第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用

1、2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用1 第第5 5章熱電偶傳感器及應(yīng)用章熱電偶傳感器及應(yīng)用 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用2 引言引言 n熱電偶是工程上應(yīng)用最廣泛的溫度傳感熱電偶是工程上應(yīng)用最廣泛的溫度傳感 器。器。 n它構(gòu)造簡單，使用方便，具有較高的準(zhǔn)它構(gòu)造簡單，使用方便，具有較高的準(zhǔn) 確度、穩(wěn)定性及復(fù)現(xiàn)性，溫度測量范圍確度、穩(wěn)定性及復(fù)現(xiàn)性，溫度測量范圍 寬，在溫度測量中占有重要的地位。寬，在溫度測量中占有重要的地位。 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用3 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 n5.1熱電偶工作原理熱電偶工作原理 n5.2熱電偶的結(jié)構(gòu)形式及材料熱電偶的結(jié)構(gòu)形式及材料

2、n5.3熱電偶實用測溫線路和溫度補償熱電偶實用測溫線路和溫度補償 n5.4熱電偶傳感器的應(yīng)用實例熱電偶傳感器的應(yīng)用實例 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用4 5.1熱電偶工作原理熱電偶工作原理 n5.1.1 工作原理工作原理 n5.1.2 熱電偶的基本定律熱電偶的基本定律 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用5 5.1.1 工作原理工作原理 n1熱電效應(yīng)熱電效應(yīng) n將兩種不同成分的導(dǎo)體組成一個閉合回將兩種不同成分的導(dǎo)體組成一個閉合回 路，當(dāng)閉合回路的兩個結(jié)點分別置于不路，當(dāng)閉合回路的兩個結(jié)點分別置于不 同的溫度場中時，回路中將產(chǎn)生一個電同的溫度場中時，回路中將產(chǎn)生一個電 勢，這種

3、現(xiàn)象稱為勢，這種現(xiàn)象稱為“熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)”。 n1821年由年由Seeback發(fā)現(xiàn)的，故又稱為賽發(fā)現(xiàn)的，故又稱為賽 貝克效應(yīng)。貝克效應(yīng)。 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用6 熱電偶回路原理熱電偶回路原理 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用7 熱電勢由兩部分組成熱電勢由兩部分組成 n兩種導(dǎo)體組成的回路稱為兩種導(dǎo)體組成的回路稱為“熱電偶熱電偶”， 這兩種導(dǎo)體稱為這兩種導(dǎo)體稱為“熱電極熱電極”，產(chǎn)生的電，產(chǎn)生的電 勢則稱為勢則稱為“熱電勢熱電勢”，熱電偶的兩個結(jié)，熱電偶的兩個結(jié) 點，一個稱為測量端（工作端或熱端），點，一個稱為測量端（工作端或熱端）， 另一個稱為參考端（自由端或冷

4、端）。另一個稱為參考端（自由端或冷端）。 n一部分是兩種導(dǎo)體的接觸電勢，另一部一部分是兩種導(dǎo)體的接觸電勢，另一部 分是單一導(dǎo)體的溫差電勢。分是單一導(dǎo)體的溫差電勢。 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用8 2接觸電勢接觸電勢 n當(dāng)當(dāng)A和和B兩種不同材料的導(dǎo)體接觸時，由于兩兩種不同材料的導(dǎo)體接觸時，由于兩 者內(nèi)部單位體積的自由電子數(shù)目不同（即電子者內(nèi)部單位體積的自由電子數(shù)目不同（即電子 密度不同），因此，電子在兩個方向上擴散的密度不同），因此，電子在兩個方向上擴散的 速率就不一樣。速率就不一樣。 n。假設(shè)導(dǎo)體。假設(shè)導(dǎo)體A的自由電子密度大于導(dǎo)體的自由電子密度大于導(dǎo)體B的自的自 由電子密度，則導(dǎo)

5、體由電子密度，則導(dǎo)體A擴散到導(dǎo)體擴散到導(dǎo)體B的電子數(shù)的電子數(shù) 要比導(dǎo)體要比導(dǎo)體B擴散到導(dǎo)體擴散到導(dǎo)體A的電子數(shù)大。所以導(dǎo)的電子數(shù)大。所以導(dǎo) 體體A失去電子帶正電荷，導(dǎo)體失去電子帶正電荷，導(dǎo)體B得到電子帶負得到電子帶負 電荷。于是，在電荷。于是，在A、B兩導(dǎo)體的接觸界面上便兩導(dǎo)體的接觸界面上便 形成一個由形成一個由A到到B的電場的電場 。 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用9 熱電動勢示意圖熱電動勢示意圖 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用10 形成機理形成機理 n該電場的方向與擴散進行的方向相反，它將引該電場的方向與擴散進行的方向相反，它將引 起反方向的電子轉(zhuǎn)移，阻礙擴散作用的

