第热电式传感器演示文稿

第热电式传感器演示文稿现在是1页\一共有59页\编辑于星期一优选第热电式传感器现在是2页\一共有59页\编辑于星期一2023/4/153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现在是3页\一共有59页\编辑于星期一2023/4/154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现在是4页\一共有59页\编辑于星期一2023/4/155体积热膨胀式

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现在是5页\一共有59页\编辑于星期一2023/4/156红外温度计现在是6页\一共有59页\编辑于星期一温差热电偶（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。

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、结构简单，准确度高、热惯性小，测温范围广，下限可达-270C

，上限可达1800C以上；3、能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。4、微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。现在是7页\一共有59页\编辑于星期一2023/4/158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。

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AB一、热电效应与热电偶测温原理现在是8页\一共有59页\编辑于星期一一、热电效应与热电偶测温原理两种不同的导体或半导体闭合回路，若连接处温度不同（设T＞T0），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即温差电势和接触电势。两个结点中，一个称为工作端或热端，另外一个称为自由端或冷端。现在是9页\一共有59页\编辑于星期一2023/4/1510（1）两种导体的接触热电势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。

自由电子＋ABeAB（

T）T现在是10页\一共有59页\编辑于星期一（1）两种导体的接触热电势接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。即，取决于A、B的性质及接触点的温度，而与其形状尺寸无关。现在是11页\一共有59页\编辑于星期一（2）温差电动势

温差电动势是在同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。高温侧电子受热能运动加剧，高温侧失去电子而带正电，低温侧得到电子带负电即形成一个静电场，使两端出现电位差，此电位差叫温差电动势。现在是12页\一共有59页\编辑于星期一EA(t，t0)——导体A两端温度为t，t0时形成的温差电动势；t，t0——高低端的绝对温度；σA——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，例如在0℃时，铜的σ=2μV/℃。

温差电势AeA(T,To)ToT温差电势原理图现在是13页\一共有59页\编辑于星期一（3）热电偶回路总电势

总电势中，温差电动势比接触电动势小很多，经常可以忽略不计，则热电偶的热电动势可表示为：假设导体A的电子密度大于导体B的电子密度，则总电动势为：现在是14页\一共有59页\编辑于星期一因此，热电偶总电动势的影响因素：材料和接点温度，与形状、尺寸等无关（1）两热电极相同时，总电动势为0（2）两接点温度相同时，总电动势为0现在是15页\一共有59页\编辑于星期一（3）回路总电势

实际中，热电势与温度之间的关系是通过热电偶分度表来确定。分度表是在参考温度为0℃时，通过实验建立起来的热电动势与工作端温度之间的数值对应关系。对于已选定的热电偶，当参考端温度T0恒定时，EAB(T0)为常数，即EAB(T0)=C，则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，即：现在是16页\一共有59页\编辑于星期一热电偶的分度表不同金属组成的热电偶，温度与热电动势之间有不同的函数关系，一般通过实验的方法来确定，并将不同温度下测得的结果列成表格，编制出热电势与温度的对照表，即分度表。供查阅使用，每10℃分档。中间值按内插法计算。现在是17页\一共有59页\编辑于星期一热电偶的分度表（热电势与温度的关系）现在是18页\一共有59页\编辑于星期一S型(铂铑10-铂)热电偶分度表现在是19页\一共有59页\编辑于星期一热电偶的基本定律（1）中间导体定律现在是20页\一共有59页\编辑于星期一ATBTCCATBT0ACTC根据此性质可在热电偶回路中引入各种测量仪表、连线等均不影响热电势的测量ATBTCCD如第三种导体两端温度不等，将造成热电势变化，变化取决于导体热电性质与接点温度。因此，接入导体材料要尽量与热电偶热电性质相近现在是21页\一共有59页\编辑于星期一2．热电偶的基本定律（1）中间导体定律的应用利用热电偶测温，必须在热电偶回路中接入电位计E和导线，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。

测量仪表及引线作为第三种导体的热电偶回路现在是22页\一共有59页\编辑于星期一2．热电偶的基本定律（2）中间温度定律和根据此性质，只要列出热电势在冷端为0℃的分度表，就可以求出冷端在其它温度时的热电势值现在是23页\一共有59页\编辑于星期一2．热电偶的基本定律（2）中间温度定律该定律为使用热电偶分度表提供了依据。同时，可使用补偿导线使测量距离加长，也可用于消除热电偶自由端温度变化影响。现在是24页\一共有59页\编辑于星期一（3）标准电极定律定律描述：当接点温度为t、t0时，用导体A、B组成的热电偶的热电势等于AC热电偶和CB热电偶的热电势的代数和。此为参考电极定律，也称组成定律。

