第7章 熱電偶傳感器

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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點（技能點）：本章知識點（技能點）：n n1熱電偶的工作原理n n2熱電偶的分類n n3熱電偶冷端的補償方法n n4熱電偶的四種測溫線路的連接方式和適用場合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 表面溫度計表面溫度計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，如果兩接點所示，如果兩接點T T和和T T0 0的溫度不同，在回路中就會的溫度不同，在回路中就會產(chǎn)生電動勢，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)生電動勢，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)的電動勢和電流稱為熱電動勢和兩種導(dǎo)體的組合就稱為熱電偶，相應(yīng)的電動勢和電流稱為熱電動勢和熱電流，導(dǎo)體熱電流，導(dǎo)體A A和和B B稱為熱電極，接觸熱場的一端稱為工作端（熱端），稱為熱電極，接觸熱場的一端稱為工作端（熱端），另一端稱為自由端（冷端）。另一端稱為自由端（冷端）。1 1接觸電勢接觸電勢 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，這個電位差就是接觸電勢。電勢。2 2溫差電勢溫差電勢 溫差電勢就是由于金屬導(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。溫度不同，導(dǎo)體中自由電子能量就不同，溫度一種電勢。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向低能級區(qū)擴(kuò)散，于是就在導(dǎo)體的兩端形成一個電位差，這就是

4、級區(qū)擴(kuò)散，于是就在導(dǎo)體的兩端形成一個電位差，這就是溫差電勢。溫差電勢。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 熱電偶對熱電極的材料是有著一定要求的，熱電偶對熱電極的材料是有著一定要求的，如下所示：如下所示：（1 1）熱電動勢大，測量范圍寬，線性好；）熱電動勢大，測量范圍寬，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，國際電工委員會（

5、年，國際電工委員會（IECIEC）對七種熱）對七種熱電偶制定了國際標(biāo)準(zhǔn)。它們的分度號是電偶制定了國際標(biāo)準(zhǔn)。它們的分度號是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，分別為定點法、補償導(dǎo)線法、熱電動勢修正法和電橋補償法。7.4.1 定點法：定點法：將冷端放置于溫度嚴(yán)格控制的水浴中，水浴是一個水三相點裝置，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，僅限于實驗室之用。7.4.2 7.4.2 補償導(dǎo)線法補償導(dǎo)線法補償導(dǎo)線法補償導(dǎo)線法 補補償償導(dǎo)導(dǎo)線線法法就就是是采采用用補補償

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動較較小小處處，只要熱電偶和補償導(dǎo)線的二個接點溫度一致，就不會影響熱電動勢的輸出。只要熱電偶和補償導(dǎo)線的二個接點溫度一致，就不會影響熱電動勢的輸出。例子：鎳鉻例子：鎳鉻-鎳硅熱電偶測量爐溫鎳硅熱電偶測量爐溫 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)生的熱電動勢信號送到儀表室。需要將熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢信號送到儀表室。冷端溫度為冷端溫度為0 0，熱端溫度為，熱端溫度為800800時的熱電動勢為時的熱電動勢為E(800E(800，

7、0)0)33.275mV33.275mV；熱端溫度為熱端溫度為5050時的熱電動勢為時的熱電動勢為E E(50(50，0)0)2.023mV2.023mV；熱端溫度為熱端溫度為2020時的熱電動勢為時的熱電動勢為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，輸入儀表的熱電動勢為熱電動勢為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，輸入儀表的熱電動勢為入儀表的熱電動勢為 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)的真實溫度相差分別為與爐內(nèi)的真實溫度相差分別為751751-800-800=-49=-49 781 781-800-800

9、=-19=-197.4.3 熱電動勢修正法熱電動勢修正法 當(dāng)參考端溫度恒定，但恒定溫度不是分度時的定點溫當(dāng)參考端溫度恒定，但恒定溫度不是分度時的定點溫度時，就可采用此法進(jìn)行修正。具體方法就是利用中間溫度時，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，將測量值加上一個修正值，再查分度表，得到實度定律，將測量值加上一個修正值，再查分度表，得到實際的溫度值。際的溫度值。7.4.4 電橋補償法電橋補償法7.5常見的熱電偶測溫線路常見的熱電偶測溫線路7.5.1 7.5.1 單點測溫線路單點測溫線路單點測溫線路單點測溫線路 7.5.2 7.5.2 兩點溫差測量線路兩點溫差測量線路兩點溫差測量線路兩點溫差測量線路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