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1、任務(wù) 2 熱電偶溫度傳感器 1、學(xué)習(xí)熱電偶的概念及其特點 2、學(xué)習(xí)熱電偶的基本定律 3、學(xué)習(xí)熱電偶測溫原理 4、學(xué)習(xí)熱電偶的結(jié)構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)熱電偶 5、學(xué)習(xí)熱電偶的冷端溫度補償法 1、熱電偶的概念及其特點 2、熱電偶的基本定律 3、熱電偶測溫原理 4、熱電偶的結(jié)構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)熱電偶 5、熱電偶的冷端溫度補償法 熱電偶主要用來測量中高溫，它的測溫范 圍大，適用于煉鋼爐、煉焦?fàn)t等高溫地區(qū) 的溫度測量。 熱電偶測溫原理 熱電效應(yīng)和熱電動勢 熱電偶是利用熱電效應(yīng)的原理制成的。 熱電效應(yīng)和熱電動勢 將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體 A和 B焊接起來， 構(gòu)成一個閉合回路。當(dāng)導(dǎo)

2、體 A和 B的兩個交接點 t和 t0之間存在溫差時，兩者之間便產(chǎn)生電動勢 ,因而 在回路中形成一個大小的電流 ,這種現(xiàn)象稱為熱電 效應(yīng)， 也稱塞貝爾效應(yīng)。 導(dǎo)體 A、 B稱熱電極；溫度 t處稱為熱端、工作端 或測量端；溫度 t0稱為冷端、參考端或自由端。 看一個實驗 熱電偶工作原理演示 結(jié)論：當(dāng)兩個結(jié)點溫度不相同時，回路中將產(chǎn)生電動勢。 熱電極 A 自由端 （參考端、 冷端 ） 測量端 （工作端、 熱端 ） 熱電極 B 熱電勢 A B 空中加油 請你分析一下，這種加油 方式在怎樣的條件下才可 進(jìn)行？ 熱電偶熱的電動勢的特點 1、當(dāng)電極材料不同，并且熱端溫度

3、 t和冷端溫度 t0不 同時，熱電偶回路才會有熱電動勢 ;當(dāng)熱電極材料選 定后，熱端溫度 t和冷端溫度 t0的溫差越大，熱電動 勢就越大。 2、熱電動勢的產(chǎn)生是由兩種導(dǎo)體的接觸電動勢和單 一導(dǎo)體的溫差電勢兩部分組成。一般情況下，熱電 偶的接觸電勢遠(yuǎn)大于溫差電勢，因而回路中熱電動 勢的方向取決于熱端的接觸電勢方向，電子密度大 的導(dǎo)體 A為正極，電子密度小的導(dǎo)體 B為負(fù)極。 熱電偶的基本定律 1、中間導(dǎo)體定律 在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體， 只要其兩端的溫度相等，該導(dǎo)體的接入就 不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。 A B T (a) 插入中間導(dǎo)體 T 01 T 02 A

4、B T t 01 t 02 mV (b) 應(yīng)用電路 2、中間溫度定律 在熱電偶測量電路中，熱端溫度為 t，冷 端溫度為 t0，中間溫度為 t1,則（ t,t0）的熱 電動勢等于（ t,t1）與（ t1， t0）熱電動勢 的代數(shù)和。 3、標(biāo)準(zhǔn)電極定律 只要測得標(biāo)準(zhǔn)電極與各種金屬組成的熱電 偶的熱電動勢，則任何兩種電極配對組合 成的熱電偶的熱電動勢就可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電極 定律定律計算出，而不需要逐個測定。 熱電偶測溫原理 熱電動勢的大小與熱電極 A、 B的長度和直 徑無關(guān)，只與熱電極的材料和冷、熱兩端 的溫度有關(guān)。如果熱電極的材料選定，冷 端的溫度 t0確定，那么熱電動