6、繼續(xù)進起反方向的電子轉(zhuǎn)移，阻礙擴散作用的繼續(xù)進 行。當(dāng)擴散作用與阻礙擴散作用相等時，即自行。當(dāng)擴散作用與阻礙擴散作用相等時，即自 導(dǎo)體導(dǎo)體A擴散到導(dǎo)體擴散到導(dǎo)體B的自由電子數(shù)與在電場作的自由電子數(shù)與在電場作 用下自導(dǎo)體用下自導(dǎo)體B到導(dǎo)體到導(dǎo)體A的自由電子數(shù)相等時，的自由電子數(shù)相等時， 便處于一種動態(tài)平衡狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，便處于一種動態(tài)平衡狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，A 與與B兩導(dǎo)體的接觸處產(chǎn)生了電位差，稱為接觸兩導(dǎo)體的接觸處產(chǎn)生了電位差，稱為接觸 電勢。接觸電勢的大小與導(dǎo)體材料、結(jié)點的溫電勢。接觸電勢的大小與導(dǎo)體材料、結(jié)點的溫 度有關(guān)，與導(dǎo)體的直徑、長度及幾何形狀無關(guān)。度有關(guān)，與導(dǎo)體的直徑、長度及幾

7、何形狀無關(guān)。 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用11 接觸電勢大小接觸電勢大小 A AB B ( )ln nkT eT en （5-1） 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用12 3溫差電動勢溫差電動勢 n將某一導(dǎo)體兩端分別置于不同的溫度場將某一導(dǎo)體兩端分別置于不同的溫度場T、 T0中，在導(dǎo)體內(nèi)部，熱端自由電子具有中，在導(dǎo)體內(nèi)部，熱端自由電子具有 較大的動能，向冷端移動，從而使熱端較大的動能，向冷端移動，從而使熱端 失去電子帶正電荷，冷端得到電子帶負失去電子帶正電荷，冷端得到電子帶負 電荷。這樣，導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生了一個由電荷。這樣，導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生了一個由 熱端指向冷端的靜電場，該靜

8、電場阻止熱端指向冷端的靜電場，該靜電場阻止 電子從熱端向冷端移動，最后達到動態(tài)電子從熱端向冷端移動，最后達到動態(tài) 平衡。這樣，導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生了電勢，平衡。這樣，導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生了電勢， 我們稱為溫差電動勢。我們稱為溫差電動勢。 0 A0A ()d T T e T TT 、 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用13 4熱電偶的電勢熱電偶的電勢 n設(shè)導(dǎo)體設(shè)導(dǎo)體A、B組成熱電偶的兩結(jié)點溫度分組成熱電偶的兩結(jié)點溫度分 別為別為T和和T0，熱電偶回路所產(chǎn)生的總電，熱電偶回路所產(chǎn)生的總電 動勢，動勢， 在熱電偶回路中接觸電動勢遠遠大于溫差電動勢，在熱電偶回路中接觸電動勢遠遠大于溫差電動勢， 所以溫差電

9、動勢可以忽略不計所以溫差電動勢可以忽略不計 AB0ABAB0A0B0 ()( )( )()()ET TeTeTe T Te T T、 AAA AB0ABAB00 BBB kkk ()( )()lnln()ln eee nTnnT ETTeTeTT nnn 、- 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用14 結(jié)論結(jié)論 n（1）如果熱電偶兩材料相同，則無論結(jié)點處）如果熱電偶兩材料相同，則無論結(jié)點處 的溫度如何，總電勢為的溫度如何，總電勢為0。 n（2）如果兩結(jié)點處的溫度相同，盡管）如果兩結(jié)點處的溫度相同，盡管A、B材材 料不同，總熱電勢為料不同，總熱電勢為0。 n（3）熱電偶熱電勢的大小，只與組

10、成熱電偶）熱電偶熱電勢的大小，只與組成熱電偶 的材料和兩結(jié)點的溫度有關(guān)，而與熱電偶的形的材料和兩結(jié)點的溫度有關(guān)，而與熱電偶的形 狀尺寸無關(guān)，當(dāng)熱電偶兩電極材料固定后，熱狀尺寸無關(guān)，當(dāng)熱電偶兩電極材料固定后，熱 電勢便是兩結(jié)點電勢差。電勢便是兩結(jié)點電勢差。 n（4）如果使冷端溫度）如果使冷端溫度0保持不變，則熱電動保持不變，則熱電動 勢便成為熱端溫度勢便成為熱端溫度的單一函數(shù)。的單一函數(shù)。 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用15 5.1.2 熱電偶的基本定律熱電偶的基本定律 n1均質(zhì)導(dǎo)體定律均質(zhì)導(dǎo)體定律 n2中間導(dǎo)體定律中間導(dǎo)體定律 n3標(biāo)準(zhǔn)電極定律標(biāo)準(zhǔn)電極定律 n4中間溫度定律中間溫度