只要通过实验获得某些电极与标准电极的热电动势，则其中任何两个电极配成的热电偶电动势可以通过计算获得，可大大简化热电偶选配工作现在是25页\一共有59页\编辑于星期一[例]当T为100℃，T0为0℃时，鉻合金—铂热电偶的E（100℃，0℃）为+3.13mV，铝合金—铂热电偶E（100℃，0℃）为-1.02mV，求鉻合金—铝合金组成热电偶的热电势E（100℃，0℃）。解：设鉻合金为A，铝合金为B，铂为C。即EAC（100℃，0℃）=+3.13mVEBC（100℃，0℃）=-1.02mVEAB（100℃，0℃）=EAC（100℃，0℃）-EBC（100℃，0℃）=3.13mV-(-1.02mV)=4.15mV现在是26页\一共有59页\编辑于星期一（4）均质导体定律由同一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的截面积和长度如何，也不论各处的温度分布如何，都不产生热电势。ATBT0EAB(T，T0)T>T0A>B在制作热电偶时，一定要选用均质材料，以防止因材质不均匀而产生附加热电势，造成测量误差。热电偶必须采用两种不同材质的导体组成。现在是27页\一共有59页\编辑于星期一例：用镍铬－镍硅（K型）热电偶测量某一温度，若冷端温度为25℃，测得的热电势为20.54mV，求测量端的实际温度，反之，若已知测量端实际温度为800℃，其它条件同上，则测得的热电势应为多少？温度T(℃)K型热电偶热电势E(mV)251.00049720.51649820.55952121.54077532.24780033.275

查K型热电偶分度表，得设备真实温度为521℃。现在是28页\一共有59页\编辑于星期一热电偶的结构形式和种类（1）工业用热电偶（普通型）为装配式结构，一般由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等部分组成。贵金属热电极的直径不大于0.5mm，廉价金属热电极直径一般为0.5～3.2mm；热电偶的长度为350～2000mm。由于热容量大，温度响应较慢。现在是29页\一共有59页\编辑于星期一2023/4/1530普通装配型热电偶的外形安装螺纹安装法兰现在是30页\一共有59页\编辑于星期一4．热电偶的结构形式（2）铠装热电偶（缆式热电偶）它是将热电偶丝、绝缘材料和保护套管三者组合装配后，经拉伸加工而成的一种坚实的组合体。其外径一般为0.5～8mm其长度最大可达100m。铠装热电偶温度响应快；挠性好，可弯曲适用复杂场合安装使用。应用比较广泛。

现在是31页\一共有59页\编辑于星期一2023/4/1532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现在是32页\一共有59页\编辑于星期一3.薄膜热电偶

薄膜热电偶是由两种薄膜热电极材料,用真空蒸镀、化学凃层等办法蒸镀到绝缘基板上面制成的一种特殊热电偶,薄膜热电偶的热接点可以做得很小（可薄到0.01~0.1μm）,具有热容量小,反应速度快等的特点,热相应时间达到微秒级,适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量。现在是33页\一共有59页\编辑于星期一热电偶材料应满足：热电极材料所满足的要求：①热电偶材料受温度作用后能产生较高的热电势，热电势和温度之间的关系最好呈线性或近似线性的单值函数关系；材料的电阻温度系数要小，电阻率高，资源丰富，价格便宜。②能测量较高的温度，并在较宽的温度范国内应用；③物理性能稳定，导电性能好，热容量要小；④化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐蚀；⑤热电性能稳定，热电特性不随时间改变；⑥机械性能好，材质均匀；⑦复现性要好，便于大批生产和互换，便于制定统一的分度表热电偶的常用材料现在是34页\一共有59页\编辑于星期一

1．铂—铂铑热电偶(S型)

分度号LB—3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。现在是35页\一共有59页\编辑于星期一

2．镍铬—镍硅(镍铝)热电偶(K型)分度号EU—2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。现在是36页\一共有59页\编辑于星期一3．镍铬—考铜热电偶(E型)

