单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,17 十一月 2024,热电偶传感器 2,实验-热电偶工作原理演示,热电极A,右端称为：自由端（参考端、冷端）,左端称为：测量端（工作端、热端）,热电极B,热电势,A,B,1821年，德国物理学家西拜克（Seeback）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？）,。,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,。,热电效应,6.3 热电偶传感器,通过以上演示得出结论有关热电偶热电势的讨论,将两种不同的导体A、B组合成,闭合回路,。若,两结点处温度不同,，则回路中将有电流流动，即回路中有热电动势存在。此电动势的大小除了与材料本身的性质有关以外，还决定于结点处的温差，这种现象称为,热电效应,。,热电偶就是根据此原理设计制作的,将温差转换为电势量,的热电式传感器。,6.3 热电偶传感器,温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。它除具有结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号便于远传或信号转换等优点外，还能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。,6.3 热电偶传感器,热电偶测温原理,热电偶的基本定律,热电偶的冷端处理及补偿,两种不同的导体A和B组合成如图所示,闭合回路,，若,导体A和B的连接处温度不同,（设TT0），则在此闭合回路中就有电流产生，即回路中有电动势存在，这种现象叫做,热电效应,。这种现象早在1821年首先由西拜克（Seeback）发现,所以又称西拜克效应。,热电偶原理图,T,T,0,A,B,一、热电偶测温原理,回路中所产生的电动势，叫,热电势,。热电势由两种材料的,接触电势,和单一材料的,温差电势,组成。,热端,冷端,1.接触电势,由于不同的金属材料内部的自由电子密度不同，当两种金属材料A和B接触时，自由电子从,密度大,的金属材料,扩散到密度小,的金属材料中去，产生自由电子的,扩散现象,。,+,A,B,e,AB,(,T,),-,接触电势原理图,e,AB,(T)导体A、B结点在温度T 时形成的接触电动势；,e单位电荷，e=1.610-19C；,k波尔兹曼常数，k=1.3810-23 J/K；,N,A,、N,B,导体A、B在温度为T 时的电子密度。,接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。,一、热电偶测温原理,2.温差电势,A,e,A,(,T,T,o,),T,o,T,温差电势原理图,在同一金属材料A中，当金属材料两端的温度不同时，两端电子能量不同，温度高的一端电子能量大，则电子从高温端向低温端扩散的数量多，最后达到平衡。,e,A,(T，T0)导体A两端温度为T、T,0,时形成的温差电动势；,T，T,0,高低端的绝对温度；,汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1时所产生的温差电动势。,一、热电偶测温原理,由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T,0,如果TT,0,，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：,T,0,T,e,AB,(,T,),e,AB,(,T,0,),e,A,(,T,T,0,),e,B,(,T,T,0,),A,B,3.热电偶回路的总电势,N,AT,、N,AT0,导体A在结点温度为T和T,0,时的电子密度；N,BT,、N,BT0,导体B在结点温度为T和T,0,时的电子密度；,A,、,B,导体A和B的汤姆逊系数。,热电势存在必须具备两个条件：,（1）两种不同的金属材料组成热电偶,（2）其两端存在温差,热电偶的热电势，等于两端温度分别为,T,和零度以及,T,0,和零度的热电势之差。,一、热电偶测温原理,4.导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使E,AB,(T,0,)=常数，则回路热电势E,AB,(T，T,0,)就只与温度T有关，而且是T的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。,3.只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生。,1.热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。,2.只有用不同性质的导体才能组合成热电偶；相同材料不会产生热电势，因为当A、B两种导体是同一种材料时，ln(N,A,/N,B,)=0，也即E,AB,(T，T,0,)=0。,结论：,一、热电偶测温原理,由一种匀质导体组成的闭合回路，不论导体的截面积如何及导体的各处温度分布如何，回路中没有电流(即不产生电动势)。,若热电偶的热电极,是非匀质导体,，在不均匀温度场中测温时将造成测量,误差,。,热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的指标之一,1.匀质导体定律,二、热电偶的基本定律,在热电偶回路中，冷端断开接入与A、B电极不同的另一种导体（称为中间导体C），,只要中间导体的两端温度相同,，,热电偶回路总电势不受中间导体接入的影响。,2.中间导体定律,二、热电偶的基本定律,E,T,0,T,0,T,E,T,0,T,1,T,1,T,电位计接入热电偶回路,用途,根据上述原理，可以在热电偶回路中接入,电位计E,，只要保证电位计与连接热电偶处的,接点温度相等,，就不会影响回路中原来的热电势，接入的方式见下图所示。,二、热电偶的基本定律,两种导体A和B分别与参考电极C组成热电偶，如果他们所产生的热电势为已知，则A和B组成的热电偶产生的热电势为：,3.标准电极定律,二、热电偶的基本定律,4.