11、定律 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用16 1均質(zhì)導(dǎo)體定律均質(zhì)導(dǎo)體定律 n由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路中，不由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路中，不 論導(dǎo)體的截面和長度如何以及各處的溫論導(dǎo)體的截面和長度如何以及各處的溫 度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢。度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢。 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用17 2中間導(dǎo)體定律中間導(dǎo)體定律 n在熱電偶中接入第在熱電偶中接入第3種均質(zhì)導(dǎo)體，只要第種均質(zhì)導(dǎo)體，只要第 3種導(dǎo)體的兩結(jié)點溫度相同，則熱電偶的種導(dǎo)體的兩結(jié)點溫度相同，則熱電偶的 熱電勢不變。熱電勢不變。 第3種導(dǎo)體接入熱電偶回路 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)

12、用18 推論推論 n熱電偶的這種性質(zhì)在實用上有很重要的熱電偶的這種性質(zhì)在實用上有很重要的 意義，它使我們可以方便地在回路中直意義，它使我們可以方便地在回路中直 接接入各種類型的顯示儀表或調(diào)節(jié)器，接接入各種類型的顯示儀表或調(diào)節(jié)器， 也可以將熱電偶的兩端不焊接而直接插也可以將熱電偶的兩端不焊接而直接插 入液態(tài)金屬中或直接焊在金屬表面測量。入液態(tài)金屬中或直接焊在金屬表面測量。 n推論：在熱電偶中接入第推論：在熱電偶中接入第4、5種導(dǎo)種導(dǎo) 體，只要保證插入導(dǎo)體的兩結(jié)點溫度相體，只要保證插入導(dǎo)體的兩結(jié)點溫度相 同，且是均質(zhì)導(dǎo)體，則熱電偶的熱電勢同，且是均質(zhì)導(dǎo)體，則熱電偶的熱電勢 仍不變。仍不變。 202

13、1-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用19 3標(biāo)準(zhǔn)電極定律標(biāo)準(zhǔn)電極定律 n已知熱電極已知熱電極A、B分別與標(biāo)準(zhǔn)電極分別與標(biāo)準(zhǔn)電極C組成組成 熱電偶在結(jié)點溫度為（熱電偶在結(jié)點溫度為（T，T0）時的熱）時的熱 電動勢分別為和，則在相同溫度下，由電動勢分別為和，則在相同溫度下，由A、 B兩種熱電極配對后的熱電動勢為兩種熱電極配對后的熱電動勢為 000 ( ,)( ,)( ,) ABACBC ET TET TET T 三種導(dǎo)體分別組成的熱電偶 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用20 例例1 已知鉑銠已知鉑銠30-鉑熱電偶的鉑熱電偶的EAC（1 084.5,0） =13.937（mV），鉑銠），鉑

14、銠6-鉑熱電偶的鉑熱電偶的 EBC（1 084.5,0）=8.354（mV）。求）。求 鉑銠鉑銠30-鉑銠鉑銠6在相同溫度條件下的熱電動在相同溫度條件下的熱電動 勢。勢。 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用21 解：解： n由標(biāo)準(zhǔn)電極定律可知，由標(biāo)準(zhǔn)電極定律可知， nEAB（1 084.5,0）=EAC（1 084.5,0） EBC（1 084.5,0） =13.9378.354=5.583（mV） 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用22 4中間溫度定律中間溫度定律 n熱電偶在兩結(jié)點溫度分別為熱電偶在兩結(jié)點溫度分別為T、T0時的熱時的熱 電勢等于該熱電偶在結(jié)點溫度為電勢等于該熱

15、電偶在結(jié)點溫度為T、Tn和和 Tn、T0相應(yīng)熱電勢的代數(shù)和，相應(yīng)熱電勢的代數(shù)和， n定律是參考端溫度計算修正法的理論依定律是參考端溫度計算修正法的理論依 據(jù)據(jù) n AB0ABAB0 ( ,)( ,)(,) nn ET TET TET T 熱電偶中間溫度定律示意圖 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用23 例例2 n鎳鉻鎳鉻-鎳硅熱電偶，工作時其自由端溫度鎳硅熱電偶，工作時其自由端溫度 為為30，測得熱電勢為，測得熱電勢為39.17mV，求被，求被 測介質(zhì)的實際溫度。測介質(zhì)的實際溫度。 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用24 解：解： n由由t0=0，查鎳鉻，查鎳鉻-鎳硅熱電偶分度

