熱電傳感器的工作原理

1、 本章學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容有本章學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容有:1、了解、了解溫度測量溫度測量的的基本概念基本概念和方和方法；法；2、了解、了解熱電偶熱電偶的工作原理，了解的工作原理，了解熱電偶的熱電偶的分類及特點分類及特點；3、掌握掌握控溫儀表的控溫儀表的接線方法接線方法。 溫度傳感器的應(yīng)用熱電式傳感器的作用是什么？是一種能夠?qū)囟茸兓D(zhuǎn)換為電信號的裝置它是利用某些材料或元件的性能隨溫度變化的特性進(jìn)行測溫的。如將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻、熱電動勢、磁導(dǎo)率變化以及 熱膨脹的變化等，然后再通過測量電路來達(dá)到檢測溫度的目的。熱電式傳感器廣泛用于什么領(lǐng)域？工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)家用電器醫(yī)療儀器火災(zāi)報警海洋氣象等諸多領(lǐng)域溫度測量的基本概念

2、溫度測量的基本概念 溫度測量的基本概念溫度測量的基本概念 溫度標(biāo)志著物溫度標(biāo)志著物質(zhì)內(nèi)部大量分子無規(guī)質(zhì)內(nèi)部大量分子無規(guī)則運動的劇烈程度。則運動的劇烈程度。溫度越高，表示物體溫度越高，表示物體內(nèi)部分子熱運動越劇內(nèi)部分子熱運動越劇烈。烈。 模擬圖：模擬圖：在一個密閉的空間里，氣體分在一個密閉的空間里，氣體分子在高溫時的運動速度比低溫時快！子在高溫時的運動速度比低溫時快！右端稱為：右端稱為：自由端自由端（參考（參考端、冷端、冷端）端） 熱電極熱電極B B熱電極熱電極A A熱電偶的工作原理熱電偶的工作原理 左端稱為：左端稱為：測量端測量端（工作（工作端、熱端、熱端）端） 先看一個實驗先看一個實驗熱電偶

3、工作原理演示熱電偶工作原理演示結(jié)論：結(jié)論： 當(dāng)兩個結(jié)點溫度不相同時，回路中將產(chǎn)生電動勢當(dāng)兩個結(jié)點溫度不相同時，回路中將產(chǎn)生電動勢。一、熱電效應(yīng)一、熱電效應(yīng) 熱電勢熱電勢AB 1821年，德國物理學(xué)家年，德國物理學(xué)家賽貝克賽貝克用兩種不同金屬組成用兩種不同金屬組成閉閉合回路合回路，并用酒精燈加熱其中一個接觸點（稱為結(jié)點），發(fā)，并用酒精燈加熱其中一個接觸點（稱為結(jié)點），發(fā)現(xiàn)放在回路中的現(xiàn)放在回路中的指南針發(fā)生偏轉(zhuǎn)指南針發(fā)生偏轉(zhuǎn)（說明什么？）（說明什么？），如果用兩如果用兩盞酒精燈對兩個結(jié)點盞酒精燈對兩個結(jié)點同時加熱，指南針的偏轉(zhuǎn)角反而減小同時加熱，指南針的偏轉(zhuǎn)角反而減小（又說明什么？）（又說明什么

4、？） 。 顯然，指南針的偏轉(zhuǎn)說明回路中有電動勢產(chǎn)生并有電顯然，指南針的偏轉(zhuǎn)說明回路中有電動勢產(chǎn)生并有電流在回路中流動，電流的強(qiáng)弱與兩個結(jié)點的溫差有關(guān)。流在回路中流動，電流的強(qiáng)弱與兩個結(jié)點的溫差有關(guān)。 從實驗到理論：熱電效應(yīng)從實驗到理論：熱電效應(yīng) 熱電偶的工作原理熱電偶的工作原理 熱電效應(yīng)熱電效應(yīng) 溫度傳感器的分類 傳感 溫度器是溫度測量儀表的核心部分，品種繁多。按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類，按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電偶和熱電阻兩類。按照溫度傳感器輸出信號的模式，可大致劃分為三大類：數(shù)字式溫度傳感器、邏輯輸數(shù)字式溫度傳感器、邏輯輸出溫度傳感器、模擬式溫度出溫度傳感器、模擬式溫

