕制的电阻r1、r2、r3、电阻温度系数较大的铜丝绕制的电阻RCu和稳压电源组成。补偿电桥与热电偶参考端处在同一环境温度,但由于RCu的阻值随环境温度变化而变化,如果适当选择桥臂电阻和桥路电流,就可以使电桥产生的不平衡电压Uab补偿由于参考端温度变化引起的热电势EAB(t,t0)变化量,从而达到自动补偿的目的。2020/12/2431普通装配型热电偶的外形安装螺纹安装法兰2020/12/2432课外实验•实时监测电脑CPU的运行温度，并设置超温报警。