16、表，鎳硅熱電偶分度表， E（30，0）=1.2mV，又知，又知E（t，30） =39.17mV n所以所以E（t，0）= E（30，0）+E（t， 30）=1.2mV+39.17mV=40.37mV。 n再用再用40.37mV反查分度表得反查分度表得977，即，即 被測介質(zhì)的實際溫度。被測介質(zhì)的實際溫度。 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用25 5.2熱電偶的結(jié)構(gòu)形式及材料熱電偶的結(jié)構(gòu)形式及材料 n5.2.1熱電偶的基本結(jié)構(gòu)形式熱電偶的基本結(jié)構(gòu)形式 n5.2.2熱電偶材料熱電偶材料 n5.2.3常用熱電偶常用熱電偶 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用26 5.2.1熱電偶的基本

17、結(jié)構(gòu)形式熱電偶的基本結(jié)構(gòu)形式 n熱電偶的結(jié)構(gòu)形式有普通型熱電偶、鎧熱電偶的結(jié)構(gòu)形式有普通型熱電偶、鎧 裝型熱電偶和薄膜熱電偶等。裝型熱電偶和薄膜熱電偶等。 n熱電偶的種類雖然很多，但通常由金屬熱電偶的種類雖然很多，但通常由金屬 熱電極、絕緣子、保護套管及接線裝置熱電極、絕緣子、保護套管及接線裝置 等部分組成。等部分組成。 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用27 1普通型熱電偶普通型熱電偶 n普通型結(jié)構(gòu)熱電偶工業(yè)上使用最多，它普通型結(jié)構(gòu)熱電偶工業(yè)上使用最多，它 一般由熱電極、絕緣套管、保護管和接一般由熱電極、絕緣套管、保護管和接 線盒組成。線盒組成。 n普通型熱電偶按其安裝時的連接形式可

18、普通型熱電偶按其安裝時的連接形式可 分為固定螺紋連接、固定法蘭連接、活分為固定螺紋連接、固定法蘭連接、活 動法蘭連接、無固定裝置等多種形式。動法蘭連接、無固定裝置等多種形式。 普通型熱電偶結(jié)構(gòu)圖 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用28 普通裝配型熱電偶的 外形 安裝安裝 螺紋螺紋 安裝安裝 法蘭法蘭 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用29 普通裝配型熱 電偶的 結(jié)構(gòu)放大圖 接線 盒 引出線套管引出線套管 固定螺紋固定螺紋 （出廠時用塑料包裹）（出廠時用塑料包裹） 熱電偶工作端（熱端）熱電偶工作端（熱端） 不銹鋼不銹鋼保護管保護管 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用30

19、2鎧裝型熱電偶鎧裝型熱電偶 n鎧裝型熱電偶又稱套管熱電偶。它是由鎧裝型熱電偶又稱套管熱電偶。它是由 熱電偶絲、絕緣材料和金屬套管三者經(jīng)熱電偶絲、絕緣材料和金屬套管三者經(jīng) 拉伸加工而成的堅實組合體拉伸加工而成的堅實組合體 . n它可以做得很細很長，使用中隨需要能它可以做得很細很長，使用中隨需要能 任意彎曲。鎧裝型熱電偶的主要優(yōu)點是任意彎曲。鎧裝型熱電偶的主要優(yōu)點是 測溫端熱容量小，動態(tài)響應(yīng)快，機械強測溫端熱容量小，動態(tài)響應(yīng)快，機械強 度高，撓性好，可安裝在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝度高，撓性好，可安裝在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝 置上，因此被廣泛用在許多工業(yè)部門中。置上，因此被廣泛用在許多工業(yè)部門中。 2021-4-23第

20、5章熱電偶傳感器及應(yīng)用31 鎧裝型熱電偶結(jié)構(gòu)鎧裝型熱電偶結(jié)構(gòu) 1接線盒 2金屬套管 3固定裝置 4絕緣材料 5熱電極 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用32 鎧裝型熱電偶外形 法蘭 鎧裝型熱電偶可鎧裝型熱電偶可 長達上百米長達上百米 薄壁金屬薄壁金屬 保護套管保護套管 （鎧體）（鎧體） BA 絕緣絕緣 材料材料 鎧裝型熱電偶鎧裝型熱電偶 橫截面橫截面 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用33 3薄膜熱電偶薄膜熱電偶 n用真空蒸鍍（或真空濺射）、化學(xué)涂層等工藝，用真空蒸鍍（或真空濺射）、化學(xué)涂層等工藝， 將熱電極材料沉積在絕緣基板上形成的一層金將熱電極材料沉積在絕緣基板上形成的一層