连接导体定律,在热电偶回路中，如果热电极A和B分别与连接导体A和B相连，其结点温度分别为T，T,n,和T,0,，则回路的热电势等于热电偶的热电势,与连接导体的热电势,之代数和。,E,AB,（,T,T,n,）,E,AB,（,T,n,T,0,）,二、热电偶的基本定律,二、热电偶的基本定律,5.中间温度定律,二、热电偶的基本定律,当导体A和A，导体B和B分别相同时，,A,B,T,T,n,T,n,A,B,T,0,T,0,热电偶补偿导线接线图,E,连接导体定律为工业测量温度中使用,补偿导线,提供了理论依据。,选择在100以下与热电偶热电特性相同的补偿导线，可使热电偶的,参比端延长,，使之远离热源到达一个温度相对稳定的地方而不会影响测温的准确性。,E,AB,（,T,T,n,T,0,）=,E,AB,（,T,T,n,）+,E,AB,（,T,n,T,0,）,二、热电偶的基本定律,例题：,用S型热电偶测量某一温度，若参比端温度T,n,=30，测得的热电势E(T,T,n,)=7.499mV，求测量端的实际温度T。,E,（,T,T,0,）=,E,（,T,T,n,）+,E,（,T,n,T,0,）,E,（T,n,T,0,）=,E,（30,0）=0.173mV,E,（,T,T,n,）=,E,（,T,30）=7.499mV,E,（,T,0）=,E,（,T,30）+,E,（30,0）=7.499+0.173=7.672mV,T=830,二、热电偶的基本定律,热电偶的热电势大小不仅与热端温度的有关，而且也与冷端温度有关，只有当,冷端温度恒定,，通过测量热电势的大小得到热端的温度。,热电偶的冷端处理和补偿:,当热电偶,冷端,处在,温度波动较大,的地方时，必须首先使用补偿导线将冷端延长到一个温度稳定的地方，再考虑将冷端处理为。,三、热电偶的冷端处理和补偿,冷端处理方法：,（1）冰点槽法,（2）计算修正法,（3）冷端补偿电桥法,三、热电偶的冷端处理和补偿,1.冰点槽法,把热电偶的,冷端置于冰水混合物容器,里，使T0=0。这种办法仅限于科学实验中使用。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。,mV,A,B,A,B,T,C,C,仪表,铜导线,试管,补偿导线,热电偶,冰点槽,冰水溶液,T,0,三、热电偶的冷端处理和补偿,2.计算修正法,用普通室温计算出参比端实际温度T,H,，利用公式计算,例 用铜-康铜热电偶测某一温度T，参比端在室温环境T,H,中，测得热电动势E,AB,(T,TH)=2.191mV，又用室温计测出T,H,=20,查此种热电偶的分度表可知，E,AB,(20,0)=0.789mV，故得,E,AB,(T,0)=E,AB,(T,20)+E,AB,(20,0),=2.191+0.789,=2.980(mV),再次查分度表，与2.980mV对应的热端温度T=70。,E,AB,(,T,T,0,),=E,AB,(,T,T,H,),+E,AB,(,T,H,T,0,),三、热电偶的冷端处理和补偿,3.冷端补偿电桥法,利用不平衡电桥产生热电势补偿热电偶因冷端温度变化而引起热电势的变化值。,不平衡电桥由R,1,、R,2,、R,3,(锰铜丝绕制)、R,Cu,(铜丝绕制)四个桥臂和桥路电源组成。,设计时，在0下使电桥平衡(R,1,=R,2,=R,3,=R,Cu,)，此时U,ab,=0，电桥对仪表读数无影响。,注意：桥臂,R,Cu,必须和热电偶的冷端靠近，使处于同一温度之下。,三、热电偶的冷端处理和补偿,标准化热电偶：,工艺上比较成熟，能批量生产、性能稳定、应用广泛，具有统一分度表并已列入国际和国家标准文件中的热电偶。,标准化热电偶可以互相交换，精度有一定的保证。,国际电工委员会（IEC）共推荐了8种标准化热电偶。,四、标准化热电偶,表 标准化热电偶技术数据,热电偶名称,分度号,热电极识别,E（100,0）,（mV）,测温范围（）,对分度表允许偏差（）,新,极性,识别,长期,短期,等级,使用温度,允差,铂铑,10,-铂,S,正,亮白较硬,0.646,01300,1600,600,1.5,负,亮白柔软,600,0.25%t,铂铑,13,-铂,R,正,较硬,0.647,01300,1600,600,1.5,负,柔软,1100,0.25%t,铂铑,30,-铂铑,B,正,较硬,0.033,01600,1800,600900,4,负,稍软,800,0.5%t,镍铬-镍硅,K,正,不亲磁,4.096,01200,1300,-401300,2.5或0.75%t,负,稍亲磁,-20040,2.5或1.5%t,镍铬硅-镍硅,N,正,不亲磁,2.774,-2001200,1300,-401100,1.5或0.4%t,负,稍亲磁,-401300,2.5或0.75%t,镍铬-康铜,E,正,暗绿,6.319,-200760,850,-40900,2.5或0.75%t,负,亮黄,-20040,2.5或1.5%t,铜-康铜,T,正,红色,4.279,-200350,400,-40350,1或0.75%t,负,银白色,-20040,1或1.5%t,铁-康铜,J,正,亲磁,5.269,-40600,750,-40750,2.5或0.75%t,负,不亲磁,四、标准化热电偶,1.铂铑10-铂热电偶（S型）,贵金属热电偶,电极线径规定为0.5mm，正极（SP）名义化学成分为铂铑合金；负极（SN）为纯铂，故俗称为单铂铑热电偶,长期最高使用温度为1300，短期最高使用温度为1600,优点：,准确度高，稳定性好，测温温区和使用寿命长，物理化学性能良好，在高温下抗氧化性能好，适用于氧化和惰性气氛中。,缺点：,热电率较小，灵敏度低，高温下机械强度下降，对污染敏感，贵金属材料昂贵，因此一次性投资较大。,四、标准化热电偶,2.铂铑30-铂铑6（B型）,贵金属热电偶,热偶丝线径规定为0.5mm,正极（BP）和负极（BN）的名义化学成分均为铂铑合金，只是含量不同，故俗称为双铂铑热电偶。,长期最高使用温度为1600，短期最高使用温度为1800。,优点：,准确度高，稳定性好，测温温区宽，使用寿命长等，适用于氧化性和惰性气氛中，也可短期用于真空中，但不适用于还原性气氛或含有金属或非金属蒸汽中；参比端不需进行冷端补偿，因为在050范围内热电势小于3V。,