第8章热电式传感器剖析

第8章热电式传感器剖析第第 8 章章 热电式传感器热电式传感器8.1 热电偶（热电偶（TE）8.2 热电阻（热电阻（TR）8.3 热敏电阻（热敏电阻（TR）第8章热电式传感器剖析第一节第一节 热电偶传感器热电偶传感器 第8章热电式传感器剖析3介绍几种温度测量方法介绍几种温度测量方法 示温涂料（变色涂料）示温涂料（变色涂料）装满热水后图案变装满热水后图案变得清晰可辨得清晰可辨第8章热电式传感器剖析4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第8章热电式传感器剖析5体积体积热膨胀式热膨胀式 不需要电源，耐用；但不需要电源，耐用；但感温部件体积较大。感温部件体积较大。气体的体积与热气体的体积与热力学温度成正比力学温度成正比第8章热电式传感器剖析6红外温度计红外温度计第8章热电式传感器剖析 温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使温差热电偶（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。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、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；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，结构简单，准确度高、热惯性小，测温范围广测温范围广，下限可达，下限可达-270 C C，上限可达，上限可达18001800 C C以上；以上；3、能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面、能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。的温度。4、微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。、微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。第8章热电式传感器剖析8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：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。热电极热电极A A右端称为：右端称为：自由端自由端（参考端、（参考端、冷端）冷端）左端称为：左端称为：测量端测量端（工作端、（工作端、热端）热端）热电极热电极B B热电势热电势AB一、热电效应与热电偶测温原理一、热电效应与热电偶测温原理 第8章热电式传感器剖析一、热电效应与热电偶测温原理一、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，若连接处温度不同两种不同的导体或半导体闭合回路，若连接处温度不同（设（设TT0），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是），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。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。端或冷端。第8章热电式传感器剖析10（1）两种导体的接触热电势）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，在两金属由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属A和和B的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得到电得到电子带负电，从而产生热电势。子带负电，从而产生热电势。自由自由电子电子ABeAB（T T）T T第8章热电式传感器剖析（1）两种导体的接触热电势）两种导体的接触热电势接触电势的大小与温度高低及接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。即，导体中的电子密度有关。即，取决于取决于A、B的性质及接触点的性质及接触点的温度，而与其形状尺寸无关。的温度，而与其形状尺寸无关。第8章热电式传感器剖析（2）温差电动势）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。电位差，此电位差叫温差电动势。