21、金 屬薄膜。熱電偶測量端既小又?。ê穸瓤蛇_屬薄膜。熱電偶測量端既小又?。ê穸瓤蛇_ 0.010.1 m），因而熱慣性小，反應(yīng)快，可），因而熱慣性小，反應(yīng)快，可 用于測量瞬變的表面溫度和微小面積上的溫度。用于測量瞬變的表面溫度和微小面積上的溫度。 n其結(jié)構(gòu)有片狀、針狀和把熱電極材料直接蒸鍍其結(jié)構(gòu)有片狀、針狀和把熱電極材料直接蒸鍍 在被測表面上等在被測表面上等3種。所用的電極類型有鐵種。所用的電極類型有鐵-康康 銅、鐵鎳、銅銅、鐵鎳、銅-康銅、鎳鉻康銅、鎳鉻-鎳硅等。測溫范圍鎳硅等。測溫范圍 為為200300。 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用34 鐵鐵-鎳薄膜熱電偶結(jié)構(gòu)鎳薄膜熱電偶結(jié)構(gòu)

22、1測量接點 2鐵膜 3鐵絲 4鎳絲 5接頭夾具 6鎳膜 7襯架 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用35 4表面熱電偶表面熱電偶 n表面熱電偶是用來測量各種狀態(tài)的固體表面熱電偶是用來測量各種狀態(tài)的固體 表面溫度的，如測量軋輥、金屬塊、爐表面溫度的，如測量軋輥、金屬塊、爐 壁、橡膠筒和渦輪葉片等表面溫度。壁、橡膠筒和渦輪葉片等表面溫度。 n此外還有測量氣流溫度的熱電偶、浸入此外還有測量氣流溫度的熱電偶、浸入 式熱電偶等。式熱電偶等。 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用36 5.2.2熱電偶材料熱電偶材料 n1對熱電極材料的一般要求對熱電極材料的一般要求 n2電極材料的分類電極材料的

23、分類 n3絕緣材料絕緣材料 n4保護管材料保護管材料 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用37 1對熱電極材料的一般要求對熱電極材料的一般要求 n（1）配對的熱電偶應(yīng)有較大的熱電勢，并且）配對的熱電偶應(yīng)有較大的熱電勢，并且 熱電勢對溫度盡可能有良好的線性關(guān)系。熱電勢對溫度盡可能有良好的線性關(guān)系。 n（2）能在較寬的溫度范圍內(nèi)應(yīng)用，并且在長）能在較寬的溫度范圍內(nèi)應(yīng)用，并且在長 時間工作后，不會發(fā)生明顯的化學(xué)及物理性能時間工作后，不會發(fā)生明顯的化學(xué)及物理性能 的變化。的變化。 n（3）電阻溫度系數(shù)小，電導(dǎo)率高。）電阻溫度系數(shù)小，電導(dǎo)率高。 n（4）易于復(fù)制，工藝性與互換性好，便于制）易于復(fù)制

24、，工藝性與互換性好，便于制 定統(tǒng)一的分度表，材料要有一定的韌性，焊接定統(tǒng)一的分度表，材料要有一定的韌性，焊接 性能好，以利于制作。性能好，以利于制作。 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用38 2電極材料的分類電極材料的分類 n（1）一般金屬，如鎳鉻）一般金屬，如鎳鉻-鎳硅，銅鎳硅，銅-鎳銅，鎳銅， 鎳鉻鎳鉻-鎳鋁，鎳鉻鎳鋁，鎳鉻-考銅等?？笺~等。 n（2）貴金屬，這類熱電偶材料主要是由）貴金屬，這類熱電偶材料主要是由 鉑、銥、銠、釕、鋨及其合金組成，如鉑、銥、銠、釕、鋨及其合金組成，如 鉑鐒鉑鐒-鉑、銥銠鉑、銥銠-銥等。銥等。 n（3）難熔金屬，這類熱電偶材料系由鎢、）難熔金屬，這類熱

25、電偶材料系由鎢、 鉬、鈮、錸、鋯等難熔金屬及其合金組鉬、鈮、錸、鋯等難熔金屬及其合金組 成，如鎢錸成，如鎢錸-鎢錸、鉑銠鎢錸、鉑銠-鉑銠等熱電偶。鉑銠等熱電偶。 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用39 3絕緣材料絕緣材料 n熱電偶測溫時，除測量端以外，熱電極熱電偶測溫時，除測量端以外，熱電極 之間和連接導(dǎo)線之間均要求有良好的電之間和連接導(dǎo)線之間均要求有良好的電 絕緣，否則會有熱電勢損耗而產(chǎn)生測量絕緣，否則會有熱電勢損耗而產(chǎn)生測量 誤差，甚至無法測量誤差，甚至無法測量 n（1）有機絕緣材料。）有機絕緣材料。 n（2）無機絕緣材料。）無機絕緣材料。 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)

