自动检测技术与应用第九章

第九章第九章 热电偶传感器热电偶传感器 本章学习的主要内容有本章学习的主要内容有: 1、了解了解温度测量温度测量的的基本概念基本概念和方法和方法； 2、了解了解热电偶热电偶的的工作原理工作原理，了解热电了解热电偶的偶的分类及特点分类及特点； 3、掌握掌握控温仪表的控温仪表的接线方法接线方法。 第一节第一节 温度测量的基本概念温度测量的基本概念 一一、温度测量温度测量 的基本概念的基本概念 温度标志着物温度标志着物 质内部大量质内部大量分子无分子无 规则运动的剧烈程规则运动的剧烈程 度度。温度越高温度越高，表表 示物体内部分子热示物体内部分子热 运动越剧烈运动越剧烈。 模拟图模拟图：在一个密闭的空间里在一个密闭的空间里，气体分气体分 子在高温时的运动速度比低温时快子在高温时的运动速度比低温时快！ 低温低温 高温高温 二二、温标温标 1 1、温度的数值表示方法称为温标温度的数值表示方法称为温标。它它规定了温度的读数的起点规定了温度的读数的起点（即零点即零点）以以及及温度的单位温度的单位。各类温度计的刻度均由温各类温度计的刻度均由温标确定标确定。 2 2、国际上规定的温标有国际上规定的温标有：摄氏温摄氏温标标、华氏温标华氏温标、热力学温标热力学温标等等。 几种温标的对比几种温标的对比 正常正常 体温为体温为37 C C ，相相 当于华氏当于华氏 温度多少温度多少 度度？ 热力学温标热力学温标（K K） 热力学温标是建热力学温标是建 立在立在热力学第二定律热力学第二定律 基础上的基础上的最科学的温最科学的温 标标，是由是由开尔文开尔文 （Kelvin）根据热力根据热力 学定律提出来的学定律提出来的，因因 此又称此又称开氏温标开氏温标。它它 的的符号是符号是T，单位是单位是 开尔文开尔文（K） 。 威廉威廉·汤姆逊汤姆逊·开尔文勋爵像开尔文勋爵像 1990国际温标国际温标( (ITS-90) ) 从从1990年年1月月1日开始日开始在全世界范围内在全世界范围内采用采用1990年国际温标年国际温标，简称简称ITS-90。它它定义定义了一系列温度的固定点了一系列温度的固定点，测量和重现这些测量和重现这些固定点的标准仪器以及计算公式固定点的标准仪器以及计算公式，例如水例如水 的三相点为的三相点为273.16K（0.01 C）等等。 三三、温度测量及传感器分类温度测量及传感器分类 温度传感器按照温度传感器按照用途用途可分为基准温度计和可分为基准温度计和工业温度计工业温度计；按照测量方法又可分为按照测量方法又可分为接触式接触式和和非接触式非接触式；按工作原理又可分为按工作原理又可分为膨胀式膨胀式、电阻电阻式式、热电式热电式、辐射式辐射式等等等等；按输出方式分按输出方式分，有有自发电型自发电型、非电测型等非电测型等。 介绍几种温度测量方法介绍几种温度测量方法 示温涂料示温涂料（变色涂料变色涂料） 装满装满热水后图案热水后图案 变得清晰可辨变得清晰可辨 变色涂料在电脑内部温度中的示温作用变色涂料在电脑内部温度中的示温作用 CPU散散 热风扇热风扇 低温时显示低温时显示 蓝色蓝色 温度升高后变为红色温度升高后变为红色 2015/12/6 Sunday 10 体积体积热膨胀式热膨胀式 不需要电源不需要电源，耐用耐用；但但 感温部件体积较大感温部件体积较大。 气体的体积与气体的体积与 热力学温度成正比热力学温度成正比 2015/12/6 Sunday 11 红外温度计红外温度计 热电偶测温的主要优点热电偶测温的主要优点 1、它属于它属于自发电型自发电型传感器传感器：测量时可以测量时可以 不需外加电源不需外加电源，可直接驱动动圈式仪表可直接驱动动圈式仪表； 2、测温范围广测温范围广：下限可达下限可达-270 C C ，上限上限 可达可达18001800 C C以上以上； 3 3、各温区中的热电势均符合各温区中的热电势均符合国际计量委国际计量委 员会员会的标准的标准。 