5、度傳感器。傳感器。鎧裝熱電偶鎧裝熱電偶 熱電阻熱電阻結(jié)點產(chǎn)生熱電勢的結(jié)點產(chǎn)生熱電勢的微觀微觀解釋及解釋及圖形符號圖形符號 兩種不同的金屬互相接觸時，由于不同金屬內(nèi)兩種不同的金屬互相接觸時，由于不同金屬內(nèi)自由電子的密度不同，在兩金屬自由電子的密度不同，在兩金屬A和和B的接觸點處會的接觸點處會發(fā)生自由電子的發(fā)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象擴(kuò)散現(xiàn)象。自由電子將從密度大的金。自由電子將從密度大的金屬屬A擴(kuò)散到密度小的金屬擴(kuò)散到密度小的金屬B，使，使A失去電子帶正電失去電子帶正電，B得到電子帶負(fù)電得到電子帶負(fù)電，從而產(chǎn)生，從而產(chǎn)生熱電勢熱電勢。 自由自由電子電子ABeAB（ T T ）T T熱電效應(yīng)的熱電效應(yīng)的定

6、義：定義： 將兩種不同材料的導(dǎo)體將兩種不同材料的導(dǎo)體A和和B串接成一個閉合回路，當(dāng)兩個串接成一個閉合回路，當(dāng)兩個接點溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生熱電勢，形成電流，此現(xiàn)接點溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生熱電勢，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。象稱為熱電效應(yīng)。熱電偶的工作原理熱電偶的工作原理 熱電效應(yīng)熱電效應(yīng) 熱電偶基本定律 1、 中間導(dǎo)體定律 在熱電偶測溫回路內(nèi), 接入第三種導(dǎo)體, 只要其兩端溫度相同, 則對回路的總熱電勢沒有影響。 2、中間溫度定律 3、均質(zhì)導(dǎo)體定律 由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路中, 不論導(dǎo)體的截面長度如何以及各處的溫度分布如何, 都不能產(chǎn)生熱電勢。 熱電偶類型 工業(yè)上常用的有四種

7、標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶, 即鉑銠30-鉑銠6, 鉑銠10-鉑, 鎳鉻-鎳硅和鎳鉻-銅鎳（我國通常稱為鎳鉻-康銅）熱電偶。熱電偶傳感器的工作原理熱電偶傳感器的工作原理 LOGO五.熱電偶的結(jié)構(gòu)形式1 1、普通型熱電偶、普通型熱電偶 普通型結(jié)構(gòu)熱電偶工業(yè)上使用普通型結(jié)構(gòu)熱電偶工業(yè)上使用最多最多, , 它一般由熱電極、絕緣套管、保護(hù)管和它一般由熱電極、絕緣套管、保護(hù)管和接線盒組成。接線盒組成。2 2、鎧裝熱電偶、鎧裝熱電偶 鎧裝熱電偶又稱套管熱電偶。它鎧裝熱電偶又稱套管熱電偶。它是由熱電偶絲、是由熱電偶絲、 絕緣材料和金屬套管三者經(jīng)絕緣材料和金屬套管三者經(jīng)拉伸加工而成的堅實組合體。拉伸加工而成的堅實組合體。3

8、 3、薄膜熱電偶、薄膜熱電偶 薄膜熱電偶是由兩種薄膜熱電極薄膜熱電偶是由兩種薄膜熱電極材料材料, , 用真空蒸鍍、用真空蒸鍍、 化學(xué)涂層等辦法蒸鍍到化學(xué)涂層等辦法蒸鍍到絕緣基板上面制成的一種特殊熱電偶。絕緣基板上面制成的一種特殊熱電偶。熱電偶傳感器的工作原理熱電偶傳感器的工作原理 LOGO 根據(jù)金屬的熱電效應(yīng)原理，任意兩種不同材料的根據(jù)金屬的熱電效應(yīng)原理，任意兩種不同材料的導(dǎo)體都可以作為熱電極組成熱電偶。導(dǎo)體都可以作為熱電極組成熱電偶。 在實際應(yīng)用中，用作熱電極的材料應(yīng)具備如下幾在實際應(yīng)用中，用作熱電極的材料應(yīng)具備如下幾方面的條件：方面的條件：(1)(1)溫度測量范圍廣溫度測量范圍廣；(2)(