26、用40 4保護管材料要求保護管材料要求 n（1）氣密性好，可有效地防止有害介質(zhì)）氣密性好，可有效地防止有害介質(zhì) 深入而腐蝕結(jié)點和熱電極。深入而腐蝕結(jié)點和熱電極。 n（2）應(yīng)有足夠的強度及剛度，耐振、耐）應(yīng)有足夠的強度及剛度，耐振、耐 熱沖擊。熱沖擊。 n（3）物理化學(xué)性能穩(wěn)定，在長時間工作）物理化學(xué)性能穩(wěn)定，在長時間工作 中不至于介質(zhì)、絕緣材料和熱電極互相中不至于介質(zhì)、絕緣材料和熱電極互相 作用，也不產(chǎn)生對熱電極有害的氣體。作用，也不產(chǎn)生對熱電極有害的氣體。 n（4）導(dǎo)熱性能好，使結(jié)點與被測介質(zhì)有）導(dǎo)熱性能好，使結(jié)點與被測介質(zhì)有 良好的熱接觸。良好的熱接觸。 2021-4-23第5章熱電偶傳感

27、器及應(yīng)用41 5.2.3常用熱電偶常用熱電偶 n熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶 2種類型。種類型。 n標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶是指國家已經(jīng)定型批量生產(chǎn)的熱標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶是指國家已經(jīng)定型批量生產(chǎn)的熱 電偶；電偶； n非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶是指特殊用途試生產(chǎn)的熱電偶，非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶是指特殊用途試生產(chǎn)的熱電偶， 非標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶包括鉑銠系、銥銠系及鎢錸系非標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶包括鉑銠系、銥銠系及鎢錸系 熱電偶等。熱電偶等。 n目前工業(yè)上常用的有目前工業(yè)上常用的有4種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，即鉑種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，即鉑 銠銠30-鉑銠鉑銠6，鉑銠，鉑銠10-鉑，鎳鉻鉑，鎳鉻-鎳硅和鎳鉻鎳硅和鎳鉻-

28、銅銅 鎳（我國通常稱為鎳鉻鎳（我國通常稱為鎳鉻-康銅）熱電偶?？点~）熱電偶。 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用42 1標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶 n從從1988年年1月月1日起，我國熱電偶和熱日起，我國熱電偶和熱 電阻的生產(chǎn)全部按國際電工委員會（電阻的生產(chǎn)全部按國際電工委員會（IEC） 的標(biāo)準(zhǔn)，并指定的標(biāo)準(zhǔn)，并指定S、B、E、K、R、J、T 7種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計型熱電種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計型熱電 偶。偶。 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用43 2非標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶非標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶 n（1）銥和銥合金熱電偶）銥和銥合金熱電偶 n如銥如銥50銠銠-銥銥10釕、銥銠釕、銥

29、銠40-銥、銥銠銥、銥銠60-銥熱電偶。銥熱電偶。 它能在氧化環(huán)境中測量高達它能在氧化環(huán)境中測量高達2 100的高溫，且熱電的高溫，且熱電 動勢與溫度關(guān)系線性好。動勢與溫度關(guān)系線性好。 n（2）鎢錸熱電偶）鎢錸熱電偶 n60年代發(fā)展起來的，是目前一種較好的高溫?zé)犭娕迹甏l(fā)展起來的，是目前一種較好的高溫?zé)犭娕迹?可使用在真空惰性氣體介質(zhì)或氫氣介質(zhì)中，但高溫抗可使用在真空惰性氣體介質(zhì)或氫氣介質(zhì)中，但高溫抗 氧能力差。氧能力差。 n國產(chǎn)鎢錸國產(chǎn)鎢錸3-鎢錸鎢錸25、鎢錸、鎢錸-鎢錸鎢錸20熱電偶使用溫度范熱電偶使用溫度范 圍在圍在3002 000，分度精度為，分度精度為1%。主要用于鋼水。主要用于

30、鋼水 連續(xù)測溫、反應(yīng)堆測溫等場合。連續(xù)測溫、反應(yīng)堆測溫等場合。 n（3）金鐵）金鐵-鎳鉻熱電偶主要用在低溫測量，可在鎳鉻熱電偶主要用在低溫測量，可在2 273K范圍內(nèi)使用，靈敏度約為范圍內(nèi)使用，靈敏度約為10 V/。 n（4）鈀）鈀-鉑銥鉑銥15熱電偶熱電偶 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用44 5.3熱電偶實用測溫線路和溫度補償熱電偶實用測溫線路和溫度補償 n1測量某點溫度的基本電路測量某點溫度的基本電路 n2測量溫度之和測量溫度之和熱電偶串聯(lián)測量線路熱電偶串聯(lián)測量線路 n3測量平均溫度測量平均溫度熱電偶并聯(lián)測量線路熱電偶并聯(lián)測量線路 n4測量兩點之間的溫度差測量兩點之間的溫度差

