1、熱電偶測溫原理及應用紅外人體探測器現代樓宇自動化現代樓宇自動化(電源管理、安全監測、照明控電源管理、安全監測、照明控制、空調控制、停車管理、水制、空調控制、停車管理、水/廢水管理和電梯監廢水管理和電梯監控控)中溫度是不可缺少的，中溫度是不可缺少的，概述概述現代工業中溫度測量和控制是不可缺少的，現代工業中溫度測量和控制是不可缺少的，概述概述精確的煙草烘干精確的煙草烘干木材烘干木材烘干 溫度傳感器的種類很多溫度傳感器的種類很多： 熱膨脹溫度傳感器熱膨脹溫度傳感器：有液體、氣體的玻璃式溫：有液體、氣體的玻璃式溫 度計、體溫計，結構簡單，應用廣泛；度計、體溫計，結構簡單，應用廣泛； 半導體熱敏電阻傳感

2、器半導體熱敏電阻傳感器：家電、汽車上使用，價：家電、汽車上使用，價格便宜、用量大、成本低、性能差別不大；格便宜、用量大、成本低、性能差別不大； 金屬電阻、熱電偶、紅外溫度傳感器金屬電阻、熱電偶、紅外溫度傳感器：工業上常：工業上常用，性能價格差別比較大，精度高的通常價格比較用，性能價格差別比較大，精度高的通常價格比較昂貴。昂貴。 集成溫度傳感器集成溫度傳感器，利用晶體管，利用晶體管PN結電流、電壓隨結電流、電壓隨溫度變化，有專用集成電路，體積小、響應快、價溫度變化，有專用集成電路，體積小、響應快、價廉，測量廉，測量150以下溫度。以下溫度。 概述概述第第9講講 溫度傳感器原理與應用溫度傳感器原理

3、與應用-熱電偶熱電偶Thermoelectric Couple Sensors一、熱電偶的一、熱電偶的工作原理工作原理；二、熱電偶測溫實驗二、熱電偶測溫實驗三、熱電偶測溫基本定律三、熱電偶測溫基本定律四、熱電偶的冷端補償及補償導線四、熱電偶的冷端補償及補償導線YC-811 報警溫度計報警溫度計 分辨率分辨率: 0.1C/0.1F K Type:鎳鉻-鎳硅熱電偶 可測溫度范圍-200C 1372C 可設定上下限蜂鳴報警n實驗：測冰水溫度、測沸水溫度（觀察準確度和響應時間）結論：當兩個結點溫度不相同時，回路中將產生電動勢。結論：當兩個結點溫度不相同時，回路中將產生電動勢。 熱電極熱電極A A自由端

4、自由端（冷端、（冷端、參考端）參考端） 測量端測量端（熱端、（熱端、工作端）工作端） 熱電極熱電極B B熱電勢熱電勢ABnAnB結點1結點2一、一、 熱電偶的工作原理熱電偶的工作原理 結論：結論：熱電偶兩結點所產生的總的熱電偶兩結點所產生的總的熱電勢熱電勢等于熱端熱電勢與等于熱端熱電勢與冷端熱電勢冷端熱電勢之差之差，是兩個結點的，是兩個結點的溫差溫差tt 的函數：的函數： EAB（T，T0）=eAB （ T T ）- - eAB （ T T0 ）熱電勢與熱電勢與兩個結點的兩個結點的溫差溫差t t 成函數關系成函數關系1、熱電效應熱電效應 1821年，德國物理學家賽貝克用兩種不同金屬組成年，德國

5、物理學家賽貝克用兩種不同金屬組成閉合回路閉合回路，并用酒精燈加熱其中一個結點，發現放在回路中的指南針發生并用酒精燈加熱其中一個結點，發現放在回路中的指南針發生偏轉，如果用兩盞酒精燈對兩個結點同時加熱，指南針的偏轉偏轉，如果用兩盞酒精燈對兩個結點同時加熱，指南針的偏轉角反而減小。角反而減小。顯然，指南針的偏轉說明回路中有電動勢產生并有電流在回路顯然，指南針的偏轉說明回路中有電動勢產生并有電流在回路中流動，電流的強弱與兩個結點的溫差有關。中流動，電流的強弱與兩個結點的溫差有關。將兩種將兩種不同材料不同材料的導體的導體A A和和B B串接成一個閉合回路，當串接成一個閉合回路，當兩個兩個接點溫度不同接

