华为手机惊现“霸王条款”：换屏就得换壳

第九章热电偶传感器本章介绍温度(wēndù)和温标的基本概念、温度(wēndù)测量的基本、热电偶的基本工作原理、热电偶的分类、特点及使用、冷端延长的方法、冷端温度(wēndù)补偿的方法和技术、控温仪表的使用等。第一页，共42页。热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置。在各种热电式传感器中，以把温度变化转换为电阻值和电势(diànshì)变化的方法最为普遍。将温度转换为电阻值大小的热电式传感器叫做热电阻。将温度转换为电势(diànshì)大小的热电式传感器叫做热电偶。此外，基于半导体PN结与温度的关系研制的PN结型温度传感器在窄温场中，也得到迅速发展和广泛应用。另外还有热释电型温度传感器、谐振型温度计、热噪声温度计、热辐射传感器、光纤温度传感器等。第二页，共42页。热电偶热电偶是将温度量转换(zhuǎnhuàn)为电势大小的热电式传感器。是目前接触式测温中应用最广的热电式传感器之一，在工业用温度传感器中占有极其重要的地位。一、热电偶的工作原理(yuánlǐ)二、热电偶的基本定律三、热电偶结构和种类四、热电偶的冷端处理和补偿测温范围宽，能测量较高的温度（－180~2800℃）；输出电压信号，测量方便，便于远距离传输、集中检测和控制；结构简单、性能稳定、维护(wéihù)方便、准确度高；热惯性和热容量小，便于快速测量；自身能产生电压，不需要外加驱动电源，是典型的有源传感器。优点：第三页，共42页。看一个实验(shíyàn)——热电偶工作原理演示结论：当两个结点温度不相同时，回路(huílù)中将产生电动势。热电极(diànjí)A右端称为：自由端（参考端、冷端）左端称为：测量端（工作端、热端）热电极B热电势AB第一节热电偶的工作原理第四页，共42页。从实验(shíyàn)到理论：热电效应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接触点（称为结点），发现放在回路中的指南针发生偏转（说明什么？），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（又说明什么？）。显然(xiǎnrán)，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。第五页，共42页。两种不同材料的导体A和B组成闭合回路，当两个结点温度(wēndù)不相同时，回路中将产生电动势。这种物理现象称为热电效应。两种不同材料的导体所组成的回路称为热电偶。组成热电偶的导体称为热电极。热电偶所产生的电动势称为热电势。热电偶的两个结点中，置于温度(wēndù)为T的被测对象中的结点称为测量端，又称为工作端或热端；而置于参考温度(wēndù)为T0的另一个节点称为参考端，又称为自由端或冷端。热电效应产生的热电势(diànshì)用EAB（T，T0）表示。是由接触电势(diànshì)（珀尔帖Peltier效应）和温差电势(diànshì)（汤姆森Thomson效应）两部分组成。第六页，共42页。结点产生(chǎnshēng)热电势的微观解释及图形符号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(dédào)电子带负电，从而产生热电势在这种动态平衡状态下，A和B两金属之间在接触处产生的电势称为接触电势（又称为珀尔帖电势）。eAB（T）自由电子＋ABT第七页，共42页。该电势(diànshì)为k——波尔兹曼常数（k0＝1.38×10-23J/K）T——接触点的绝对温度；nA，nB——材料A，B的自由电子密度；e——电子电荷电量（e=1.6×10-19C）。接触电势的数值取决于两种金属的性质和接触点的温度，而与金属的形状及尺寸无关(wúguān)。如果A、B为同一种材料，接触电势为零。（nA=nB）第八页，共42页。2.汤姆森效应(xiàoyìng)－温差电势对于任何一个金属，当其两端温度不同(bùtónɡ)时，两端的自由电子浓度也不同(bùtónɡ)。温度高的一端浓度大，具有较大的动能；温度低的一端浓度小，动能也小。因此，高温端的自由电子要向低温端扩散，高温端失去电子而带正电，而低温端得到(dédào)电子而带负电，形成了电场，这个电场要阻碍电子的扩散，最后同样要达到动态平衡，从而在两端形成的电势称为温差电势，（又称为汤姆森电势）。设导体为均质导体，两端的温度为T、T0，A、B导体的温差电势σ——汤姆森系数（与材料和两端平均温度有关）。