00001(,)()()1(,)()()tAAtAtBBtBkEt td n t ten tkEt td n t ten t第8章热电式传感器剖析EA(t，t0)导体导体A两端温度为两端温度为t，t0时形时形成的温差电动势；成的温差电动势；t，t0高低端的绝对温度；高低端的绝对温度；A汤姆逊系数，表示导体汤姆逊系数，表示导体A两端的两端的温度差为温度差为1时所产生的温差电动势，时所产生的温差电动势，例如在例如在0时，铜的时，铜的=2V/。温差电势00(,)tAAtEt tdtAeA(T,To)ToT温差电势原理图第8章热电式传感器剖析（3）热电偶回路总电势）热电偶回路总电势 00E(,)()()ABABABt tEtEt 总电势中，温差电动势比接触电动势小很多，经常可以总电势中，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：忽略不计，则热电偶的热电动势可表示为：假设导体假设导体A的电子密度大于导体的电子密度大于导体B的电子密度，则的电子密度，则总电动势为：总电动势为：0000E(,)()(,)(,)()ABABABABt tEtEt tEt tEt第8章热电式传感器剖析 00000000,lnlnABABABABABABAABBEt tEtEt tEt tEtEtEtntntktktentent因此，热电偶总电动势的影响因素：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）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）两接点温度相同时，总电动势为0第8章热电式传感器剖析（3）回路总电势）回路总电势 0e(,)()Cf(T)ABABT TeT 实际中，热电势与温度之间的关系是通过热电偶分度实际中，热电势与温度之间的关系是通过热电偶分度表来确定。表来确定。分度表是在参考温度为分度表是在参考温度为0时，通过实验建立时，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。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，当参考端温度对于已选定的热电偶，当参考端温度T0恒定时，恒定时，EAB(T0)为常数，即为常数，即EAB(T0)=C，则总的热电动势就只与温度，则总的热电动势就只与温度T成单成单值函数关系，即：值函数关系，即：第8章热电式传感器剖析热电偶的分度表 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。温度的对照表，即分度表。供查阅使用，每供查阅使用，每10分档分档。中间值按内插法计算。中间值按内插法计算。()MLMLHLHLEEttttEE第8章热电式传感器剖析热电偶的分度表（热电势与温度的关系）热电偶的分度表（热电势与温度的关系）第8章热电式传感器剖析S型型(铂铑铂铑10-铂铂)热电偶分度表热电偶分度表 第8章热电式传感器剖析热电偶的基本定律热电偶的基本定律（1）中间导体定律）中间导体定律000(,)(,)()()ABCABABABEt tEt tEtEt第8章热电式传感器剖析ATBTCCATBT0ACTC根据此性质可在根据此性质可在热电偶回路中引热电偶回路中引入各种测量仪表、入各种测量仪表、连线等均不影响连线等均不影响热电势的测量热电势的测量ATBTCCD如第三种导体两端温度不如第三种导体两端温度不等，将造成热电势变化，等，将造成热电势变化，变化取决于导体热电性质变化取决于导体热电性质与接点温度。因此，接入与接点温度。因此，接入导体材料要尽量与热电偶导体材料要尽量与热电偶热电性质相近热电性质相近第8章热电式传感器剖析2热电偶的基本定律热电偶的基本定律（1）中间导体定律的应用）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利用热电偶测温，必须在热电偶回路中接入电位计E E和导和导线，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。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测量仪表及引线作为第三种导体的热电偶回路 第8章热电式传感器剖析2热电偶的基本定律热电偶的基本定律（2）中间温度定律）中间温度定律和根据此性质，只要列根据此性质，只要列出热电势在冷端为出热电势在冷端为00的分度表，就可的分度表，就可以求出冷端在其它温以求出冷端在其它温度时的热电势值度时的热电势值第8章热电式传感器剖析2热电偶的基本定律热电偶的基本定律（2）中间温度定律）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，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。