分度号为EA—2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。现在是37页\一共有59页\编辑于星期一4．铂铑30—铂铑6热电偶(B型)

分度号为LL—2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。现在是38页\一共有59页\编辑于星期一一、冷端恒温法

必要性：

1、用热电偶的分度表查毫伏数-温度时，必须满足t0=0C的条件。在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化，这样t0不但不是0C，而且也不恒定，因此将产生误差。

2、一般情况下，冷端温度均高于0C，热电势总是偏小。应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失。1.采用0度恒温器，保持冷端温度为0度。2.采用其他恒温器，保持冷端温度一定。

热电偶冷端的温度补偿现在是39页\一共有59页\编辑于星期一2023/4/1540冰浴法

在冰瓶中，冰水混合物的温度能较长时间地保持在0C不变。现在是40页\一共有59页\编辑于星期一现在是41页\一共有59页\编辑于星期一（1）冷端恒温法冷端温度测量计算法

EAB(t，t0)为测得的数值；t0为已知温度，可反查分度表求得EAB(t0，0)；因此可以计算出EAB(t，0)值；正查分度表可求被测温度t。方法：自由端温度测量计算法需要保持冷端温度恒定。在实验室及精密测量中通常把冷端置于冰点槽中，使之温度为0℃。工业应用时，一般把冷端放在电加热的恒温器中。

热电偶冷端的温度补偿现在是42页\一共有59页\编辑于星期一例如：K型热电偶,工作时自由端t0

=30℃

，今测得热电势为38.560mv，求工作端的温度查表则现在是43页\一共有59页\编辑于星期一（2）补偿导线通常采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端上。必须指出，热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。补偿导线：在一定温度范围内（通常0~150℃），与配用热电偶的热电特性相同的一对带有绝缘层的导线。现在是44页\一共有59页\编辑于星期一mVABA’B’TCC’仪表铜导线试管补偿导线热电偶冰点槽冰水溶液T0现在是45页\一共有59页\编辑于星期一46例：有一个实际的热电偶测温系统，两个热电极的材料为镍铬和镍硅，L1和L2分别为配镍铬－镍硅热电偶的补偿导线，测量系统配K型热电偶的温度显示仪表(带补偿电桥)来显示被测温度的大小，设t＝300℃。tc＝50℃，t0＝20℃，①求测量回路的总电势及温度仪表的读数；补偿电桥补偿导线显示仪表镍铬镍硅热电偶温度T(℃)热电势E(mV)K型热电偶E型热电偶200.7981.192502.0233.0481887.65912.5371897.69912.61027010.97318.71327111.02118.79030012.20921.036现在是46页\一共有59页\编辑于星期一47解①：使用的热电偶分度号为K型，则回路总电势把t＝300℃带入上式，并查K型热电偶分度表，得E=11.411mV，显示仪表读数仍为300℃补偿电桥补偿导线显示仪表镍铬镍硅热电偶温度T(℃)热电势E(mV)K型热电偶E型热电偶200.7981.192502.0233.0481887.65912.5371897.69912.61027010.97318.71327111.02118.79030012.20921.036现在是47页\一共有59页\编辑于星期一48②如补偿导线为普通的铜导线，则测量回路的总电势和温度的显示值为多少。当补偿导线为普通铜导线时，则，那么回路总电势为：查K型热电偶分度表，得

补偿导线显示仪表镍铬镍硅热电偶温度T(℃)热电势E(mV)K型热电偶E型热电偶200.7981.192502.0233.0481887.65912.5371897.69912.61027010.97318.71327111.02118.79030012.20921.036现在是48页\一共有59页\编辑于星期一49当显示仪表为配E型热电偶(补偿导线连接正确时)，则

，那么回路总电势为

由于显示仪表是配E型热电偶，因此，显示仪表的读数值要查E型热电偶分度表，可得补偿导线显示仪表镍铬镍硅热电偶温度T(℃)热电势E(mV)K型热电偶E型热电偶200.7981.192502.0233.0481887.65912.5371897.69912.61027010.97318.71327111.02118.79030012.20921.036现在是49页\一共有59页\编辑于星期一（3）电桥补偿法（自动补偿法）利用不平衡电桥产生的相应电势，以补偿热电偶由于冷端温度变化而引起的热电势的变化。温度系数小：不平衡电桥由R1、R2、R3(锰铜丝绕制)温度系数大：RCu(铜丝绕制