温差电势的数值取决于金属的性质和两端的温度，而与金属的形状、尺寸和温度分布无关。如果导体两端的温度相同，则温差电势为零。（T=T0）第九页，共42页。3.闭合回路(huílù)中总热电势在由两种不同金属（nA>nB）组成的闭合回路中，当两端点的温度(wēndù)不同（T>T0）时，整个闭合回路内总的热电势EAB（T，T0）为第十页，共42页。由上式可以(kěyǐ)得出下列结论：1）如果热电偶两结点温度相同，则回路(huílù)总的热电势必然等于零。两结点温差越大，热电动势越大。2）如果热电偶两电极材料相同，即使两端温度不同（T≠T0），但总输出电动势仍为零。因此必需由两种不同材料才能构成热电偶。3）式中没有包含热与热电偶的尺寸形状有关的参数，所以热电动势的大小只与材料和结点温度有关，而热电偶的内阻与其长短、粗细、形状有关。热电偶越细，内阻越大。第十一页，共42页。2、热电偶的基本定律1）中间导体定律：将由A、B两种导体组成(zǔchénɡ)的热电偶的冷端断开而接入第三种导体C后，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路的总热电势不变。第十二页，共42页。总的热电动势与C无关。热电偶回路中插入多种导体（D、E、F……)只要保证插入的每种导体的两端温度相同，则对热电偶的热电动势也无影响。利用热电偶实际测温时，连接导线、显示仪表和接插件等均可看成(kànchénɡ)中间导体，只要保证这些中间导体两端的温度各自相同，则对热电偶的热电动势没有影响。热电偶回路总的热电势，绝不会因为在其电路中的任意部分接入第三种两端(liǎnɡduān)温度相同的材料而有所改变。热电偶的这一特性，不但可以允许在其回路中接入电气测量仪表，而且也允许采用任意的焊接方法来焊接热电偶。这就是中间导体定律的实际意义。第十三页，共42页。2）参考电极(diànjí)定律（电极(diànjí)定律）已知热电极A、B分别(fēnbié)与参考电极C所组成的热电偶在结点温度(T,T0）时，热电势分别(fēnbié)为EAC(T,T0)，EBC(T,T0)，则在相同的温度下，由A、B两种热电极配对后的热电势EAB（T,T0)可以按下面公式计算：EAB（T,T0)=EAC(T,T0)-EBC(T,T0)由此可知，当任一电极B，C，D，…与一标准电极A组成热电偶产生热电势为已知时，就可以利用上式求出这些(zhèxiē)热电极彼此任意组成热电偶时的热电势。通常采用铂作为标准电极。第十四页，共42页。3）连接导体(dǎotǐ)定律与中间温度定律：若导体A、B分别(fēnbié)与连线导线A、B相接，其结点温度分别(fēnbié)为T、Tn、T0，回路的总电势为此式是连接导线（导体）定律的数学模型，即回路的总电势(diànshì)等于热电偶热电势(diànshì)EAB（T,Tn）与连接导线热电势(diànshì)EAB（Tn,T0）的代数和。此定律是工业运用补偿导线进行温度测量的理论基础。当导体A与A及B与B材料分别相同时，上式可写为此式是中间温度定律的数学模型，即回路的总电势等于EAB（T,Tn）,EAB（Tn,T0）的代数和。Tn称为中间温度。此定律为制定分度表奠定了理论基础，只要求得参考端温度为0℃时的“热电势－温度关系”，就可以根据此式求出参考温度不等于0℃时的电势。第十五页，共42页。第二节热电偶的种类(zhǒnglèi)及结构八种国际(guójì)通用热电偶：B:铂铑30—铂铑6R:铂铑13—铂、S:铂铑10—铂K:镍铬—镍硅、E:镍铬—铜镍N:镍铬硅—镍硅、J:铁—铜镍、T:铜—铜镍用于制造(zhìzào)铂热电偶的各种铂热电偶丝第十六页，共42页。几种常用热电偶的测温范围(fànwéi)及热电势分度号名称测量温度范围1000C热电势/mVB铂铑30－铂铑650～1820C4.834R铂铑13—铂-50～1768C10.506S铂铑10—铂-50～1768C9.587K镍铬－镍硅(铝)-270～1370C41.276E镍铬－铜镍(康铜)－270～800C——?第十七页，共42页。热电偶的分度表——热电偶的线性较差，多数(duōshù)情况下采用查表法我国从1991年开始采用国际计量委员会规定的“1990年国际温标”（简称ITS-90）的新标准。按此标准，制定了相应的分度表，并且有相应的线性化集成电路(jíchéng-diànlù)与之对应。直接(zhíjiē)从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是：自由端（冷端）温度必须为0C。本教材p368的附录列出了工业中常用的镍铬-镍硅（K）热电偶的分度表。第十八页，共42页。