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1、第第7章章 熱電偶傳感器熱電偶傳感器本章知識(shí)點(diǎn)（技能點(diǎn)）：本章知識(shí)點(diǎn)（技能點(diǎn)）：n n1熱電偶的工作原理n n2熱電偶的分類n n3熱電偶冷端的補(bǔ)償方法n n4熱電偶的四種測(cè)溫線路的連接方式和適用場(chǎng)合n n5熱電偶的應(yīng)用先導(dǎo)案例先導(dǎo)案例 圖圖7-1 SWK-2 表面溫度計(jì)表面溫度計(jì)7.1 熱電偶的工作原理熱電偶的工作原理 熱電偶的工作原理基于熱電效應(yīng)。將兩種不同的導(dǎo)體熱電偶的工作原理基于熱電效應(yīng)。將兩種不同的導(dǎo)體A A和和B B組成閉組成閉合回路，如圖合回路，如圖7-27-2所示，如果兩接點(diǎn)所示，如果兩接點(diǎn)T T和和T T0 0的溫度不同，在回路中就會(huì)的溫度不同，在回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，有電流
2、流過，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)或塞貝克效應(yīng)，這產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，有電流流過，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)或塞貝克效應(yīng)，這兩種導(dǎo)體的組合就稱為熱電偶，相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)和電流稱為熱電動(dòng)勢(shì)和兩種導(dǎo)體的組合就稱為熱電偶，相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)和電流稱為熱電動(dòng)勢(shì)和熱電流，導(dǎo)體熱電流，導(dǎo)體A A和和B B稱為熱電極，接觸熱場(chǎng)的一端稱為工作端（熱端），稱為熱電極，接觸熱場(chǎng)的一端稱為工作端（熱端），另一端稱為自由端（冷端）。另一端稱為自由端（冷端）。1 1接觸電勢(shì)接觸電勢(shì) 金屬導(dǎo)體由于材料不同，其內(nèi)部的電子密度也不同，金屬導(dǎo)體由于材料不同，其內(nèi)部的電子密度也不同，電子密度不同的金屬接觸在一起就要發(fā)生自由電子的擴(kuò)散電子密度不同的金屬接觸在一起
3、就要發(fā)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象，自由電子會(huì)從密度大的金屬向密度小的金屬轉(zhuǎn)移，現(xiàn)象，自由電子會(huì)從密度大的金屬向密度小的金屬轉(zhuǎn)移，于是在兩導(dǎo)體之間就形成了電位差，這個(gè)電位差就是接觸于是在兩導(dǎo)體之間就形成了電位差，這個(gè)電位差就是接觸電勢(shì)。電勢(shì)。2 2溫差電勢(shì)溫差電勢(shì) 溫差電勢(shì)就是由于金屬導(dǎo)體兩端溫度不同而產(chǎn)生的另溫差電勢(shì)就是由于金屬導(dǎo)體兩端溫度不同而產(chǎn)生的另一種電勢(shì)。溫度不同，導(dǎo)體中自由電子能量就不同，溫度一種電勢(shì)。溫度不同，導(dǎo)體中自由電子能量就不同，溫度越高電子能量就越大。在導(dǎo)體中能量大的電子就會(huì)向低能越高電子能量就越大。在導(dǎo)體中能量大的電子就會(huì)向低能級(jí)區(qū)擴(kuò)散，于是就在導(dǎo)體的兩端形成一個(gè)電位差，這就是
4、級(jí)區(qū)擴(kuò)散，于是就在導(dǎo)體的兩端形成一個(gè)電位差，這就是溫差電勢(shì)。溫差電勢(shì)。7.2 熱電偶的結(jié)構(gòu)熱電偶的結(jié)構(gòu) 按結(jié)構(gòu)形式，熱電偶分普通型、鎧裝型、表面型和快速型四種。7.3 熱電偶的分類熱電偶的分類 熱電偶對(duì)熱電極的材料是有著一定要求的，熱電偶對(duì)熱電極的材料是有著一定要求的，如下所示：如下所示：（1 1）熱電動(dòng)勢(shì)大，測(cè)量范圍寬，線性好；）熱電動(dòng)勢(shì)大，測(cè)量范圍寬，線性好；（2 2）性能穩(wěn)定，不易氧化、變形和腐蝕；）性能穩(wěn)定，不易氧化、變形和腐蝕；（3 3）電阻溫度系數(shù)小，電阻率?。唬╇娮铚囟认禂?shù)小，電阻率??；（4 4）易加工，材料復(fù)制性好。）易加工，材料復(fù)制性好。1997 1997年，國(guó)際電工委員會(huì)（
5、年，國(guó)際電工委員會(huì)（IECIEC）對(duì)七種熱）對(duì)七種熱電偶制定了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。它們的分度號(hào)是電偶制定了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。它們的分度號(hào)是S S、B B、K K、T T、E E、J J、R R。7.4 熱電偶參考端（冷端）的處理熱電偶參考端（冷端）的處理 有四種方法可以采用，分別為定點(diǎn)法、補(bǔ)償導(dǎo)線法、熱電動(dòng)勢(shì)修正法和電橋補(bǔ)償法。7.4.1 定點(diǎn)法：定點(diǎn)法：將冷端放置于溫度嚴(yán)格控制的水浴中，水浴是一個(gè)水三相點(diǎn)裝置，其溫度是0.010.0005C，最常用的方法是用冰浴，冰浴的恒定溫度為0C，僅限于實(shí)驗(yàn)室之用。7.4.2 7.4.2 補(bǔ)償導(dǎo)線法補(bǔ)償導(dǎo)線法補(bǔ)償導(dǎo)線法補(bǔ)償導(dǎo)線法 補(bǔ)補(bǔ)償償導(dǎo)導(dǎo)線線法法就就是是采采用用補(bǔ)補(bǔ)償
