自动检测技术及应用(第3版)教案第9章,热电偶传感器

《自动检测技术及应用 第3版》 （专业必修课）授课教案

第9章 热电偶传感器 授课教案

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授课班级 课题：热电偶传感器的原理及应用 教材分析 教学目的和要求 难点 重点 冷端温度补偿 课时安排：2 课次编号：12 热电偶的分度表的应用 1．了解温标的概念 2．了解热电偶传感器的工作原理； 3．掌握热电偶的选型； 3．掌握分度表的应用； 4．掌握热电偶冷端温度补偿的方法。 演示、讲授、课堂互动、分析 教具：各种热电偶 采用教学方法和实施步骤 各教学环节和内容 演示实验： 将两根不同材质的金属（例如镍铬-镍硅）的端部绞在一起，用打火机烧该端部。用数字毫伏表测量另两端的输出热电动势。 可以看到，毫伏表的读数随铰接的端部的颜色变红而上升。 从以上演示，引入第一节的热电偶传感器的工作原理。 9.1 温度测量的基本概念 9.1.1 温度 是表征物体冷热程度的物理量。温度概念是以热平衡为基础的。 提问：如果两个相接触的物体温度不相同，它们之间就会产生热______，热量将从温度______的物体向温度______的物体传递，直到两个物体达到______的温度为止。 温度的微观概念：温度标志着物质内部大量分子的无规则运动的剧烈程度。温度越高，表示物体内部分子热运动越______。 9.1.2 温标 温标是衡量温度高低的标尺，是描述温度数值的统一表示方法（或定义方法）。温标明确了温度的单位、定义固定点的数值、内插标准仪器和标准的插补公式。各类温度计的刻度均由温标确定。国际上常用的温标有：摄氏温标、华氏温标、热力学温标、1990国际温标等。 1．摄氏温标 摄氏温标把在标准大气压下冰的熔点定为零度（0℃），把水的沸点定为100度（100℃）。在这两固定点间划分一百等分，每一等分为摄氏一度，符号为t。 2．华氏温标 华氏温标规定在标准大气压下，冰的熔点为32℉，水的沸点为212℉，两固定点间划分180个等分，每一等分为华氏1度，符号为θ。 美国在日常生活中还使用华氏温标。 1

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3．热力学温标 热力学温标是开尔文根据热力学定律提出来的最科学的温标，又称开氏温标。它的符号是T，其单位是开尔文（K）。 例如，100℃时的热力学温度T=(100+273.15)K=373.15K 。 开氏零度：热力学温标是纯理论的温标，人们无法得到，只能尽量达到，例如，可以达到0.1K。 4．1990国际温标 国际计量委员会根据第18届国际计量大会的决议，从1990年1月1日开始，在全世界范围内采用1990年国际温标，简称ITS-90。 ITS-90定义了一系列温度固定点，测量和重现这些固定点的标准仪器以及计算公式。ITS-90的定义固定点共17个。 表9-2 温度传感器的种类及特点 所利用的物理现象 气体温度计 体积 热膨胀[5] 液体压力温度计 玻璃水银温度计 双金属片温度计[6] 钨铼热电偶 接触热电动势 铂铑热电偶 其他热电偶 电阻的变化 铂热电阻 热敏电阻 硅半导体二极管 PN结结电压 （半导体集成温度 传感器） 温度-颜色 示温涂料 示温液晶 红外辐射温度计 光辐射 热辐射 高温比色温度计 热释电温度计 光子探测器 -50～1300 0～100 -50～1500 500～3000 0～1000 0～3500 非接触式测量，反应快；但易受环境及被测体表面状态影响，标定困难 -50~150 -250～1000 -200～350 -50～350 -50～300 1000～2100 200～1800 -200～1200 -200～900 -50～300 自发电型，标准化程度高，品种多，可根据需要选择；须进行冷端温度补偿 标准化程度高；但需要接入桥路才能得到电压输出 体积小，线性好， -2mV/℃；但测温范围小 面积大，可得到温度彩色图像；但易衰老，准确度低 不需要电源，耐用；但感温部件体积较大 传感器类型 测温范围/℃ 特 点 9.2 热电偶的工作原理 9.2.1 热电偶与热电效应 1821年，德国物理学家赛贝克发现：加热“不同金属构成的回路”的结点，有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。

图9-1 热电偶原理图

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a）热电效应 b）结点产生热电动势示意 c）图形符号 1－工作端 2－热电极 3－指南针 4－参考端 当两个结点温度不相同时，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动势。 热电偶的两个结点中，置于温度为T的被测对象中的结点称之为测量端，又称为工作端或热端；而置于参考温度为T0的另一结点称之为参考端，又称自由端或冷端。 提问： 1）如果热电偶两电极材料相同，两端温度不同（t≠t0），为什么总输出热电势仍为零？ 为什么必须由两种不同材料才能构成热电偶？ 2）如果热电偶两结点温度相同，为什么回路总的热电势必然等于零？ 两个结点的温度越高，输出的热电势就一定越大？。 3）热电偶越粗，热电动势就越大吗？ 为什么说热电势的大小只与材料和结点温度有关？ 为什么说EAB（T,T0）也可以写成EAB（t,t0）？电动势的数值相同吗？ 9.2.2 中间导体定律 若在热电偶回路中插入“中间导体”（A、B热电极之外的其他导体），只要中间导体两端温度相同，则对热电偶回路的总热电动势无影响。 9.3 热电偶的种类及结构 9.3.1 通用热电偶的种类 热电极和热电偶的种类繁多，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，共有八种标准化了的通用热电偶。 提示：表9-3所列热电偶中，写在前面的热电极为正极，写在后面的为负极。 分度表： 热电偶自由端（冷端）温度为0℃时，热电偶工作端（热端）温度与输出热电势之间的对应关系的表格。本教材列出了工业中常用的镍铬-镍硅（K）热电偶的分度表，见附录D。 表9-3 八种国际通用热电偶特性表 分名 称 度号 测温范围 /℃ 100℃时的 热电势/mV 1000℃时的 热电势/mV 熔点高，测温上限高，性能稳定，准确度高，100℃以下热电势极小，所铂铑30-铂铑6 ①特 点 B 50～1820 0.033 4.834 以可不必考虑冷端温度补偿；价昂，热电势小，线性差；只适用于高温域的测量 使用上限较高，准确度高，性能稳定，复现性好；但热电势较小，不能铂铑13-铂 R -50～1768 0.647 10.506 在金属蒸气和还原性气氛中使用，在高温下连续使用时特性会逐渐变坏，价昂；多用于精密测量 3