热电偶自由端温度变化影响。第8章热电式传感器剖析（3）标准电极定律）标准电极定律 定律描述：当接点温度为定律描述：当接点温度为t、t0时，用导体时，用导体A、B组成的热电组成的热电偶的热电势等于偶的热电势等于AC热电偶和热电偶和CB热电偶的热电势的代数和。热电偶的热电势的代数和。此为参考电极定律，也称组成定律此为参考电极定律，也称组成定律 。000(,)(,)(,)ABACBCEt tEt tEt t只要通过实验获得某只要通过实验获得某些电极与标准电极的些电极与标准电极的热电动势，则其中任热电动势，则其中任何两个电极配成的热何两个电极配成的热电偶电动势可以通过电偶电动势可以通过计算获得，可大大简计算获得，可大大简化热电偶选配工作化热电偶选配工作第8章热电式传感器剖析例例当当T为为100，T0为为0时，鉻合金时，鉻合金铂热电偶的铂热电偶的E（100，0）为）为+3.13mV，铝合金，铝合金铂热电偶铂热电偶E（100，0）为）为-1.02mV，求鉻合金，求鉻合金铝合金组成热电偶的热电势铝合金组成热电偶的热电势E（100，0）。）。解：设鉻合金为解：设鉻合金为A A，铝合金为，铝合金为B B，铂为，铂为C C。即即E EACAC（100100，00）=+3.13mV=+3.13mVE EBCBC（100100，00）=-1.02mV=-1.02mVE EABAB（100100，00）=E=EACAC（100100，00）-E-EBCBC（100100，00）=3.13mV-(-1.02mV)=4.15mV=3.13mV-(-1.02mV)=4.15mV第8章热电式传感器剖析（4）均质导体定律）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。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，一在制作热电偶时，一定要选用均质材料，定要选用均质材料，以防止因材质不均匀以防止因材质不均匀而产生附加热电势，而产生附加热电势，造成测量误差。造成测量误差。热电偶必须采用热电偶必须采用两种不同材质的两种不同材质的导体组成。导体组成。第8章热电式传感器剖析例：用镍铬镍硅（例：用镍铬镍硅（K型）热电偶测量某一温度，若冷端型）热电偶测量某一温度，若冷端温度为温度为25，测得的热电势为，测得的热电势为20.54mV，求测量端的实际，求测量端的实际温度，反之，若已知测量端实际温度为温度，反之，若已知测量端实际温度为800，其它条件，其它条件同上，则测得的热电势应为多少？同上，则测得的热电势应为多少？温度温度T()T()K K型热电偶热电型热电偶热电势势E(mV)E(mV)25251.0001.00049749720.51620.51649849820.55920.55952152121.54021.54077577532.24732.24780080033.27533.275KE(25,0)=1.00mVKSSET,0=E T,25+E 25,0=20.54+1.000=21.54mVKE800,0=33.275mVKKKE800,25=E800,0-E25,0=33.275-1.000=32.275mV 查查K型热电偶分度表，得设备真实温型热电偶分度表，得设备真实温度为度为521。第8章热电式传感器剖析热电偶的结构形式和种类热电偶的结构形式和种类（1）工业用热电偶（普通型）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盒等部分组成。贵金属热电极的直径不大于0.5mm，廉价，廉价金属热电极直径一般为金属热电极直径一般为0.53.2mm；热电偶的长度为；热电偶的长度为3502000mm。由于热容量大，温度响应较慢。由于热容量大，温度响应较慢。第8章热电式传感器剖析30普通装配型热电偶的外形安装安装螺纹螺纹安装安装法兰法兰第8章热电式传感器剖析4热电偶的结构形式热电偶的结构形式（2）铠装热电偶（缆式热电偶）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，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。其外径一般为经拉伸加工而成的一种坚实的组合体。其外径一般为0.58mm其长度最大可达其长度最大可达100m。铠装热电偶温度响应快；。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。挠性好，可弯曲适用复杂场合安装使用。应用比较广泛。