6、點溫度不同時，在回路中就會產生熱電勢，形時，在回路中就會產生熱電勢，形成電流，此現象稱為熱電效應。成電流，此現象稱為熱電效應。！兩端溫度不同的導體會產生電動勢！兩種不同的導體接在一起會產生電動勢？能用來制作傳感器嗎ABTT02、熱電勢的組成：接觸電勢當相互接觸的兩金屬密度密度不同時產生接觸電勢。溫差電勢同一金屬，若兩端的溫度溫度不同則產生溫差電勢。 兩種不同的金屬互相接觸時，由于不同金屬內自兩種不同的金屬互相接觸時，由于不同金屬內自由電子的密度不同，在兩金屬由電子的密度不同，在兩金屬A和和B的接觸點處會的接觸點處會發生自由電子的發生自由電子的擴散現象擴散現象。自由電子將從密度大。自由電子將從密

7、度大的金屬的金屬A擴散到密度小的金屬擴散到密度小的金屬B，使，使A失去電子帶失去電子帶正電正電，B得到電子帶負電得到電子帶負電，從而產生，從而產生接觸電勢接觸電勢。 自由自由電子電子ABEAB（ T T ）T T接觸電勢的大小與溫度有關接觸電勢的大小與溫度有關BTATABNNekTTEln)(式中: K波爾茲曼常數; e單位電荷電量; NAT、NBT溫度為T導體A、B的電子密度。方向：從密度小指向方向：從密度小指向密度大的密度大的接觸電勢接觸電勢ABTT0兩個結點處分別有兩個接觸電勢，且方向相反。兩個結點處分別有兩個接觸電勢，且方向相反。整個回路中總的接觸電動勢為：整個回路中總的接觸電動勢為：

8、00lnln)()(00BTATBTATABABNNekTNNekTTETE如果兩個結點的溫度相同，如果兩個結點的溫度相同，T=TT=T0 0，則總接觸電動勢為，則總接觸電動勢為0 0圖中：圖中：N NA ANNB B，TTTT0 0以順時針為正以順時針為正EAB(T)(T)EAB(T(T0 0) )同一導體同一導體的兩端溫度不同時的兩端溫度不同時, , 高溫端的電子能量要比低溫端的電高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大子能量大, , 因而從高溫端跑到低溫端的電子數比從低溫端跑到高因而從高溫端跑到低溫端的電子數比從低溫端跑到高溫端的要多溫端的要多, , 結果高溫端因失去電子而帶正電結果高溫端

9、因失去電子而帶正電, , 低溫端因獲得多低溫端因獲得多余的電子而帶負電余的電子而帶負電, , 因此因此, , 在導體兩端便形成在導體兩端便形成溫差電勢溫差電勢。自由自由電子電子TT0接觸電勢的大小與密度有關接觸電勢的大小與密度有關式中: K波爾茲曼常數; e單位電荷電量; NAT溫度為T導體A的電子密度。dtdttNdNeKTTEATTTATA)(1),(00AEA(T,T(T,T0 0) )方向：從低溫指向高溫方向：從低溫指向高溫溫差電勢溫差電勢ABTT0整個回路中總的整個回路中總的溫差電動勢溫差電動勢為：為：),(),(00TTETTEAB如果如果ABAB兩金屬的密度相同，則總溫差電動勢為

