第四次課熱電偶測溫

第四次課熱電偶測溫第1頁，共32頁，2023年，2月20日，星期二二、溫標(biāo)

1、溫度的數(shù)值表示方法稱為溫標(biāo)。它規(guī)定了溫度的讀數(shù)的起點(diǎn)（即零點(diǎn)）以及溫度的單位。各類溫度計(jì)的刻度均由溫標(biāo)確定。

2、國際上規(guī)定的溫標(biāo)有：攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)、熱力學(xué)溫標(biāo)等。

第2頁，共32頁，2023年，2月20日，星期二幾種溫標(biāo)的對(duì)比正常體溫為37C，相當(dāng)于華氏溫度多少度？第3頁，共32頁，2023年，2月20日，星期二熱力學(xué)溫標(biāo)（K）

熱力學(xué)溫標(biāo)是建立在熱力學(xué)第二定律基礎(chǔ)上的最科學(xué)的溫標(biāo)，是由開爾文（Kelvin）根據(jù)熱力學(xué)定律提出來的，因此又稱開氏溫標(biāo)。它的符號(hào)是T，單位是開爾文（K）。威廉·湯姆遜·開爾文勛爵像第4頁，共32頁，2023年，2月20日，星期二1990國際溫標(biāo)(ITS-90)

從1990年1月1日開始在全世界范圍內(nèi)采用1990年國際溫標(biāo)，簡稱ITS-90。它定義了一系列溫度的固定點(diǎn)，測量和重現(xiàn)這些固定點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)儀器以及計(jì)算公式，例如水的三相點(diǎn)為273.16K（0.01C）等。

第5頁，共32頁，2023年，2月20日，星期二三、溫度測量及傳感器分類按照用途可分為基準(zhǔn)溫度計(jì)和工業(yè)溫度計(jì)；按照測量方法又可分為接觸式和非接觸式；按工作原理又可分為膨脹式、電阻式、熱電式、輻射式等。

第6頁，共32頁，2023年，2月20日，星期二介紹幾種溫度測量方法

示溫涂料（變色涂料）裝滿熱水后圖案變得清晰可辨第7頁，共32頁，2023年，2月20日，星期二變色涂料在電腦內(nèi)部溫度中的示溫作用CPU散熱風(fēng)扇低溫時(shí)顯示藍(lán)色溫度升高后變?yōu)榧t色第8頁，共32頁，2023年，2月20日，星期二體積熱膨脹式

不需要電源，耐用；但感溫部件體積較大。

氣體的體積與熱力學(xué)溫度成正比第9頁，共32頁，2023年，2月20日，星期二紅外溫度計(jì)第10頁，共32頁，2023年，2月20日，星期二先看一個(gè)實(shí)驗(yàn)——熱電偶工作原理演示

結(jié)論：當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度不相同時(shí)，回路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢。

熱電極A右端稱為：自由端（參考端、冷端）

第二節(jié)熱電偶的工作原理

左端稱為：測量端（工作端、熱端）

熱電極B熱電勢AB第11頁，共32頁，2023年，2月20日，星期二溫差熱電偶（簡稱熱電偶）是目前溫度測量中使用最普遍的傳感元件之一。它除具有結(jié)構(gòu)簡單，測量范圍寬、準(zhǔn)確度高、熱慣性小，輸出信號(hào)為電信號(hào)便于遠(yuǎn)傳或信號(hào)轉(zhuǎn)換等優(yōu)點(diǎn)外，還能用來測量流體的溫度、測量固體以及固體壁面的溫度。微型熱電偶還可用于快速及動(dòng)態(tài)溫度的測量。熱電偶原理圖TT0AB熱端冷端EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)=f(T)-C=g(T)熱電偶的電勢可表示為：第12頁，共32頁，2023年，2月20日，星期二第三節(jié)標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶與分度表熱電偶熱電極的材料要求：物理性能穩(wěn)定，熱電特性不隨時(shí)間改變；導(dǎo)電率高，且電阻溫度系數(shù)??；熱電勢隨溫度的變化率大，且該變化率接近常數(shù)復(fù)現(xiàn)性好，便于成批生產(chǎn)，便于制造常用的種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶：S型、B型、K型、E型。第13頁，共32頁，2023年，2月20日，星期二在t0=0C時(shí)，用實(shí)驗(yàn)方法測出熱電偶在不同的工作溫度下所產(chǎn)生的熱電勢值，列成表格，就是分度表。溫度與熱電勢之間非線性。當(dāng)自由端t0C時(shí)，熱電勢應(yīng)由下式求得第14頁，共32頁，2023年，2月20日，星期二【例3.3】S型熱電偶在工作時(shí)自由端溫度t0=30C，現(xiàn)測得熱電偶的電勢為7.5mV，求被測介質(zhì)實(shí)際溫度。解：查S分度表得熱電偶測得的電勢為則再查S分度表得與其對(duì)應(yīng)的實(shí)際溫度為830C注意:既不能只按7.5mV查表，認(rèn)為T=814.6℃，也不能把814.6℃加上30℃，認(rèn)為T=844.6℃。第15頁，共32頁，2023年，2月20日，星期二第四節(jié)熱電偶自由端溫度的處理1、補(bǔ)償導(dǎo)線ABT1T2T2A’B’T0T0熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線接線圖E根據(jù)中間溫度定律：只要T1、T0不變，當(dāng)在原來熱電偶回路中分別引入與導(dǎo)體材料A、B同樣熱電特性的材料A、B(如圖)即引入所謂補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)，接入A

