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模塊8熱電偶傳感器
第九章 熱電偶傳感器
1．了解溫度測(cè)量的基本概念和溫標(biāo)的分類。 2．熟悉溫度傳感器的分類。
3．熟悉熱電效應(yīng)以及熱電偶傳感器的工作原理。 4．熟悉熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)。 5．掌握熱電偶的應(yīng)用。
? 教學(xué)手段 多媒體課件、多種熱電偶加熱演示 ? 教學(xué)課時(shí) 3學(xué)時(shí) ? 教學(xué)內(nèi)容：
本章首先介紹溫度測(cè)量的基本概念，然后分析熱電偶的工作原理、分類，并介紹其使用方法。
第一節(jié) 溫度測(cè)量的基本概念
一、溫度的基本概念（了解） 溫度是表征物體冷熱程度的物理量。溫度的微觀概念是：溫度標(biāo)志著物質(zhì)內(nèi)部大量分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。
二、溫標(biāo)（換算）
溫度的數(shù)值表示方法稱為溫標(biāo)。
1.攝氏溫標(biāo)（?C）
攝氏溫標(biāo)把在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下冰的熔點(diǎn)定為零度（0?C），把水的沸點(diǎn)定為100度（100?C）。
2華氏溫標(biāo)（F）
它規(guī)定在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冰的熔點(diǎn)為32F℉，水的沸點(diǎn)為212℉
它與攝氏溫標(biāo)的關(guān)系式為
? / F=（1.8t / ?C +32 ） (9-1)
3.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)
用下式進(jìn)行K氏和攝氏的換算
t / ?C=T / K－273.15 (9-2)
或 T / K=t / ?C+273.15 (9-3)
4.1990國(guó)際溫標(biāo)(ITS-90)
國(guó)際計(jì)量委員會(huì)在1968年建立了一種國(guó)際協(xié)議性溫標(biāo)，即IPTS-68溫標(biāo)。
三、溫度測(cè)量及傳感器分類（了解，并討論什么場(chǎng)合使用什么傳感器） 溫度傳感器的分類方法很多。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(cè)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、輻射式等等）；
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第二節(jié) 熱電偶傳感器的工作原理
一、熱電效應(yīng)（多媒體演示）
由于熱電偶的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)均存在珀?duì)柼妱?dòng)勢(shì)，所以熱電偶所產(chǎn)生的總的熱電勢(shì)是兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫差Δt的函數(shù)fAB（見(jiàn)圖9-2及9-4），即
EAB（T，T0）=fAB（T，T0）= fABΔt (9-4) 討論由上式可以得出哪些結(jié)論：
1）如果熱電偶兩結(jié)點(diǎn)溫度相同，則回路總的熱電勢(shì)必然等于零。兩結(jié)點(diǎn)溫差越大，熱電勢(shì)越大。
2）如果熱電偶兩電極材料相同，即使兩端溫度不同（t≠t 0），但總輸出熱電勢(shì)仍為零。因此必需由兩種不同材料才能構(gòu)成熱電偶。
3）為什么熱電勢(shì)的大小只與材料和結(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)，而熱電偶的內(nèi)阻與其長(zhǎng)短、粗細(xì)、形狀無(wú)關(guān)？（式9-4中未包含熱與熱電偶的尺寸形狀有關(guān)的參數(shù)）熱電偶越細(xì)，內(nèi)阻越大。
二、中間導(dǎo)體定律（討論實(shí)際價(jià)值）
利用熱電偶來(lái)實(shí)際測(cè)溫時(shí)，連接導(dǎo)線、顯示儀表和接插件等均可看成是中間導(dǎo)體，只要保證這些中間導(dǎo)體兩端的溫度各自相同，則對(duì)熱電偶的熱電勢(shì)沒(méi)有影響。
第三節(jié) 熱電偶的種類及結(jié)構(gòu)
一、熱電極材料和通用熱電偶
熱電極和熱電偶的種類繁多，介紹常用的8種，討論哪些場(chǎng)合選用哪個(gè)分度號(hào)：