10、兩金屬的密度相同，則總溫差電動勢為0 0以順時針為正以順時針為正EB(T,T(T,T0 0) )EA(T,T(T,T0 0) )dtdttNdNeKddttNdNeKTTETTEATTTATBTTTBTAB)(1)(1),(),(0000接觸電勢當相互接觸的兩金屬的密度密度不同時產生接觸電勢，其大小與結點的溫度溫度相關。溫差電勢同一金屬，若兩端的溫度溫度不同則產生溫差電勢，其大小其密度密度相關。結論：結論：回路中回路中總熱電動勢總熱電動勢為：為：EAB(T, T0)=EB(T, T0)+ EAB(T)- EAB(T0)-EA(T, T0)以順時針為正以順時針為正藍色的為接觸電勢藍色的為接觸電勢

11、綠色的為溫差電勢綠色的為溫差電勢ABTT0EB(T,T(T,T0 0) )EA(T,T(T,T0 0) )如果如果A、B密度相同（均質導體），則不存在接觸電動勢，兩密度相同（均質導體），則不存在接觸電動勢，兩導體內溫差電動勢，大小相等，方向相反，總熱電勢為導體內溫差電動勢，大小相等，方向相反，總熱電勢為0。即。即為為均質導體定律均質導體定律如果兩結點溫度相同（如果兩結點溫度相同（T=T0），則不存在溫差電動勢，兩結），則不存在溫差電動勢，兩結點處接觸電動勢，大小相等，方向相反，總熱電勢為點處接觸電動勢，大小相等，方向相反，總熱電勢為0.EAB(T)(T)EAB(T(T0 0) )由一種均質導體

12、組成的閉合回路中由一種均質導體組成的閉合回路中, 不論導體的截不論導體的截面和長度如何以及各處的溫度分布如何面和長度如何以及各處的溫度分布如何, 都不能產都不能產生熱電勢生熱電勢。熱電勢=接觸電勢+溫差電勢EAB(T, T0)=EAB(T)- EAB(T0) +EB(T, T0) - EA(T, T0) 結論：當nA=nB， 不存在接觸電勢EAB E總總= EB(T, T0)- EA(T, T0)=0 當T=T0， 不存在溫差電勢EA、EB E總總= EAB(T)- EAB(T0) =0 （1）在總熱電勢中）在總熱電勢中, 溫差電勢比接觸電勢小很多溫差電勢比接觸電勢小很多, 可可忽略不計忽略不

13、計, 熱電偶的熱電勢可表示為：熱電偶的熱電勢可表示為： EAB(T, T0)=EAB(T)-EAB(T0) （2）對于已選定的熱電偶）對于已選定的熱電偶, 當參考端溫度當參考端溫度T0恒定時恒定時, EAB (T0)=C為常數為常數, 則則總的熱電勢就只與溫度總的熱電勢就只與溫度T成單成單值函數關系值函數關系, 即即 EAB(T, T0)= EAB(T)-C =f(T)3、熱電勢熱電勢與被測溫度的關系：與被測溫度的關系：（3）實際應用中）實際應用中, 熱電勢與溫度之間關系是通過熱電熱電勢與溫度之間關系是通過熱電偶偶分度表分度表來確定的。分度表是在參考端溫度為來確定的。分度表是在參考端溫度為0時

14、時, 通過實驗建立起來的熱電勢與工作端溫度之間的數值通過實驗建立起來的熱電勢與工作端溫度之間的數值對應關系。對應關系。K熱電偶的熱電偶的分度表分度表 熱電偶的冷端熱電偶的冷端溫度為溫度為0 0 C C，查，查表得出被測溫表得出被測溫度？度？如何利用分度表如何利用分度表來確定溫度？來確定溫度？3種環境下（種環境下（K型熱型熱電偶）熱端的熱電電偶）熱端的熱電勢分別為勢分別為0、為、為4、為為-3.5。4 4、幾種常用熱電偶、幾種常用熱電偶分度號分度號 名稱名稱 測量溫度范圍測量溫度范圍 1000 C熱電勢熱電勢/ mVB鉑銠鉑銠3030鉑銠鉑銠6 6501820 C C4.8344.834R鉑銠鉑