31、5.3.1 熱電偶實用測溫線路熱電偶實用測溫線路 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用45 1測量某點溫度的基本電路測量某點溫度的基本電路 n基本測量電路包括熱電偶、補償導(dǎo)線、基本測量電路包括熱電偶、補償導(dǎo)線、 冷端補償器、連接用銅線、動圈式顯示冷端補償器、連接用銅線、動圈式顯示 儀表。儀表。 熱電偶基本測量電路 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用46 2測量溫度之和測量溫度之和熱電偶串聯(lián)測熱電偶串聯(lián)測 量線路量線路 n將將N支相同型號的熱電偶正負極依次相聯(lián)支相同型號的熱電偶正負極依次相聯(lián) 接接 n若若N支熱電偶的各熱電勢分別為支熱電偶的各熱電勢分別為E1、E2、 E3、EN，則

32、總電勢為，則總電勢為 n=E1+ E2+ E3+ EN= NE n串聯(lián)線路的總熱電勢為串聯(lián)線路的總熱電勢為E的的N倍，所對應(yīng)倍，所對應(yīng) 的溫度可由的溫度可由t關(guān)系求得，也可根據(jù)平均關(guān)系求得，也可根據(jù)平均 熱電勢熱電勢E在相應(yīng)的分度表上查對。在相應(yīng)的分度表上查對。 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用47 熱電偶串聯(lián)測量線路熱電偶串聯(lián)測量線路 n串聯(lián)線路的主要優(yōu)點是熱電勢大，精度比串聯(lián)線路的主要優(yōu)點是熱電勢大，精度比 單支高；主要缺點是只要有一支熱電偶斷開，單支高；主要缺點是只要有一支熱電偶斷開， 整個線路就不能工作，個別短路會引起示值整個線路就不能工作，個別短路會引起示值 顯著偏低。顯著

33、偏低。 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用48 3測量平均溫度測量平均溫度熱電偶并聯(lián)測熱電偶并聯(lián)測 量線路量線路 n將將N支相同型號熱電偶的正負極分別連在支相同型號熱電偶的正負極分別連在 一起，如圖一起，如圖5-11所示。所示。 n如果如果N支熱電偶的電阻值相等，則并聯(lián)電支熱電偶的電阻值相等，則并聯(lián)電 路總熱電勢等于路總熱電勢等于N支熱電偶的平均值，即支熱電偶的平均值，即 n=（E1+E2+E3+EN）/N 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用49 熱電偶并聯(lián)測量線路熱電偶并聯(lián)測量線路 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用50 4測量兩點之間的溫度差測量兩點之間的溫度差 n

34、實際工作中常需要測量兩處的溫差，可實際工作中常需要測量兩處的溫差，可 選用兩種方法測溫差，一種是兩支熱電選用兩種方法測溫差，一種是兩支熱電 偶分別測量兩處的溫度，然后求算溫差；偶分別測量兩處的溫度，然后求算溫差； 另一種是將兩支同型號的熱電偶反串聯(lián)另一種是將兩支同型號的熱電偶反串聯(lián) 接，直接測量溫差電勢，然后求算溫差，接，直接測量溫差電勢，然后求算溫差， 如圖如圖5-12所示。前一種測量較后一種測所示。前一種測量較后一種測 量精度差，對于要求精確的小溫差測量，量精度差，對于要求精確的小溫差測量， 應(yīng)采用后一種測量方法。應(yīng)采用后一種測量方法。 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用51 溫差

35、測量線路溫差測量線路 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用52 5.3.2 熱電偶的溫度補償熱電偶的溫度補償 n熱電偶產(chǎn)生的熱電勢與兩端溫度有關(guān)。熱電偶產(chǎn)生的熱電勢與兩端溫度有關(guān)。 只有將冷端的溫度恒定，熱電勢才是熱只有將冷端的溫度恒定，熱電勢才是熱 端溫度的單值函數(shù)。由于熱電偶分度表端溫度的單值函數(shù)。由于熱電偶分度表 是以冷端溫度為是以冷端溫度為0時作出的，因此在使時作出的，因此在使 用時要正確反映熱端溫度，最好設(shè)法使用時要正確反映熱端溫度，最好設(shè)法使 冷端溫度恒為冷端溫度恒為0。 n實際應(yīng)用中，熱電偶的冷端通?？拷粚嶋H應(yīng)用中，熱電偶的冷端通?？拷?測對象，且受到周圍環(huán)境溫度的影響