先看一个实验先看一个实验热电偶工作原理演示热电偶工作原理演示 结论结论： 当两个结点温度不相同时当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势回路中将产生电动势。 热热电极电极A A 右端称右端称为为：自自 由端由端 （参考参考 端端、冷冷 端端） 第二节第二节 热电偶的工作原理热电偶的工作原理 左端称左端称为为：测测 量端量端 （工作工作 端端、热热 端端） 热热电极电极B B 热电势热电势 A B 通过以上演示得出结论通过以上演示得出结论 有关热电偶热电势的讨论有关热电偶热电势的讨论 热电偶两结点所产生的总的热电偶两结点所产生的总的热电势热电势等于热端热电势等于热端热电势 与冷端热电势与冷端热电势之差之差，是两个结点的是两个结点的温差温差t t 的函数的函数： EAB（T，T0）=eAB （ T T ）- - eAB （ T T0 ） 热电势大致与热电势大致与两个结点的两个结点的温差温差t t 成正比成正比 从实验到理论从实验到理论：热电效应热电效应 1821年年，德国物理学家德国物理学家赛贝克赛贝克用两种不用两种不 同金属组成同金属组成闭合回路闭合回路，并用酒精灯并用酒精灯加热其中加热其中 一个接触点一个接触点（称为结点称为结点），），发现放在回路中发现放在回路中 的的指南针发生偏转指南针发生偏转（说明什么说明什么？）？），如果用如果用 两盏酒精灯对两个结点两盏酒精灯对两个结点同时加热同时加热，指南针的指南针的 偏转角反而减小偏转角反而减小（又说明什么又说明什么？）？） 。 显然显然，指南针的偏转说明回路中有电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动势产生并有电流在回路中流动，电流的强电流的强 弱与两个结点的温差有关弱与两个结点的温差有关。 结点产生热电势的结点产生热电势的微观微观解释及解释及图形符号图形符号 两种不同的金属互相接触时两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由于不同金属内自 由电子的密度不同由电子的密度不同，在两金属在两金属A和和B的接触点处会发的接触点处会发 生自由电子的生自由电子的扩散现象扩散现象。自由电子将从密度大的金属自由电子将从密度大的金属 A扩散到密度小的金属扩散到密度小的金属B，使使A失去电子带正电失去电子带正电，B得得 到电子带负电到电子带负电，从而产生从而产生热电势热电势。 自由自由 电子电子 A B eAB （ T T ） T T 第三节第三节 热电偶的种类及结构热电偶的种类及结构 八种八种国际通用热电偶国际通用热电偶： B B: :铂铑铂铑3030铂铑铂铑6 6 、R R: :铂铑铂铑1313铂铂 、S S: :铂铑铂铑1010铂铂 、 K K: :镍铬镍铬镍硅镍硅 、N N: :镍铬硅镍铬硅镍硅镍硅 、 E E: :镍铬镍铬铜镍铜镍、 J J: :铁铁铜镍铜镍 、 T T: :铜铜铜镍铜镍 用于制造用于制造铂铂热电偶热电偶 的各种的各种铂铂热电偶丝热电偶丝 几种常用热电偶的测温范围及热电势几种常用热电偶的测温范围及热电势 4141. .276276 9 9. .587587 1010. .506506 4 4. .834834 1000 C 热电势热电势/ mV -501768 C C 铂铑铂铑1313铂铂 R 270800 C C 镍铬镍铬铜镍铜镍 (康康 铜铜) E -2701370 C C 镍铬镍铬镍铬镍铬 (铝铝) K -501768 C C 铂铑铂铑1010铂铂 S 501820 C C 铂铑铂铑3030铂铑铂铑6 6 B 测量温度范围测量温度范围 名称名称 分度号分度号 5种热电偶的种热电偶的测温范围测温范围与与热电势热电势各有什么特点各有什么特点？ 