5、勢就只與熱端 溫度 t有關(guān)，所以可以通過測量熱電動勢的 大小得到熱端的溫度值，這就是熱電偶測 溫度的工作原理。 1、熱電偶傳感器是將（ ）變化量轉(zhuǎn)變?yōu)槲?小的（ ）變化量，經(jīng)放大后用來控制執(zhí)行 機構(gòu)的。 2、熱電偶是利用（ ）效應(yīng)制成的，熱電 動勢由（ ）電勢和（ ）電勢組成。 3、（ ）的數(shù)值越大，熱電偶的輸出熱電動 勢就越大。 A.熱端直徑 B.熱端和冷端的溫度 C.熱端和冷端的溫差 D.熱電極的電導(dǎo)率 溫度 電動勢 熱電 接觸 溫差 C 簡答題 熱電偶測溫必須

6、具備的條件是什么？ 答：兩種不同材料的導(dǎo)體 A和 B組成一個閉合電 路，兩交接點的溫度不同 熱電偶的結(jié)構(gòu) 熱電偶通常由熱電極、絕緣管、保護(hù)套 管和接線盒等幾個主要部分組成。 為滿足不同生產(chǎn)對象的測溫要求和條件， 熱電偶的結(jié)構(gòu)形式有：普通型電偶、鎧裝 型熱電偶、薄膜型熱電偶。 普通型熱電偶 工業(yè)測量上應(yīng)用最多的是普通型熱電偶。 普通裝配型 熱電偶的外形 安裝 螺紋 安裝 法蘭 普通 裝配型 熱電 偶的 結(jié)構(gòu) 放大圖 接線盒 引出線套管 固定螺紋 （出廠時用塑料包裹） 熱電偶工作端（熱端） 不銹鋼 保護(hù)管

7、 測量鍋爐煙道中的煙氣溫度應(yīng)選用（ ） 型的熱電偶。 A.普通 B.鎧裝 C.薄膜 A 鎧裝熱電偶 鎧裝型熱電偶是把電極、絕緣材料熔鑄在 一起，外套金屬保護(hù)管經(jīng)拉伸加工而成，它 可以做得很長、很細(xì)，在使用中可以隨測量 需要進(jìn)行彎曲。 鎧裝型熱電偶 1-熱電極； 2-絕緣材料； 3-金屬套管； 4-接線盒； 5-固定裝置 鎧裝型熱電偶外形 法蘭 鎧裝型熱電偶可 長達(dá)上百米 薄壁金屬 保護(hù)套管 （鎧體） B A 絕緣 材料 鎧裝型熱電偶 橫截面 測量 50m深的巖石鉆孔中的溫度應(yīng)選用 （ ）型的熱電偶。

8、 A.普通 B.鎧裝 C.薄膜 B 薄膜型熱電偶 薄膜型熱電偶采用真空鍍膜技術(shù)，由兩種 金屬薄膜連接而成的一種特殊結(jié)構(gòu)的熱電 偶，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。適用于微小 面積上的表面溫度的測量以及快速變化的 表面溫度的測量。 測量 CPU散熱片的溫度應(yīng)選用（ ）型的 熱電偶 A.普通 B.鎧裝 C.薄膜 C 標(biāo)準(zhǔn)熱電偶 目前工業(yè)上常用的 4種標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的組成材料為： （ 1）鉑銠 30鉑銠 6熱電偶（ WRLB）（分度號為 B 型）， 測溫范圍 0 1800 這種材料組成的熱電偶的熔點高，可用于較高

9、 溫度的測量，誤差小，一般適用于較為精密的溫 度測量。但它熱電動勢小，不能用于金屬蒸汽和還原介質(zhì)中。 （ 2）鉑銠 10鉑熱電偶（ WRLL）（分度號為 S型）， 測溫范圍 0 1600 這種材料組成的熱電偶可長期測量高達(dá) 1600 的溫度，其性能穩(wěn)定，精度高，適宜在氧化性介 質(zhì)或中性介質(zhì)中進(jìn)行測量，室溫下熱電動勢小，不需要進(jìn)行冷端補償和修正，可作為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。 （ 3）鎳鉻 鎳硅熱電偶（ WREU）（分度號 為 K型） ， 測溫范圍 -200 1300 （ 4）鎳鉻 康銅（ WREA）（分度號為 E型）， 測溫范圍 -200 900 后兩者材料組成的熱電偶的熱