第8章热电式传感器剖析32铠装型热电偶外形铠装型热电偶外形法兰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第8章热电式传感器剖析3.3.薄膜热电偶薄膜热电偶 薄膜热电偶是由两种薄膜热电极材料薄膜热电偶是由两种薄膜热电极材料,用真空蒸镀、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（可薄到薄膜热电偶的热接点可以做得很小（可薄到0.010.1m0.010.1m）,具有热容量小具有热容量小,反应速度快等的特点反应速度快等的特点,热相应时间达到微秒热相应时间达到微秒级级,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。测量。第8章热电式传感器剖析热电偶材料应满足：热电偶材料应满足：热电极材料所满足的要求：热电极材料所满足的要求：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。电阻温度系数要小，电阻率高，资源丰富，价格便宜。能测量较高的温度，并在较宽的温度范国内应用；能测量较高的温度，并在较宽的温度范国内应用；物理性能稳定，导电性能好，热容量要小；物理性能稳定，导电性能好，热容量要小；化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐蚀；化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐蚀；热电性能稳定，热电特性不随时间改变；热电性能稳定，热电特性不随时间改变；机械性能好，材质均匀；机械性能好，材质均匀；复现性要好，便于大批生产和互换，便于制定统一的分度表复现性要好，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第8章热电式传感器剖析 1铂铂铑热电偶(S型)分度号LB3工业用热电偶丝：工业用热电偶丝：0.5mm，实验室用可更细些。，实验室用可更细些。正极：铂铑合金丝正极：铂铑合金丝,用用90铂和铂和10铑铑(重量比重量比)冶炼而成。冶炼而成。负极：铂丝。负极：铂丝。测量温度：长期：测量温度：长期：1300、短期：、短期：1600。特点：特点：n 材料性能稳定，测量准确度较高；可做成标准热电偶材料性能稳定，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。或基准热电偶。用途：实验室或校验其它热电偶。n 测量温度较高，一般用来测量测量温度较高，一般用来测量1000以上高温。以上高温。n 在高温还原性气体中（如气体中含在高温还原性气体中（如气体中含Co、H2等）易被侵等）易被侵 蚀，需要用保护套管。蚀，需要用保护套管。n 材料属贵金属，成本较高。材料属贵金属，成本较高。n 热电势较弱。热电势较弱。第8章热电式传感器剖析 2镍铬镍硅(镍铝)热电偶(K型)分度号EU2工业用热电偶丝：工业用热电偶丝：1.22.5mm，实验室用可细些。，实验室用可细些。正极：镍铬合金正极：镍铬合金(用用88.489.7镍、镍、910铬，铬，0.6硅，硅，0.3锰，锰，0.40.7钴冶炼而成钴冶炼而成)。负极：镍硅合金负极：镍硅合金(用用95.797镍镍,23硅硅,0.40.7钴钴冶炼而成冶炼而成)。测量温度：长期测量温度：长期1000，短期，短期1300。特点：特点：u 价格比较便宜，在工业上广泛应用。价格比较便宜，在工业上广泛应用。u 高温下抗氧化能力强，在还原性气体和含有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。等气体中易被侵蚀。u 复现性好，热电势大，但精度不如复现性好，热电势大，但精度不如WRLB。第8章热电式传感器剖析3镍铬考铜热电偶(E型)分度号为EA2工业用热电偶丝工业用热电偶丝:1.22mm，实验室用可更细些。，实验室用可更细些。正极：镍铬合金正极：镍铬合金负极：考铜合金（用负极：考铜合金（用56铜，铜，44镍冶炼而成）。镍冶炼而成）。测量温度：长期测量温度：长期600，短期，短期800。特点：特点：l 价格比较便宜，工业上广泛应用。价格比较便宜，工业上广泛应用。l 在常用热电偶中它产生的热电势最大。在常用热电偶中它产生的热电势最大。l 气体硫化物对热电偶有腐蚀作用。考铜易氧化变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。质，适于在还原性或中性介质中使用。第8章热电式传感器剖析4铂铑30铂铑6热电偶(B型)分度号为LL2正极：铂铑合金（用正极：铂铑合金（用70铂，铂，30铑冶炼而成）。铑冶炼而成）。负极：铂铑合金（用负极：铂铑合金（用94铂，铂，6铑冶炼而成）。铑冶炼而成）。测量温度：长期可到测量温度：长期可到1600，短期可达，短期可达1800。