2
①鉑銠
30
表示該合金含70%的 鉑及30% 的銠，以下類推。
二、熱電偶的結(jié)構(gòu)形式（討論哪些場(chǎng)合選用哪個(gè)種結(jié)構(gòu)形式）
1．普通型熱電偶
普通型熱電偶主要用于測(cè)量氣體、蒸氣和液體等介質(zhì)的溫度。
2．鎧裝熱電偶
鎧裝熱電偶是由金屬保護(hù)套管、絕緣材料和熱電極三者組合成一體的特殊結(jié)構(gòu)的熱電偶。
３．薄膜熱電偶
它是用真空蒸鍍的方法，把熱電極材料蒸鍍?cè)诮^緣基板上而制成。測(cè)量端既小又薄，厚度約為幾個(gè)微米左右，熱容量小，響應(yīng)速度快，便于敷貼。
第四節(jié) 熱電偶冷端的延長(zhǎng)
為什么要使用補(bǔ)償導(dǎo)線：實(shí)際測(cè)溫時(shí)，由于熱電偶長(zhǎng)度有限，自由端溫度將直接受到被測(cè)物溫度和周圍環(huán)境溫度的影響。例如，熱電偶安裝在電爐壁上，而自由端放在接線盒內(nèi)，電爐壁周圍溫度不穩(wěn)定，波及接線盒內(nèi)的自由端，造成測(cè)量誤差。雖然可以將熱電偶做得很長(zhǎng)，但這將提高測(cè)量系統(tǒng)的成本，是很不經(jīng)濟(jì)的。工業(yè)中一般是采用補(bǔ)償導(dǎo)線來(lái)延長(zhǎng)熱電偶的冷端，使之遠(yuǎn)離高溫區(qū)。
必須注意的四個(gè)問(wèn)題：一是兩根補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶兩個(gè)熱電極的接點(diǎn)必須具有相同的
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溫度；二是各種補(bǔ)償導(dǎo)線只能與相應(yīng)型號(hào)的熱電偶配用；三是必須在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)使用；四是極性切勿接反。常用的補(bǔ)償導(dǎo)線見(jiàn)表9-3。
表9-3 常用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的特性
? 99.4%Cu , 0.6%Ni 。
? 98.2%~98.3%Cu , 1.7%~1.8%Ni 。
第五節(jié) 熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償及技術(shù)處理
一、冷端恒溫法（帶一個(gè)冰瓶，觀察補(bǔ)償效果）
1） 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0?C不變。此
法也稱冰浴法
2）將熱電偶的冷端置于電熱恒溫器中，恒溫器的溫度略高于環(huán)境溫度的上限（例如40?C）。
3）將熱電偶的冷端置于恒溫空調(diào)房間中，使冷端溫度恒定。 二、計(jì)算修正法
可以利用下式計(jì)算并修正測(cè)量誤差（做練習(xí)，并熟練查表）
EAB（t，0?C）=EAB（t，t0）+EAB（t0，0?C） （9-3） 三、儀表機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整法 進(jìn)行儀表機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整時(shí)，首先必須將儀表的電源及輸入信號(hào)切斷，然后用螺釘旋具調(diào)節(jié)儀表面板上的螺釘使指針指到t0的刻度上。
四、電橋補(bǔ)償法
電橋補(bǔ)償法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓來(lái)自動(dòng)補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢(shì)變化值。（討論以上4種方法的使用場(chǎng)合）
第六節(jié) 熱電偶的應(yīng)用及配套儀表
一、與熱電偶配套的儀表
與熱電偶配套的儀表有動(dòng)圈式儀表及數(shù)字式儀表之分。 二、熱電偶的應(yīng)用
（一）金屬表面溫度的測(cè)量
對(duì)于機(jī)械、冶金、能源、國(guó)防等部門來(lái)說(shuō)，金屬表面溫度的測(cè)量是非常普遍而又比較復(fù)雜的問(wèn)題。
（二）利用熱電偶監(jiān)測(cè)燃?xì)鉄崴鞯幕鹧?燃?xì)鉄崴鞯氖褂冒踩灾陵P(guān)重要。 （三）熱電堆在紅外線探測(cè)器中的應(yīng)用 紅外線輻射可引起物體的溫度上升。
大型作業(yè)（熱電偶與配套儀表、加熱設(shè)備的實(shí)物接線）
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