6、償導(dǎo)導(dǎo)線線將將熱熱電電偶偶延延伸伸到到溫溫度度恒恒定定或或溫溫度度波波動(dòng)動(dòng)較較小小處處，只要熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線的二個(gè)接點(diǎn)溫度一致，就不會(huì)影響熱電動(dòng)勢(shì)的輸出。只要熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線的二個(gè)接點(diǎn)溫度一致，就不會(huì)影響熱電動(dòng)勢(shì)的輸出。例子：鎳鉻例子：鎳鉻-鎳硅熱電偶測(cè)量爐溫鎳硅熱電偶測(cè)量爐溫 假假設(shè)設(shè)，熱熱端端溫溫度度為為800800，冷冷端端溫溫度度為為5050，儀儀表表室室的的環(huán)環(huán)境境溫溫度度恒恒為為2020。需要將熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào)送到儀表室。需要將熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào)送到儀表室。冷端溫度為冷端溫度為0 0，熱端溫度為，熱端溫度為800800時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)為時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)為E(800E(800，
7、0)0)33.275mV33.275mV；熱端溫度為熱端溫度為5050時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)為時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)為E E(50(50，0)0)2.023mV2.023mV；熱端溫度為熱端溫度為2020時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)為時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)為E E(20(20，0)=0.798mV0)=0.798mV。如果熱電偶與儀表之間直接用銅導(dǎo)線連接，根據(jù)中間導(dǎo)體定律，輸入儀表的如果熱電偶與儀表之間直接用銅導(dǎo)線連接，根據(jù)中間導(dǎo)體定律，輸入儀表的熱電動(dòng)勢(shì)為熱電動(dòng)勢(shì)為E E(800(800，50)=50)=E E(800(800，0)-0)-E E(50(50，0)=(33.277-2.022)mV=31.255mV(0)=(33.277
8、-2.022)mV=31.255mV(相當(dāng)于相當(dāng)于751751)如果熱電偶與儀表之間用補(bǔ)償導(dǎo)線連接，相當(dāng)于將熱電偶延伸到儀表室，輸如果熱電偶與儀表之間用補(bǔ)償導(dǎo)線連接，相當(dāng)于將熱電偶延伸到儀表室，輸入儀表的熱電動(dòng)勢(shì)為入儀表的熱電動(dòng)勢(shì)為 E E(800(800，20)=20)=E E(800(800，0)-0)-E E(20(20，0)=(33.277-0.798)mV=32.479mV(0)=(33.277-0.798)mV=32.479mV(相當(dāng)于相當(dāng)于781781)與爐內(nèi)的真實(shí)溫度相差分別為與爐內(nèi)的真實(shí)溫度相差分別為751751-800-800=-49=-49 781 781-800-800
9、=-19=-197.4.3 熱電動(dòng)勢(shì)修正法熱電動(dòng)勢(shì)修正法 當(dāng)參考端溫度恒定，但恒定溫度不是分度時(shí)的定點(diǎn)溫當(dāng)參考端溫度恒定，但恒定溫度不是分度時(shí)的定點(diǎn)溫度時(shí)，就可采用此法進(jìn)行修正。具體方法就是利用中間溫度時(shí)，就可采用此法進(jìn)行修正。具體方法就是利用中間溫度定律，將測(cè)量值加上一個(gè)修正值，再查分度表，得到實(shí)度定律，將測(cè)量值加上一個(gè)修正值，再查分度表，得到實(shí)際的溫度值。際的溫度值。7.4.4 電橋補(bǔ)償法電橋補(bǔ)償法7.5常見的熱電偶測(cè)溫線路常見的熱電偶測(cè)溫線路7.5.1 7.5.1 單點(diǎn)測(cè)溫線路單點(diǎn)測(cè)溫線路單點(diǎn)測(cè)溫線路單點(diǎn)測(cè)溫線路 7.5.2 7.5.2 兩點(diǎn)溫差測(cè)量線路兩點(diǎn)溫差測(cè)量線路兩點(diǎn)溫差測(cè)量線路兩點(diǎn)溫差測(cè)量線路7.5.3 7.5.3 串聯(lián)線路串聯(lián)線路串聯(lián)線路串聯(lián)線路 7.5.4 7.5.4 并聯(lián)線路并聯(lián)線路并聯(lián)線路并聯(lián)線路
第7章 熱電偶傳感器