特点：特点：l 材料性能稳定，测量精度高。材料性能稳定，测量精度高。l 还原性气体中易被侵蚀。还原性气体中易被侵蚀。l 低温热电势极小，冷端温度在低温热电势极小，冷端温度在50以下可不加补偿。以下可不加补偿。l 成本高。成本高。第8章热电式传感器剖析一、一、冷端恒温法冷端恒温法 必要性：必要性：1、用热电偶的分度表查毫伏数、用热电偶的分度表查毫伏数-温度时，必须满足温度时，必须满足t0=0 C的条件。在实际测温中，冷端温度常随环境温度而的条件。在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化，这样变化，这样t0不但不是不但不是0 C，而且也不恒定，而且也不恒定，因此将产生因此将产生误差。误差。2、一般情况下，冷端温度均高于一般情况下，冷端温度均高于0 C，热电势总，热电势总是偏小。应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失是偏小。应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失。1.1.采用采用0 0度恒温器，保持冷端温度为度恒温器，保持冷端温度为0 0度。度。2 2.采用其他恒温器，保持冷端温度一定。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热电偶冷端的温度补偿第8章热电式传感器剖析40冰浴法冰浴法 在冰瓶中，冰水混合物的温度能较长时间地保持在冰瓶中，冰水混合物的温度能较长时间地保持在在0 0 C C不变。不变。第8章热电式传感器剖析第8章热电式传感器剖析（1）冷端恒温法冷端恒温法冷端温度测量计算法冷端温度测量计算法 EAB(t，t0)为测得的数值；为测得的数值；t0为已知温度，可反查分度表求为已知温度，可反查分度表求得得EAB(t0，0)；因此可以计算出；因此可以计算出EAB(t，0)值；正查分度表可值；正查分度表可求被测温度求被测温度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，使之温度为为0。工业应用时，一般把冷端放在电加热的恒温器中。工业应用时，一般把冷端放在电加热的恒温器中。00,0,0ABABABEtEt tEt热电偶冷端的温度补偿热电偶冷端的温度补偿第8章热电式传感器剖析例如：例如：K型热电偶型热电偶,工作时自由端工作时自由端t0=30，今测，今测得热电势为得热电势为38.560mv，求工作端的温度，求工作端的温度mvttEAB560.38),(01mvtEAB203.1)0,(0mvtEAB760.39203.1560.38)0,(1Ct01962查表查表则则第8章热电式传感器剖析（2）补偿导线）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。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。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（通常补偿导线：在一定温度范围内（通常0150），与配用热），与配用热电偶的热电特性相同的一对带有绝缘层的导线。电偶的热电特性相同的一对带有绝缘层的导线。第8章热电式传感器剖析mVABABTCC仪表铜导线试管补偿导线热电偶冰点槽冰水溶液T0第8章热电式传感器剖析46 例：有一个实际的热电偶测温系统，两个热电极的材例：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，料为镍铬和镍硅，L1和和L2分别为配镍铬镍硅热电偶分别为配镍铬镍硅热电偶的补偿导线，测量系统配的补偿导线，测量系统配K型热电偶的温度显示仪表型热电偶的温度显示仪表(带补偿电桥带补偿电桥)来显示被测温度的大小，设来显示被测温度的大小，设t 300。tc50，t020，求测量回路的总电势及温度仪，求测量回路的总电势及温度仪表的读数；表的读数；补偿电桥 补偿导线显示仪表镍铬镍硅热电偶tct0t1L2L温度温度T()T()热电势热电势E(mV)E(mV)K K型热电偶型热电偶E E型热电偶型热电偶20200.7980.7981.1921.19250502.0232.0233.0483.0481881887.6597.65912.53712.5371891897.6997.69912.61012.61027027010.97310.97318.71318.71327127111.02111.02118.79018.79030030012.20912.20921.03621.036第8章热电式传感器剖析47 