2015/12/6 Sunday 19 几种常用热电偶的热电势与温度的几种常用热电偶的热电势与温度的 关系曲线分析关系曲线分析 哪几种热电哪几种热电 偶的测温上限较偶的测温上限较 高高？ 哪几种热电哪几种热电 偶的线性较差偶的线性较差？ 哪一种热电哪一种热电 偶的灵敏度较偶的灵敏度较 高高？ 哪一种热电哪一种热电 偶的灵敏度较偶的灵敏度较 低低？ 为什么所有的曲线均过原点为什么所有的曲线均过原点（零度点零度点）？）？ 热电偶的分度表热电偶的分度表 热电偶的线性较差热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法多数情况下采用查表法 我国从我国从1991年开始采用国际计量委员会规年开始采用国际计量委员会规 定的定的“1990年国际温标年国际温标”（简称简称ITS-90）的新标的新标 准准。按此标准按此标准，制定了制定了相应的分度表相应的分度表，并且有并且有 相应的相应的线性化集成电路与之对应线性化集成电路与之对应。 直接从热电偶的分度表查温度与热电势的直接从热电偶的分度表查温度与热电势的 关系时的约束条件是关系时的约束条件是：自由端自由端（冷端冷端）温度必温度必 须为须为0 0 C C。 本教材的本教材的附录附录D D列出了列出了工业中常用的工业中常用的镍铬镍铬- 镍硅镍硅（K）热电偶热电偶的的分度表分度表。 如何利用热电偶的分度表如何利用热电偶的分度表 假设热电偶的冷端温度假设热电偶的冷端温度 为为0 0 C C，请根据本教材请根据本教材p p317317的的 附录附录E工业中常用的工业中常用的镍镍 铬铬-镍硅镍硅（K）热电偶的热电偶的分度分度 表表，查出查出- -100100 C 、0 0 C、 100100 C 时的热电势时的热电势。 数字式温度表数字式温度表 温度上限温度上限设定值设定值 温度上限值温度上限值设定键设定键 K热电偶热电偶的分度表的分度表 比较比较 查出的查出的3 3个个 热电势热电势， 可以看出可以看出 热电势是热电势是 否否线性线性？ 2015/12/6 Sunday 23 如何由热电偶的热电势查热端温度值如何由热电偶的热电势查热端温度值 设设冷端为冷端为0 0 C C，根据以下电路中的毫伏表的根据以下电路中的毫伏表的示示 值值及及K热电偶的热电偶的分度表分度表，查出查出热端的温度热端的温度tx 。 2015/12/6 Sunday 24 装配型装配型热电偶的外形热电偶的外形 安装安装 螺纹螺纹 安装安装 法兰法兰 普通普通装配型装配型 热电偶的热电偶的 结构结构放大图放大图 接线盒接线盒 引出线套管引出线套管 固定螺纹固定螺纹 （出厂时用塑料包出厂时用塑料包 裹裹） 热电偶工作端热电偶工作端（热端热端） 不锈钢不锈钢保护管保护管 铠装型热电偶铠装型热电偶 铠装热电偶的制造工艺铠装热电偶的制造工艺：把热电极材料与高温绝把热电极材料与高温绝 缘材料预置在缘材料预置在金属保护管金属保护管中中、运用同比例压缩延伸工运用同比例压缩延伸工 艺艺、将这三者合为一体将这三者合为一体，制成各种直径制成各种直径、规格的铠装规格的铠装 偶体偶体，再截取适当长度再截取适当长度、将将工作端焊接密封工作端