如何(rúhé)利用热电偶的分度表假设热电偶的冷端温度为0C，请根据本教材(jiàocái)p345的附录——工业中常用的镍铬-镍硅（K）热电偶的分度表，查出－50C、0C、50C时的热电势。第十九页，共42页。K热电偶的分度表比较查出的3个热电势，可以看出(kànchū)热电势是否线性？第二十页，共42页。如何(rúhé)由热电偶的热电势查热端温度值设冷端为0℃，根据(gēnjù)以下电路中的毫伏表的示值及K热电偶的分度表，查出热端的温度tx。第二十一页，共42页。普通(pǔtōng)装配型热电偶的外形安装(ānzhuāng)螺纹第二十二页，共42页。铠装(kǎizhuānɡ)型热电偶外形法兰铠装型热电偶可长达上百米薄壁金属保护(bǎohù)套管（铠体）BA绝缘材料铠装(kǎizhuānɡ)型热电偶横截面第二十三页，共42页。隔爆型热电偶外形(wàixínɡ)厚壁保护(bǎohù)管压铸的接线盒电缆线第二十四页，共42页。3.薄膜热电偶它是真空(zhēnkōng)蒸镀的方法，把热电极材料蒸镀在绝缘基板上而制成。测量端既小又薄，厚度约为几个微米左右，热容量小，响应速度快，便于敷贴。适用于测量微小面积上的瞬变温度。其特点是：热容量小、动态响应快，适用于动态测量小面积时的瞬时变化的温度。4.表面热电偶分为永久性安装和非永久性安装两种，主要用来测量金属块、炉壁、橡胶筒，涡轮叶片、轧辊等固体的表面温度。5.浸入式热电偶浸入式热电偶主要用来测量钢水、铜水、铝水以及熔融合金(héjīn)的温度。其主要特点是：可以直接插入液态金属中进行温度测量。第二十五页，共42页。第四节热电偶冷端的(duāndì)延长在实际测温时，由于热电偶长度(chángdù)有限，自由端温度将直接受到被测物温度及周围环境温度的影响，造成误差。采用相对廉价的补偿导线，可延长热电偶的冷端，使之远离高温区；可节约大量贵金属；易弯曲，便于敷设。补偿导线在0～100C范围内的热电势与配套的热电偶的热电势相等，所以不影响测量精度。第二十六页，共42页。当补偿导线A’、B’与A、B连接后，测温回路的总的热电动势仅取决于A、B、T及T0（T0为新的自由端、它是稳定的）而与A、A’及B、B’连接处的温度Tn（中间温度，它是不稳定的）无关，在T0处测得的总的热电动势与直接(zhíjiē)将热电偶延伸到T0无异。第二十七页，共42页。必须指出的是：使用补偿导线仅能延长(yáncháng)热电偶的冷端，虽然总的热电势在多数情况下会比不用补偿导线时有所提高，但从本质上看，并不是因为温度补偿引起的而是因为使冷端远离高温区、两端温差较大的缘故。在使用补偿导线时，必须根据热电偶型号选配补偿导线，补偿导线与热电偶两接点处的温度必须相同，极性不能接反，不能超出规定使用的温度范围。第二十八页，共42页。常用热电偶补偿(bǔcháng)导线第二十九页，共42页。补偿(bǔcháng)导线外形A’B’屏蔽(píngbì)层保护层第三十页，共42页。第五节热电偶的冷端温度(wēndù)补偿必要性：1、用热电偶的分度表查毫伏数-温度时，必须满足t0=0C的条件。在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化，这样t0不但不是0C，而且也不恒定，因此将产生误差。2、一般情况(qíngkuàng)下，冷端温度均高于0C，热电势总是偏小。应想消除或补偿热电偶的冷端损失。第三十一页，共42页。冷端温度(wēndù)补偿的方法一、冷端恒温法：1）将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中，使冷端的温度保持在0C不变。此法也称冰浴法，它消除了t0不等于(děngyú)0C而引入的误差，由于冰融化较快，所以一般只适用于实验室中。第三十二页，共42页。冰浴法在冰瓶中，冰水混合物的温度(wēndù)能较长时间地保持在0C不变。第三十三页，共42页。冰浴法接线图1—被测流体(liútǐ)管道2—热电偶3—接线盒4—补偿导线5—铜质导线6—毫伏表7—冰瓶8—冰水混合物9—试管10—新的冷端第三十四页，共42页。2）将热电偶的冷端置于电热恒温器中，恒温器的温度略高于环境温度的上限（例如40℃）3）将热电偶的冷端置于恒温空调房间中，使冷端温度恒定。注意(zhùyì)：除了冰浴法是使冷端温度保持在0℃外，后两种方法必须采用下述的方法予以修正。第三十五页，共42页。二、计算(jìsuàn)修正法当热电偶的冷端温度t00C时，测得的热电势EAB（t，t0）与冷端为0C时所测得的热电势EAB（t，0C）不等。若冷端温度高于0C，则EAB（t，t0）