9、2)性能穩(wěn)定；性能穩(wěn)定； (3)(3)物理化學(xué)性能好；物理化學(xué)性能好； 熱電偶的材料、結(jié)構(gòu)及種類熱電偶的材料、結(jié)構(gòu)及種類1、熱電偶的材料、熱電偶的材料LOGO1）普通工業(yè)裝配式熱電偶的結(jié)構(gòu)普通工業(yè)裝配式熱電偶的結(jié)構(gòu) 熱電偶通常由熱電極、絕緣管、保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。護(hù)套管和接線盒等幾個主要部分組成。2、熱電偶的結(jié)構(gòu)、熱電偶的結(jié)構(gòu)第三節(jié)第三節(jié) 熱電偶的材料、結(jié)構(gòu)及種類熱電偶的材料、結(jié)構(gòu)及種類安裝安裝螺紋螺紋安裝安裝法蘭法蘭LOGO鎧裝型熱電偶外形鎧裝型熱電偶外形法蘭鎧裝型熱電偶可鎧裝型熱電偶可 長達(dá)上百米長達(dá)上百米薄壁金屬薄壁金屬 保護(hù)套管保護(hù)套管（鎧

10、體）（鎧體） BA絕緣材料絕緣材料鎧裝型熱電偶鎧裝型熱電偶橫截面橫截面LOGO隔爆隔爆型熱電偶外形型熱電偶外形厚壁保護(hù)管厚壁保護(hù)管壓鑄的接線盒壓鑄的接線盒電纜線電纜線LOGO普通普通裝配型裝配型熱電偶的熱電偶的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)放大圖放大圖 接線盒引出線套管引出線套管 固定螺紋固定螺紋 （出廠時用塑料包裹）（出廠時用塑料包裹）熱電偶工作端（熱端）熱電偶工作端（熱端） 不銹鋼不銹鋼保護(hù)管保護(hù)管 LOGO其他其他熱電偶外形熱電偶外形小形小形K K型熱電偶型熱電偶LOGO 熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線及冷端溫度的補(bǔ)償方法熱電偶傳感器的工作原理熱電偶傳感器的工作原理 1) 冷端0恒溫法冷端恒溫法就是將熱電偶的冷端置于某一溫

11、度恒定不變的裝置中。熱電偶的分度表是以0為標(biāo)準(zhǔn)的。所以在實驗室及精密測量中，通常把冷端放入0恒溫器或裝滿冰水混合物的容器中，以便冷端溫度保持0，這種方法又稱為冰浴法。2) 補(bǔ)償導(dǎo)線法在實際測溫時，需要把熱電偶輸出的熱電勢信號傳輸?shù)竭h(yuǎn)離現(xiàn)場數(shù)十米遠(yuǎn)的控制室里的顯示儀表或控制儀表，這樣冷端溫度T0比較穩(wěn)定。熱電偶一般做得較短，通常為熱電偶一般做得較短，通常為350mm2000mm，需要用導(dǎo)線將熱電偶的冷端延伸出來，需要用導(dǎo)線將熱電偶的冷端延伸出來。工程中采用一種補(bǔ)償導(dǎo)線，它通常由兩種不同性質(zhì)的廉價金屬導(dǎo)線制成，而且在0100溫度范圍內(nèi)，要求補(bǔ)償導(dǎo)線和所配熱電偶具有相同的熱電特性，兩個連接點溫度必須

12、相等，正負(fù)極性不能接反。LOGO3) 補(bǔ)償電橋法補(bǔ)償電橋法(冷端溫度自動補(bǔ)償法冷端溫度自動補(bǔ)償法)補(bǔ)償電橋法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓補(bǔ)償電橋法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓Uab作為補(bǔ)償信號，來自動補(bǔ)償熱電偶測量過程中作為補(bǔ)償信號，來自動補(bǔ)償熱電偶測量過程中因冷端溫度不為因冷端溫度不為0或變化而引起熱電勢的變化值。或變化而引起熱電勢的變化值。由三個電阻溫度系數(shù)較小的錳銅絲繞制的電阻由三個電阻溫度系數(shù)較小的錳銅絲繞制的電阻R1、R2、R3及電阻溫度系數(shù)較大的銅絲繞制的電阻及電阻溫度系數(shù)較大的銅絲繞制的電阻RCu和穩(wěn)壓電源組成。補(bǔ)償電橋與熱電偶冷端處在和穩(wěn)壓電源組成。補(bǔ)償電橋與熱電偶冷端