解：使用的热电偶分度号为解：使用的热电偶分度号为K型，则回路总电势型，则回路总电势 把把t 300带入上式，并查带入上式，并查K型型 热电偶分度表，得热电偶分度表，得E=11.411mV，显示仪表读数仍为显示仪表读数仍为300补偿电桥 补偿导线显示仪表镍铬镍硅热电偶tct0t1L2L0,KccKEEt tEt t补0,300,020,0KKKEEt tEE温度温度T()T()热电势热电势E(mV)E(mV)K K型热电偶型热电偶E E型热电偶型热电偶20200.7980.7981.1921.19250502.0232.0233.0483.0481881887.6597.65912.53712.5371891897.6997.69912.61012.61027027010.97310.97318.71318.71327127111.02111.02118.79018.79030030012.20912.20921.03621.036第8章热电式传感器剖析48 如补偿导线为普通的铜导线，则测量回路的总电势和温度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。的显示值为多少。当补偿导线为普通铜导线时，则当补偿导线为普通铜导线时，则 ，那么回路总电势为：，那么回路总电势为：查查K型热电偶分度表，得型热电偶分度表，得 0,0cKEt t 补,300,5012.2092.02310.186KcKEEt tEmV250.3tC示显补偿导线显示仪表镍铬镍硅热电偶tct0t1L2L温度温度T()T()热电势热电势E(mV)E(mV)K K型热电偶型热电偶E E型热电偶型热电偶20200.7980.7981.1921.19250502.0232.0233.0483.0481881887.6597.65912.53712.5371891897.6997.69912.61012.61027027010.97310.97318.71318.71327127111.02111.02118.79018.79030030012.20912.20921.03621.036第8章热电式传感器剖析49当显示仪表为配当显示仪表为配E型热电偶型热电偶(补偿导线连接正确时补偿导线连接正确时)，则，则 ，那么回路总电势为，那么回路总电势为 00,0,0EtE tE补由于显示仪表是配由于显示仪表是配E型热电偶，型热电偶，因此，显示仪表的读数值要因此，显示仪表的读数值要查查E型热电偶分度表，可得型热电偶分度表，可得168.9tC示显补偿导线显示仪表镍铬镍硅热电偶tct0t1L2L温度温度T()T()热电势热电势E(mV)E(mV)K K型热电偶型热电偶E E型热电偶型热电偶20200.7980.7981.1921.19250502.0232.0233.0483.0481881887.6597.65912.53712.5371891897.6997.69912.61012.61027027010.97310.97318.71318.71327127111.02111.02118.79018.79030030012.20912.20921.03621.0360,KccKEEt tEt t补0,300,020,012.209 1.19211.017KKEEEt tEEmV第8章热电式传感器剖析（3）电桥补偿法（自动补偿法）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。温度变化而引起的热电势的变化。000(,)(,)UABABABCABEt ttEt tURU恒定值132213112323()()(1)()UUUUCCABCCR RRR RR RRUEERRRRRRRR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)四个桥臂和桥路电源组成。第8章热电式传感器剖析1测量某点温度测量某点温度 流过测温毫伏表的电流为：流过测温毫伏表的电流为：MABRRRTTEICL0，热电偶测温线路的应用热电偶测温线路的应用第8章热电式传感器剖析 特殊情况下，热电偶可以串联或并联使用，但特殊情况下，热电偶可以串联或并联使用，但只能是同一分度号的热电偶，且冷端应在同一温只能是同一分度号的热电偶，且冷端应在同一温度下。如热电偶正向串联，度下。如热电偶正向串联，可获得较大的热电势可获得较大的热电势输出和提高灵敏度；在测量两点温差时，可采用输出和提高灵敏度；在测量两点温差时，可采用热电偶反向串联；利用热电偶并联可以测量平均热电偶反向串联；利用热电偶并联可以测量平均温度。温度。第8章热电式传感器剖析2测量两点之间的温度差（反向串联）测量两点之间的温度差（反向串联）将两个同型号的热电偶配用相同的补偿导线，其接线将两个同型号的热电偶配用相同的补偿导线，其接线应使两热电势反向串联，此时仪表可测得应使两热电势反向串联，此时仪表可测得t1和和t2之间的之间的温度差值。