B后不管接點(diǎn)溫度T2如何變化，都不影響總熱電勢。這便是引入補(bǔ)償導(dǎo)線原理。

EAB（T1,T0）=EAB（T1,T2）+EAB（T2,T0）=EAB（T1,T2）+EAB（T2,T0）=EAB（T1,T0）第16頁，共32頁，2023年，2月20日，星期二補(bǔ)償導(dǎo)線可將熱電偶延長，使其自由端遠(yuǎn)離易受環(huán)境變化影響的測溫現(xiàn)場，則自由端溫度t0比較穩(wěn)定。補(bǔ)償導(dǎo)線用廉價(jià)金屬代替貴重金屬，降低成本。使用補(bǔ)償導(dǎo)線便于安裝和鋪設(shè)。使用補(bǔ)償導(dǎo)線的原因：使用補(bǔ)償導(dǎo)線須注意：溫度范圍0~100C型號(hào)匹配接點(diǎn)處溫度相同區(qū)分正負(fù)補(bǔ)償導(dǎo)線的作用只是延伸熱電偶的自由端，并沒有自由端補(bǔ)償功能。第17頁，共32頁，2023年，2月20日，星期二補(bǔ)償導(dǎo)線外形

AB屏蔽層保護(hù)層第18頁，共32頁，2023年，2月20日，星期二熱電偶分度表給出的熱電勢是以冷端溫度0℃為依據(jù)，否則會(huì)產(chǎn)生誤差。原因：熱電偶熱電勢的大小是熱端溫度和冷端的函數(shù)差，為保證輸出熱電勢是被測溫度的單值函數(shù)，必須使冷端溫度保持恒定方法計(jì)算修正法自由端恒溫法自動(dòng)補(bǔ)償法零點(diǎn)遷移法軟件處理法2、熱電偶自由端溫度補(bǔ)償問題第19頁，共32頁，2023年，2月20日，星期二(1)計(jì)算修正法用普通室溫計(jì)算出參比端實(shí)際溫度TH，利用公式計(jì)算EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)(2)自由端恒溫法mVABA’B’TCC’儀表銅導(dǎo)線試管補(bǔ)償導(dǎo)線熱電偶冰點(diǎn)槽冰水溶液T0把熱電偶的參比端置于冰水混合物容器里，使T0=0℃。這種辦法僅限于科學(xué)實(shí)驗(yàn)中使用。工業(yè)應(yīng)用中，把補(bǔ)償導(dǎo)線的末端引至電加熱的恒溫器中，使其維持在某一恒定溫度。第20頁，共32頁，2023年，2月20日，星期二(3)自動(dòng)補(bǔ)償法利用不平衡電橋產(chǎn)生熱電勢補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起熱電勢的變化值。不平衡電橋由R1、R2、R3(錳銅絲繞制)、RCu(銅絲繞制)四個(gè)橋臂和橋路電源組成。設(shè)計(jì)時(shí)，在0℃下使電橋平衡(R1=R2=R3=RCu)，此時(shí)Uab=0，電橋?qū)x表讀數(shù)無影響。

T0UaUabEAB(T,T0)注意：橋臂RCu必須和熱電偶的冷端靠近，使處于同一溫度之下。冷端補(bǔ)償器的作用

mVEAB(T,T0)T0T0TAB++-abUUabRCuR1R2R3R注意，不同材質(zhì)的熱電偶所配的冷端補(bǔ)償器，其中的限流電阻R不一樣，互換時(shí)必須重新調(diào)整。供電4V直流，在0～40℃或-20～20℃的范圍起補(bǔ)償作用。第21頁，共32頁，2023年，2月20日，星期二(4)零點(diǎn)遷移法例:用動(dòng)圈儀表配合熱電偶測溫時(shí)，如果把儀表的機(jī)械零點(diǎn)調(diào)到室溫TH的刻度上,在熱電動(dòng)勢為零時(shí)，指針指示的溫度值并不是0℃而是TH。而熱電偶的冷端溫度已是TH,則只有當(dāng)熱端溫度T=TH時(shí)，才能使EAB(T,TH)=0，這樣，指示值就和熱端的實(shí)際溫度一致了。這種辦法非常簡便，而且一勞永逸，只要冷端溫度總保持在TH不變，指示值就永遠(yuǎn)正確。