10、電動勢較 大，易測溫，但測溫范圍小。 組成熱電偶的兩種材料中，寫在前面的為 正極，寫在后面的為負(fù)極。參考端溫度為 0 時，把熱電偶的熱電動勢與工作端溫度 之間的關(guān)系制成表格，稱為熱電偶的分度 表。 作業(yè) 1、請寫出熱電效應(yīng)的概念 2、 熱電偶測溫必須具備的條件是什么？ 3、請寫出中間導(dǎo)體定律和中間溫度定律 4、熱電偶是由哪幾部分組成，有哪些結(jié)構(gòu)形式 熱電偶 測溫及參考端溫度補償 熱電偶的 缺點 是存在 冷端溫度補償問題 。 根據(jù)熱電偶測量原理可知，當(dāng)冷端溫度保持不 變時，熱電偶回路的熱電動勢與熱端溫度成單 值對應(yīng)關(guān)系。 在實際測溫時，由于熱電偶 一般做的比

11、較 短，長度有限，冷端溫度會直接受到被測介質(zhì) 的溫度和周圍環(huán)境的影響， 無法保持恒定，因 而會產(chǎn)生測量誤差 。 為了消除溫度誤差的影響，常采用以下幾種 補償方法 1、 補償導(dǎo)線法 2、冷端補償法 冷端 0 恒溫法 冷端溫度修正法 電橋補償法 1. 補償導(dǎo)線法 由于受到材料價格的限制不可能做很長，而 要使其冷端不受測溫對象的溫度影響，必須使冷 端遠(yuǎn)離溫度對象，采用補償導(dǎo)線可以做到這一點 。 所謂 補償導(dǎo)線，實際上是一對材料化學(xué)成分不 同的導(dǎo)線，在 0 150 溫度范圍內(nèi)與配接的熱電 偶有一致的熱電特性，但價格相對要便宜。 補償導(dǎo)線法 補償導(dǎo)線外形

12、 A B 屏蔽層 保護(hù)層 （ 1） 組成：補償導(dǎo)線 由 合 金絲、絕緣層、護(hù)套和 屏蔽層。 （ 2）熱電偶補償導(dǎo)線功能： 其一實現(xiàn)了 冷端遷移 ； 其二是 降低了電路成本 。 A B 屏蔽層 保護(hù)層 使用補償導(dǎo)線時注意問題： 1）補償導(dǎo)線只能用在規(guī)定的 溫度范圍內(nèi) （ 0100 ）； 2）熱電偶和補償導(dǎo)線的 兩個接點處要保 持溫度相同；不同型號的熱電偶配有不 同的補償導(dǎo)線 ； 3）補償導(dǎo)線 的 正、負(fù) 極需分別與熱電偶 正、負(fù)極相連； 補償導(dǎo)線的作用是對 熱電偶冷端延長 。 冷端補償法 由于熱電偶產(chǎn)生的電勢與兩端溫度有關(guān)， 只有將冷端溫度保持恒

13、定才能使熱電勢正確 反映熱端的被測溫度。 由于很難保證冷端溫度在恒定 0 故常采取 一些冷端補償措施，主要有：冷 端恒溫法 、 補償導(dǎo)線法 、 計算修正法。 1、 冷端 0 恒溫法 ： 使參考端 （冷端） 溫度處于 0C （ 1） 冰浴法 將熱電偶的冷端置于裝有冰水混合物的 恒溫容器中，使冷端的溫度保持在 0C不變。 此法稱 冰浴法 ，它消除了 t0不等于 0C而引入 的誤差。 由于冰融化較快，所以一般只適用于 實 驗室和 校驗熱電偶 的 裝置 中。 2020/11/29 44 冰浴法 2020/11/29 45 在冰瓶中的冰水混合物， 溫度 保持在 0C

