热电偶测温原理及应用详解

安装 螺纹 安装 法兰
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课外实验
• 实时监测电脑CPU的运行温度，并设置超温 报警。
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第9讲 温度传感器原理与应用 -热电偶Thermoelectric Couple Sensors 一、热电偶的工作原理；
二、热电偶测温实验
三、热电偶测温基本定律 四、热电偶的冷端补偿及补偿导线
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YC-811 报警温度计
• • • • 分辨率: 0.1°C/0.1°F K Type:镍铬-镍硅热电偶 可测温度范围-200°C ~1372°C 可设定上下限蜂鸣报警
A
＋
方向：从密度小指向 密度大的
接触电势的大小与温度有关
T
B
kT N AT E AB (T ) ln e N BT EAB（ T ）
式中: K——波尔兹曼常数; e——单位电荷电量; NAT、NBT——温度为T导体A、B的电子密度。 12
自由 电子
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两个结点处分别有两个接触电势，且方向相反。
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冷端补偿方法
(1)参考端温度修正法：参考端温度不等于0℃, 则需要对
热电偶回路的电势值加以修正, 修正值为EAB(t0 , 0)。 经修正
后的实际热电势, 可由分度表中查出被测实际温度值。
EAB(T, 0）= EAB(T, T0）+ EAB(T0, 0）
(2)参考端0℃恒温法： 在实验室及精密测量中, 通常把参 考端放入装满冰水混合物的容器中, 以便参考端温度保持0℃.
C
T0
B B B 该定律是参考端温度计算修正法的理论依据。 在实 际热电偶测温回路中,利用热电偶这一性质,可对参 考端温度不为0℃的热电势进行修正。
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四、热电偶补偿导线及冷端温度补偿
热电偶基本定律解决了两个问题：
1、实际测量时冷端和热端相隔很远（中间导体定律）
热电偶补偿导线
如果A、B密度相同（均质导体），则不存在接触电动势，两 导体内温差电动势，大小相等，方向相反，总热电势为0。即 为均质导体定律 如果两结点温度相同（ T=T0），则不存在温差电动势，两结 由一种均质导体组成的闭合回路中 , 不论导体的截 点处接触电动势，大小相等，方向相反，总热电势为 0. 面和长度如何以及各处的温度分布如何, 都不能产
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结论：
接触电势
当相互接触的两金属的密度不同时产生接触电 势，其大小与结点的温度相关。
温差电势
同一金属，若两端的温度不同则产生温差电势， 其大小其密度相关。
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回路中总热电动势为：
EAB(T, T0)=EB(T, T0)+ EAB(T)- EAB(T0)-EA(T, T0) A EA(T,T0) EAB(T0) 以顺时针为正 T0 T 蓝色的为接触电势 EAB(T) 绿色的为温差电势 EB(T,T0) B
整个回路中总的接触电动势为： A T
EAB(T0) EAB(T)
E AB (T ) E AB (T0 )
T0
B
kT N AT kT0 N AT0 ln ln e N BT e N BT0
以顺时针为正
如果两个结点的温度相同，T=T0，则总接触电动势为0 图中：NA>NB，T>T0
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实验：测冰水温度、测沸水温度（观察准确度和响应时间）
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一、 热电偶的工作原理
热电极A
测量端
（热端、 工作端） 结点1 nA>nB
热电势
A
热电极B 自由端
（冷端、 参考端） 结点2
B
结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。
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结论：
热电偶两结点所产生的总的热电势等于热端热电势与 冷端热电势之差，是两个结点的温差Δ t 的函数： EAB（T，T0）=eAB （ T ）- eAB （ T0 ）
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科学引领工程，工程引入课堂
工程测试技术基础 --湖北工业大学精品课程
主讲: 邬文俊 讲师
设计和制作：何涛教授及工程测试技术基础课程教学团队
湖北工业大学机械学院
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概述
温度是物理现象中具有代表性的物理量 是十大计量单位之一 现代生活中温度测量和控制是不可缺少的，如 家用电器：电饭煲、电冰箱、空调、微波炉这些 家用电器中都少不了温度传感器。
• 热膨胀温度传感器：有液体、气体的玻璃式温 度计、体温计，结构简单，应用广泛； • 半导体热敏电阻传感器：家电、汽车上使用，价 格便宜、用量大、成本低、性能差别不大； • 金属电阻、热电偶、红外温度传感器：工业上常 用，性能价格差别比较大，精度高的通常价格比较 昂贵。 • 集成温度传感器，利用晶体管PN结电流、电压随 温度变化，有专用集成电路，体积小、响应快、价 廉，测量150℃以下温度。
CPU散热风扇
低温时显示蓝色温度升高后变为红色
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问题：
• 1、测量时，热端在哪？冷端在哪？热电势 是用什么检测仪表测量的？测量仪表的导 线与热电阻的导体不同，是不是会对测量 结果产生影响？ • 2、冷端怎么保持0度？若是不为0度怎么办？
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三、热电偶测温基本定律
E
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——?
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几种常用热电偶的热电势与温度的关系 曲线分析 结论：
哪几种热电偶的 测温上限较高？
哪一种热电偶的 灵敏度较高？
哪一种热电偶的 灵敏度较低？ 哪几种热电偶的 线性较差？
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为什么所有的曲线均过原点（零度点）？ 22
二、热电偶测温实验
• 测出变色涂料的变色温度 • 超温报警实验
（3）实际应用中, 热电势与温度之间关系是通过热电 偶分度表来确定的。分度表是在参考端温度为0℃时, 通过实验建立起来的热电势与工作端温度之间的数值 对应关系。
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K热电偶的 分度表
热电偶的冷端 温度为0C，查 表得出被测温 度？
3种环境下（K型热 电偶）热端的热电 势分别为0、为4、 为-3.5。
补偿电桥与热电偶参考端处在同一环境温度, 但由于RCu 的阻值随环境温度变化而变化 , 如果适当选择桥臂电阻和桥 路电流, 就可以使电桥产生的不平衡电压 Uab补偿由于参考端 温度变化引起的热电势EAB(t, t0)变化量, 从而达到自动补偿的 目的。
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普通装配型热电偶的外形
2、实际测量时冷端温度不为0度（中间温度定律 ） 冷端补偿
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热电偶补偿导线
在实际测温时, 需要把热电偶输出的电势信号传输到远离现
场数十米的控制室里的显示仪表或控制仪表 , 这样参考端温 度t0也比较稳定。热电偶一般做得较短 需要用导线将热电偶 的冷端延伸出来。工程中采用一种补偿导线 , 它通常由两种 不同性质的廉价金属导线制成 , 而且在 0~100℃温度范围内 , 要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性。
T0
EB(T,T0)
EB (T , T0 ) EA (T , T0 )
EB (T , T0 ) E A (T , T0 )