15、銠1313鉑鉑-501768 C C 10.50610.506S鉑銠鉑銠1010鉑鉑-501768 C C9.5879.587K鎳鉻鎳鉻鎳鉻鎳鉻 (鋁鋁) -2001372 C C 41.27641.276E鎳鉻銅鎳鎳鉻銅鎳 (康康 銅銅)270800 C C?幾種常用熱電偶的熱電勢與溫度的關系幾種常用熱電偶的熱電勢與溫度的關系曲線分析曲線分析 哪幾種熱電偶的哪幾種熱電偶的測溫上限較高？測溫上限較高？ 結論：結論：哪幾種熱電偶的哪幾種熱電偶的線性較差？線性較差？哪一種熱電偶的哪一種熱電偶的靈敏度較高？靈敏度較高？ 哪一種熱電偶的哪一種熱電偶的靈敏度較低？靈敏度較低？為什么所有的曲線均過原點（零

16、度點）？為什么所有的曲線均過原點（零度點）？二、熱電偶測溫實驗二、熱電偶測溫實驗 測出變色涂料的變色溫度 超溫報警實驗CPU散熱風扇散熱風扇低溫時顯示藍色低溫時顯示藍色溫度升高后變為紅色溫度升高后變為紅色問題： 1、測量時，熱端在哪？冷端在哪？熱電勢是用什么檢測儀表測量的？測量儀表的導線與熱電阻的導體不同，是不是會對測量結果產生影響？ 2、冷端怎么保持0度？若是不為0度怎么辦？1)中間導體定律中間導體定律 在熱電偶回路中接入第三種材料的導體，只要在熱電偶回路中接入第三種材料的導體，只要其兩端的溫度相等，該導體的接入就不會影響熱電其兩端的溫度相等，該導體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。偶

17、回路的總熱電動勢。TT0V同時也解決了測量頭熱端遠離冷端的問題，中間可用其他導線連接。三、熱電偶測溫基本定律三、熱電偶測溫基本定律2) 2) 中間溫度定律中間溫度定律 熱電偶熱電偶ABAB在接點溫度為在接點溫度為T T、T T0 0時的熱電勢時的熱電勢E EABAB(T, T(T, T0 0）等于熱電偶等于熱電偶ABAB在接點溫度在接點溫度T T、T Tc c和和T Tc c、T T0 0時的熱電勢的時的熱電勢的代數和：代數和： EAB(T, T0）= EAB(T, Tc）+ EAB(Tc, T0） ABTT0=ABTTC+ABTcT0該定律是參考端溫度計算修正法的理論依據。該定律是參考端溫度

18、計算修正法的理論依據。 在實在實際熱電偶測溫回路中際熱電偶測溫回路中,利用熱電偶這一性質利用熱電偶這一性質,可對參可對參考端溫度不為考端溫度不為0的熱電勢進行修正。的熱電勢進行修正。 熱電偶基本定律解決了兩個問題：熱電偶基本定律解決了兩個問題：1、實際測量時冷端和熱端相隔很遠（、實際測量時冷端和熱端相隔很遠（中間導體定律中間導體定律）熱電偶補償導線熱電偶補償導線2、實際測量時冷端溫度不為、實際測量時冷端溫度不為0度（度（中間溫度定律中間溫度定律 ）冷端補償冷端補償四、熱電偶補償導線及冷端溫度補償四、熱電偶補償導線及冷端溫度補償 在實際測溫時在實際測溫時, 需要把熱電偶輸出的電勢信號傳輸到遠離現需要把熱電偶輸出的電勢信號傳輸到遠離現場數十米的控制室里的顯示儀表或控制儀表場數十米的控制室里的顯示儀表或控制儀表, 這樣參考端溫這樣參考端溫度度t0也比較穩定。熱電偶一般做得較短也比較穩定。熱電偶一般做得較短 需要用導線將熱電偶需要用導線將熱電偶的冷端延伸出來。工程中采用一種補償導線的冷端延伸出來。工程中采用一種補償導線, 它通常由兩種它通常由兩種不同性質的廉價金屬導線制成不同性質的廉價金屬導線制成, 而且在而且在0100溫度范圍內溫度范圍內, 要求補償導線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。要求補償導線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。 熱電偶補償導線熱電偶補償導線 (1)參考端溫度