應(yīng)用領(lǐng)域：如果冷端不是0℃，但十分穩(wěn)定（如恒溫車間或有空調(diào)的場所）。實(shí)質(zhì)：在測量結(jié)果中人為地加一個(gè)恒定值，因?yàn)槔涠藴囟确€(wěn)定不變，電動(dòng)勢EAB(TH,0)是常數(shù)，利用指示儀表上調(diào)整零點(diǎn)的辦法，加大某個(gè)適當(dāng)?shù)闹刀鴮?shí)現(xiàn)補(bǔ)償。第22頁，共32頁，2023年，2月20日，星期二指針被預(yù)調(diào)到室溫（40C）可補(bǔ)償冷端損失第23頁，共32頁，2023年，2月20日，星期二對(duì)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，不必全靠硬件進(jìn)行熱電偶冷端處理。例如冷端溫度恒定但不為0℃的情況，只需在采樣后加一個(gè)與冷端溫度對(duì)應(yīng)的常數(shù)即可。(5)軟件處理法【例3.4】有一個(gè)實(shí)際的熱電偶測溫系統(tǒng)，如下圖所示，設(shè)t=300C，tc=50C，t0=20C，①求測量回路的總電勢以及溫度顯示儀表的讀數(shù)。②如果補(bǔ)償導(dǎo)線為普通銅導(dǎo)線，或顯示儀表為配E型熱電偶的，則測量回路的總電勢和溫度的顯示值又各為多少？鎳硅ttcL1L2t0補(bǔ)償電橋顯示儀表鎳?yán)拥?4頁，共32頁，2023年，2月20日，星期二解：①由題意可知，使用的熱電偶的分度號(hào)為K型，則回路總電勢K型熱電偶產(chǎn)生的熱電勢補(bǔ)償電橋提供的電勢K型熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線產(chǎn)生的電勢由于補(bǔ)償導(dǎo)線和補(bǔ)償電橋都是和K型熱電偶匹配的，回路總電勢可寫成將t=300C代入上式，查表可得E=12.209mV顯然，顯示儀表的讀數(shù)應(yīng)該為300C第25頁，共32頁，2023年，2月20日，星期二②當(dāng)補(bǔ)償導(dǎo)線為銅導(dǎo)線時(shí)(顯示儀表為配K型熱電偶)，則EK補(bǔ)(tc,t0)=0，回路總電勢為：查K型熱電偶分度表可得t顯示=270.3C。當(dāng)顯示儀表為配E型熱電偶(補(bǔ)償導(dǎo)線接法正確)時(shí)，則E補(bǔ)(t0,0)=EE(t0,0)，回路總電勢為：由于顯示儀表是配E型熱電偶，因此查E型熱電偶分度表可得t顯示=188.9C。在測量中補(bǔ)償導(dǎo)線的接法不正確或配用的顯示儀表型號(hào)不對(duì)等都會(huì)引起錯(cuò)誤的測量結(jié)果。第26頁，共32頁，2023年，2月20日，星期二第五節(jié)熱電偶的結(jié)構(gòu)形式1、普通熱電偶下圖為典型工業(yè)用熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖。它由熱電偶絲、絕緣套管、保護(hù)套管以及接線盒等部分組成。實(shí)驗(yàn)室用時(shí)，也可不裝保護(hù)套管，以減小熱慣性。工業(yè)熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖1－接線盒；2－保險(xiǎn)套管3―絕緣套管4―熱電偶絲1234第27頁，共32頁，2023年，2月20日，星期二普通裝配型熱電偶的外形安裝螺紋安裝法蘭第28頁，共32頁，2023年，2月20日，星期二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(shí)用塑料包裹）熱電偶工作端（熱端）

不銹鋼保護(hù)管

第29頁，共32頁，2023年，2月20日，星期二2、鎧裝熱電偶它是由熱電偶絲、絕緣材料，金屬套管三者拉細(xì)組合而成一體。又由于它的熱端形狀不同，可分為四種型式如圖。(a)(b)(c)(d)