T
T0
1 d ( N BT t ) K d N BT dt e

T
T0
1 d ( N AT t ) dt N AT dt
如果AB两金属的密度相同，则总温差电动势为0
温差电势
同一导体的两端温度不同时 , 高温端的电子能量要比低温端的电
子能量大, 因而从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高 温端的要多, 结果高温端因失去电子而带正电 , 低温端因获得多 余的电子而带负电, 因此, 在导体两端便形成温差电势。
EA(T,T0)
A
接触电势的大小与密度有关
E A (T , T0 )
1)中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要 其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电 偶回路的总热电动势。 T T0
V
同时也解决了测量头热端远离冷端的问题，中间可 用其他导线连接。
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2) 中间温度定律 热电偶AB在接点温度为T、T0时的热电势EAB(T, T0） 等于热电偶AB在接点温度T、Tc和Tc、T0时的热电势的 代数和： EAB(T, T0）= EAB(T, Tc）+ EAB(Tc, T0） A A A T T0 = T T + Tc
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生热电势。
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结论：
热电势=接触电势+温差电势
EAB(T, T0)=EAB(T)- EAB(T0) +EB(T, T0) - EA(T, T0) 当nA=nB， 不存在接触电势EAB E总= EB(T, T0)- EA(T, T0)=0 当T=T0， 不存在温差电势EA、EB E总= EAB(T)- EAB(T0) =0
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3、热电势与被测温度的关系：
（1）在总热电势中, 温差电势比接触电势小很多, 可 忽略不计, 热电偶的热电势可表示为： EAB(T, T0)=EAB(T)-EAB(T0) （2）对于已选定的热电偶, 当参考端温度T0恒定时, EAB (T0)=C为常数, 则总的热电势就只与温度T成单 值函数关系, 即 EAB(T, T0)= EAB(T)-C =f(T)
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概述
现代楼宇自动化(电源管理、安全监测、照明控 制、空调控制、停车管理、水/废水管理和电梯监 控)中温度是不可缺少的，
红外人体探测器
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概述
现代工业中温度测量和控制是不可缺少的，
精确的烟草烘干
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木材烘干
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概述
温度传感器的种类很多：
2、热电势的组成：
接触电势
当相互接触的两金属密度不同时产生接触电势。
温差电势
同一金属，若两端的温度不同则产生温差电势。
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接触电势
两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自 由电子的密度不同，在两金属A和B的接触点处会 发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大 的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带 正电，B得到电子带负电，从而产生接触电势。
2018/10/11 热电势与两个结点的温差 Δ t 成函数关系
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1、热电效应
！两端温度不同的导体百度文库 1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路， 并用酒精灯加热其中一个结点，发现放在回路中的指南针发生 产生电动势 偏转，如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转 角反而减小。 ！两种不同的导体接在一
(3)参考端温度自动补偿法（补偿电桥法）： 补偿电桥
法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压作为补偿信号 , 来自 动补偿热电偶测量过程中因参考端温度不为 0℃或变化而引 起热电势的变化值。
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如图所示 , 不平衡电桥由三个电阻温度系数较小的锰铜 丝绕制的电阻r1、 r2 、r3、电阻温度系数较大的铜丝绕制的 电阻RCu 和稳压电源组成。
显然，指南针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回路 中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。
起会产生电动势
？能用来制作传感器吗
将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当 两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形 A 成电流，此现象称为热电效应。 T T 10 2018/10/11 0 B
如何利用分度表 来确定温度？
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4、几种常用热电偶 分度号
名称
1000C 测量温度范围 热电势/ mV 4.834
B R S
K
铂铑30－铂铑6 50～1820 C 铂铑13—铂 铂铑10—铂
-50～1768 C 10.506 -50～1768 C 9.587
镍铬－镍铬 (铝) -200～1372 C 41.276 镍铬－铜镍 (康 －270～800 铜) C
T ＋
自由 电子
方向：从低温指向高温
T0
K e

T
T0
1 d ( N AT t ) dt N AT dt
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式中: K——波尔兹曼常数; e——单位电荷电量; NAT——温度为T导体A的电子密度。
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整个回路中总的温差电动势为： 以顺时针为正 A T B
K e
EA(T,T0)