温度差值。回路内的总电动势为：回路内的总电动势为：102012,TABBAABEEt tEt tEt t热电动势热电动势1 1热电动势热电动势2 2补偿导线补偿导线第8章热电式传感器剖析3测量设备中的平均温度（同向并联）测量设备中的平均温度（同向并联）设每只热电偶的输出为：设每只热电偶的输出为：033022011TTEETTEETTEEABABAB，；，；，回路总的热电动势为回路总的热电动势为:nEEEEnT+=21第8章热电式传感器剖析特点：当有一只热电偶特点：当有一只热电偶烧断时，难以觉察出来。烧断时，难以觉察出来。当然，它也不会中断整当然，它也不会中断整个测温系统的工作。个测温系统的工作。12310203012301230(,)(,)(,)33(,3)(,)33ABABABTABABEEEEt tEt tEt tEEtttttttEt第8章热电式传感器剖析4测量温度之和（同向串联）测量温度之和（同向串联）回路总的热电势为：回路总的热电势为：优点：热电动势大，仪表的灵敏度大大增加，且避免了热优点：热电动势大，仪表的灵敏度大大增加，且避免了热电偶并联线路存在的缺点，可立即可以发现有断路。缺点：电偶并联线路存在的缺点，可立即可以发现有断路。缺点：只要有一支热电偶断路，整个测温系统将停止工作。只要有一支热电偶断路，整个测温系统将停止工作。0123102030012301230(,)(,)(,)(,3)(,)TABABABtABABEEEEEt tEt tEt tEttttEttt t第8章热电式传感器剖析热电偶的应用热电偶的应用第8章热电式传感器剖析常用炉温测量控制系统如图所示。毫伏定值器给出给定温度的相常用炉温测量控制系统如图所示。毫伏定值器给出给定温度的相应毫伏值，热电偶的热电势与定值器的毫伏值相比较，若有偏差应毫伏值，热电偶的热电势与定值器的毫伏值相比较，若有偏差则表示炉温偏离给定值，此偏差经放大器送入调节器，再经过晶则表示炉温偏离给定值，此偏差经放大器送入调节器，再经过晶闸管触发器推动晶闸管执行器来调整电炉丝的加热功率，直到偏闸管触发器推动晶闸管执行器来调整电炉丝的加热功率，直到偏差被消除，从而实现控制温度。差被消除，从而实现控制温度。第8章热电式传感器剖析己知分度号为己知分度号为S的热电偶冷端温度为的热电偶冷端温度为t0=20 C，现测，现测得热电动势为得热电动势为11.710mV，求被测温度为多少度，求被测温度为多少度?(E(20，0)=0.113mV，该型热电偶的分度表见表。，该型热电偶的分度表见表。第8章热电式传感器剖析若用两支铂铑若用两支铂铑10-10-铂热电偶串联来测量炉温，连接方式分别如铂热电偶串联来测量炉温，连接方式分别如图所示。已知炉内温度均匀，最高温度为图所示。已知炉内温度均匀，最高温度为10001000，假设补偿，假设补偿导线导线C C、D D与热电偶与热电偶A A、B B本身在本身在100100以下具有相同的热点特性。以下具有相同的热点特性。（1 1）试分别计算测量仪表的测量范围（以最大毫伏数表示）试分别计算测量仪表的测量范围（以最大毫伏数表示）（2 2）若测量仪表得到的信号是）若测量仪表得到的信号是15mV15mV，分别计算这时炉子的实，分别计算这时炉子的实际温度。际温度。第8章热电式传感器剖析用用K K热电偶测某设备的温度，测得的热电势为热电偶测某设备的温度，测得的热电势为20mV20mV，求，求设备的温度？若改用设备的温度？若改用E E热电偶测温，在相同条件下热电偶测温，在相同条件下E E热热电偶测得的热电势为多少？（室温为电偶测得的热电势为多少？（室温为2525）用分度号为用分度号为K K的镍铬的镍铬-镍硅热电偶测量温度镍硅热电偶测量温度,在没有在没有采取冷端温度补偿的情况下采取冷端温度补偿的情况下,显示仪表指示值为显示仪表指示值为500,500,而这时冷端温度为而这时冷端温度为60,60,试问实际温度应为试问实际温度应为多少多少?如果热端温度不变如果热端温度不变,设法使冷端温度保持在设法使冷端温度保持在20,20,此时显示仪表的指示值应为多少此时显示仪表的指示值应为多少?第8章热电式传感器剖析 试证明图所示热电偶回路中，加入第三种材料试证明图所示热电偶回路中，加入第三种材料C，第四种材料第四种材料D（无论插入何处），只要插入材料（无论插入何处），只要插入材料 两端温度相同，则回路总电动势不变（两端温度相同，则回路总电动势不变（nanB，tt0）用镍铬用镍铬-镍硅（镍硅（K）热电偶测温度，已知冷端温度为）热电偶测温度，已知冷端温度为40，用高精度毫伏表测得这时的热电动势为，用高精度毫伏表测得这时的热电动势为29.188mV，求被测点温度。，求被测点温度。DCCAABt0t