14、不變。 冰浴法接線圖 1 被測流體管道 2 熱電偶 3 接線盒 4 補償導(dǎo)線 5 銅質(zhì)導(dǎo)線 6 毫伏表 7 冰瓶 8 冰水混合物 9 試管 10 新的冷端 2、 冷端溫度修正法 將熱電偶的冷端置于各種恒溫器內(nèi)，使之保 持溫度恒定，避免由于環(huán)境溫度的波動而引 入誤差。這類恒溫器的 溫度不為 0 ，需對熱 電偶進(jìn)行冷端溫度修正。 )0,(),()0,( 00 tEttEtE ABABAB 用分度號為 S的鉑銠 10鉑熱電偶測爐溫， 其冷端溫度為 30 ，而直流電位差計測得的 熱電動勢為 9.527mV，試求被測溫度。 mVEtEtE

15、 6 5 4.9)0,30()30,()0,( 解：查鉑銠 10 鉑熱電偶分度表，得 E(30,0)=0.173mV，根據(jù)中間溫度定律得 再查該分度表得被測溫度 t=1010 。 若 不進(jìn)行校正，則所 測 9.527mV對應(yīng)的溫度為 995 ， 誤差 15 。 用分度號為 S的鉑銠 10鉑熱電偶測爐溫， 其冷端溫度為 40 ，而直流電位差計測得的 熱電動勢為 5.413mV，試求被測溫度。 3、電橋補償法 利用直流不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補償熱電偶 冷端溫度變化而引起的熱電勢的變化值。 利用不平衡電橋產(chǎn)生熱電勢補償熱電偶因冷端 溫度變化而引起熱電勢的變化值。不

16、平衡電橋由 R1、 R2、 R3(錳銅絲繞制 )、 RCu(銅絲繞制 )四個 橋臂和橋路電源組成。 在某一溫度時 電橋平衡 (R1 = R2 = R3 = RCu)， 此時 Uab=0 ，電橋?qū)x表讀數(shù)無影響。當(dāng)環(huán) 境溫度改變使冷端 溫度變化 時，熱電偶的熱 電動勢變化 ；與此同時， RCu的阻值也隨 之改變，因而使電橋失去平衡， a、 b間有輸 出電壓 。如果使 與 數(shù)值相等， 符號相 反，相加后為零 ，儀表讀出的熱電動勢便不 受冷端溫度的影響，就可起到自動補償?shù)淖?用。 1U 2U 1E 2E 課堂小結(jié)： 1、 將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體 A和 B焊接起 來，

17、構(gòu)成一個閉合回路。當(dāng)導(dǎo)體 A和 B的兩個執(zhí) 著點 1和 2之間存在溫差時，兩者之間便產(chǎn)生電 動勢 ,因而在回路中形成一個大小的電流 ,這種現(xiàn) 象稱為熱電效應(yīng)， 也稱塞貝爾效應(yīng)。 2、回路中所產(chǎn)生的電動勢，叫熱電勢。 3、熱電偶的基本定律：中間導(dǎo)體定律、中間溫度 定律、標(biāo)準(zhǔn)電極定律。 4、熱電動勢的大小只與熱電極的材料和冷、熱兩 端的溫度有關(guān)。如果熱電極的材料選定，冷端的溫度 t0確定，那么熱電動勢就只與熱端溫度 t 有關(guān)，所以可以通過測量熱電動勢的大小得到 熱端的溫度值，這就是熱電偶測溫度的工作原理。 5、熱電偶通常由熱電極、絕緣管、保護(hù)套管 和接線盒等幾個主要部分組成。 6、熱電