13、處在同一環(huán)境溫度，當(dāng)冷端溫度變化引起的熱電勢同一環(huán)境溫度，當(dāng)冷端溫度變化引起的熱電勢EAB(t，t0)變化時，由于變化時，由于RCu的阻值隨冷端溫度變的阻值隨冷端溫度變化而變化，適當(dāng)選擇橋臂電阻和橋路電流，就可以化而變化，適當(dāng)選擇橋臂電阻和橋路電流，就可以使電橋產(chǎn)生的不平衡電壓使電橋產(chǎn)生的不平衡電壓Uab補(bǔ)償由于冷端溫度補(bǔ)償由于冷端溫度t0變化引起的熱電勢變化量，從而達(dá)到自動補(bǔ)償?shù)哪孔兓鸬臒犭妱葑兓?，從而達(dá)到自動補(bǔ)償?shù)哪康?。的?) 冷端溫度修正法冷端溫度修正法采用補(bǔ)償導(dǎo)線可使熱電偶的冷端延伸到溫度比較穩(wěn)采用補(bǔ)償導(dǎo)線可使熱電偶的冷端延伸到溫度比較穩(wěn)定的地方，但只要冷端溫度定的地方，但只要

14、冷端溫度T0不等于不等于0，需要對，需要對熱電偶回路的測量電勢值熱電偶回路的測量電勢值EAB(T，T0)加以修正加以修正。LOGO型型號號表表示示LOGOXMZ系列智能數(shù)字顯示儀表系列智能數(shù)字顯示儀表 特點特點： 1、帶冷端溫度、帶冷端溫度自動補(bǔ)償自動補(bǔ)償； 2、單片機(jī)智能化設(shè)計，儀表零點、量程等全、單片機(jī)智能化設(shè)計，儀表零點、量程等全部參數(shù)可部參數(shù)可按鍵設(shè)定按鍵設(shè)定； 3、具有軟件校驗功能，可通過按鍵對儀表進(jìn)、具有軟件校驗功能，可通過按鍵對儀表進(jìn)行行校準(zhǔn)校準(zhǔn)； 4、具有超量程指示、斷線指示等、具有超量程指示、斷線指示等故障自診斷故障自診斷功能；功能； 5、采用、采用開關(guān)電源開關(guān)電源，電壓適應(yīng)

15、范圍寬，儀表體積電壓適應(yīng)范圍寬，儀表體積小小、重量輕。重量輕。 6、220VAC或或24VDC供電電源供電電源。LOGODDZDDZ型電動單元組合型電動單元組合儀表中的變送單元之一：儀表中的變送單元之一： 軌裝式溫度變送器軌裝式溫度變送器 它能將熱電偶（或熱電阻）的輸入信號線性地轉(zhuǎn)換成與溫度成比例的電流（電壓）信號，供給顯示、控制儀表及計算機(jī)集散系統(tǒng)，廣泛用于冶金、石油化工、熱電站、紡織、造紙等行業(yè)的測溫控制系統(tǒng)中。LOGO 請將請將右圖各有右圖各有關(guān)設(shè)備關(guān)設(shè)備正正確地連接確地連接起來，組起來，組成熱電偶成熱電偶測溫、控測溫、控溫電路。溫電路。黃黃綠綠紅紅L L1 L L2 L L3 接大地銅

16、排接大地銅排接零接零熱電偶輸出端熱電偶輸出端電爐電爐如何如何根據(jù)常用電路設(shè)備的要求接線根據(jù)常用電路設(shè)備的要求接線LOGO380V380V線圈線圈的交流接的交流接觸器連接觸器連接過程過程 當(dāng)溫度當(dāng)溫度控制器測得的控制器測得的溫度達(dá)到設(shè)定溫度達(dá)到設(shè)定值時，值時，5-6兩兩端開路，交流端開路，交流接觸器失電，接觸器失電，電爐回路被切電爐回路被切斷。斷。接大地銅排接大地銅排黃黃綠綠紅紅L L1 L L2 L L3 電爐電爐接零接零“3”端接何處端接何處熱電偶熱電偶LOGO220V線圈線圈的交流接觸的交流接觸器連接器連接過程過程LLL123 當(dāng)溫度控制當(dāng)溫度控制器測得的溫度達(dá)到器測得的溫度達(dá)到設(shè)定值時，設(shè)定值時，5-6兩兩端開路，交流接觸端開路，交流接觸器失電，電爐回路器失電，電爐回路被切斷。被切斷。接零接零 注意：圖中還有注意：圖中還有一根線漏接，請指一根線漏接，請指正！正！LOGO 小結(jié)小結(jié) 本次課主要復(fù)習(xí)了熱電偶的原理、種類及其使本次課主要復(fù)習(xí)了熱電偶的原理、種類及其使用中的基本定律，重點介紹