18、偶的結(jié)構(gòu)形式有：普通型電偶、鎧裝 型熱電偶、薄膜型熱電偶。 7、參考端溫度為 0 時，把熱電偶的熱電動勢 與工作端溫度之間的關(guān)系制成表格，稱為熱 電偶的分度表。 8、 補償方法 （ 1）、 補償導(dǎo)線法 （ 2）、冷端補償法 冷端 0 恒溫法 冷端溫度修正法 電橋補償法 1、簡述熱電偶與熱電阻的測量原理的異同。 2、設(shè)一熱電偶工作時產(chǎn)生的熱電動勢可表示 為 EAB(t , t0)，其中 A、 B、 t、 t0各代表什么意 義？ t0在實際應(yīng)用時常應(yīng)為多少？ 3、什么是熱電偶？ 4、 用分度號為 S的鉑銠 10鉑熱電偶測爐溫， 其冷

19、端溫度為 20 ，而直流電位差計測得 的熱電動勢為 5.413mV，試求被測溫度。 5、用熱電偶測溫時，為什么要進(jìn)行冷端補償？ 冷端補償?shù)姆椒ㄓ心膸追N？ 6、熱電偶在使用時為什么要連接補償導(dǎo)線？ 1、簡述熱電偶與熱電阻的測量原理的異同。 2、設(shè)一熱電偶工作時產(chǎn)生的熱電動勢可表示 為 EAB(t , t0)，其中 A、 B、 t、 t0各代表什么意 義？ t0在實際應(yīng)用時常應(yīng)為多少？ 答： (1)相同點：都能測溫度且只能直接測溫度量 (2)不同點：熱電阻傳感器原理為阻值大小變化對應(yīng)溫度變 化，而熱電偶傳感器為熱電動勢大小變化對應(yīng)溫度變化 答： A、 B：

20、兩熱電極 t：熱端溫度，即被測溫度 t0 ：冷端溫度 t0 ： 常應(yīng)為 0 3、什么是熱電偶？ 答：熱電偶是通過測量電勢從而測量溫度的一種感溫元 件，是由兩種不同成分的導(dǎo)體焊接在一起構(gòu)成的。當(dāng)兩 端溫度不同時，在回路中就會有熱電勢產(chǎn)生，將溫度信 號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，再由顯示儀表顯示出來。 4、 用分度號為 S的鉑銠 10鉑熱電偶測爐溫， 其冷端溫度為 20 ，而直流電位差計測得 的熱電動勢為 5.413mV，試求被測溫度。 由查表可知冷端溫度 20 的電動勢為 0.113mV E（ t,0） =E（ t,t0） +E（ t0,0） E（ t,

21、0） =5.413mV + 0.113mV=5.526mV 由查表可知被測溫度為 628 5、用熱電偶測溫時，為什么要進(jìn)行冷端補償？ 冷端補償?shù)姆椒ㄓ心膸追N？ 6、熱電偶在使用時為什么要連接補償導(dǎo)線？ 答：因工作現(xiàn)場常常缺乏使熱電偶傳感器的冷 端保持在 0 的條件 答：因為在使用熱電偶測溫時，必須將熱電偶的參考端溫度保 持恒定，但在現(xiàn)場使用時，熱電偶參考端往往處于高溫?zé)嵩锤?近，必須將它遠(yuǎn)離熱源，移動到溫度較為穩(wěn)定的場所，又因補 償導(dǎo)線在規(guī)定使用溫度范圍內(nèi)具為與熱電偶相同的溫度 熱電 勢關(guān)系，因而它可以起到延長熱電偶的作用，所以熱電偶在使 用時要連接補償導(dǎo)線 作業(yè) ： 1、設(shè)一熱電偶工作時產(chǎn)生的熱電動勢可表示 為 EAB(t , t0)，其中 A、 B、 t、 t0各代表什么意 義？ t0在實際應(yīng)用時常應(yīng)為多少？ 2、 用分度號為 S的鉑銠 10鉑熱電偶測爐溫， 其冷端溫度為 20 ，而直流電位差計測得 的熱電動勢為 5.413mV，試求被測溫度。 3、用熱電偶測溫時，為什么要進(jìn)行冷端補償？ 冷端補償?shù)姆椒ㄓ心膸追N？