36、，測對象，且受到周圍環(huán)境溫度的影響， 其溫度不是恒定不變的。其溫度不是恒定不變的。 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用53 1冷端恒溫法冷端恒溫法 n（1）0恒溫法恒溫法 在實驗室及精密測量中，通在實驗室及精密測量中，通 常把參考端放入裝滿冰水混合物的容器中，以常把參考端放入裝滿冰水混合物的容器中，以 便參考端溫度保持便參考端溫度保持0，這種方法又稱冰浴法。，這種方法又稱冰浴法。 n（2）其他恒溫法）其他恒溫法 將熱電偶的冷端置于各種恒將熱電偶的冷端置于各種恒 溫器內(nèi)，使之保持恒定溫度，避免由于環(huán)境溫溫器內(nèi)，使之保持恒定溫度，避免由于環(huán)境溫 度的波動而引入誤差。這類恒溫器可以是盛有度的

37、波動而引入誤差。這類恒溫器可以是盛有 變壓器油的容器，利用變壓器油的熱惰性恒溫，變壓器油的容器，利用變壓器油的熱惰性恒溫， 也可以是電加熱的恒溫器，這類恒溫器的溫度也可以是電加熱的恒溫器，這類恒溫器的溫度 不為不為0，故最后還需對熱電偶進行冷端修正。，故最后還需對熱電偶進行冷端修正。 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用54 2補償導(dǎo)線法補償導(dǎo)線法 n補償導(dǎo)線的作用是將熱電偶的冷端延長補償導(dǎo)線的作用是將熱電偶的冷端延長 到溫度相對穩(wěn)定的地方。只有當(dāng)冷端溫到溫度相對穩(wěn)定的地方。只有當(dāng)冷端溫 度恒定時，產(chǎn)生的熱電勢才與熱端溫度度恒定時，產(chǎn)生的熱電勢才與熱端溫度 成單值函數(shù)關(guān)系。成單值函數(shù)關(guān)系

38、。 n所謂補償導(dǎo)線，實際上是一對材料化學(xué)所謂補償導(dǎo)線，實際上是一對材料化學(xué) 成分不同的導(dǎo)線，在成分不同的導(dǎo)線，在01 500溫度范溫度范 圍內(nèi)與配接的熱電偶有一致的熱電特性，圍內(nèi)與配接的熱電偶有一致的熱電特性， 價格相對要便宜。價格相對要便宜。 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用55 補償導(dǎo)線連接示意圖補償導(dǎo)線連接示意圖 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用56 使用補償導(dǎo)線必須注意以下幾個使用補償導(dǎo)線必須注意以下幾個 問題。問題。 n（1）兩根補償導(dǎo)線與兩個熱電極的結(jié)點）兩根補償導(dǎo)線與兩個熱電極的結(jié)點 必須具有相同的溫度。必須具有相同的溫度。 n（2）只能與相應(yīng)型號的熱電偶配用

39、，而）只能與相應(yīng)型號的熱電偶配用，而 且必須滿足工作范圍。且必須滿足工作范圍。 n（3）極性切勿接反，常用補償導(dǎo)線負極）極性切勿接反，常用補償導(dǎo)線負極 的顏色均為白色。的顏色均為白色。 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用57 3計算修正法計算修正法 n兩種方法解決了一個問題，即設(shè)法使熱兩種方法解決了一個問題，即設(shè)法使熱 電偶的冷端溫度恒定。但是，冷端溫度電偶的冷端溫度恒定。但是，冷端溫度 并非一定為并非一定為0，所以測出的熱電勢還是，所以測出的熱電勢還是 不能正確反映熱端的實際溫度。為此，不能正確反映熱端的實際溫度。為此， 必須對溫度進行修正。必須對溫度進行修正。 AB0AB1AB0

40、( ,)( , )( ,)Et tEt tEt t 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用58 例例3 n用鎳鉻用鎳鉻-鎳硅熱電偶測某一水池內(nèi)水的溫鎳硅熱電偶測某一水池內(nèi)水的溫 度，測出的熱電動勢為度，測出的熱電動勢為2.436mV。再用。再用 溫度計測出環(huán)境溫度為溫度計測出環(huán)境溫度為30（且恒定），（且恒定）， 求池水的真實溫度。求池水的真實溫度。 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用59 解：解： n由鎳鉻由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表查出鎳硅熱電偶分度表查出 nE(30，0)= 1.203mV n所以所以E(T，0)= E(T，30)+E(30，0) n=2.436mV+1.203m

41、V=3.639mV n查分度表知其對應(yīng)的實際溫度為查分度表知其對應(yīng)的實際溫度為T=88， 即池水的真實溫度是即池水的真實溫度是88。 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用60 4電橋補償法電橋補償法 n計算修正法雖然很精確，但不適合連續(xù)計算修正法雖然很精確，但不適合連續(xù) 測溫，為此，有些儀表的測溫線路中帶測溫，為此，有些儀表的測溫線路中帶 有補償電橋，利用不平衡電橋產(chǎn)生的電有補償電橋，利用不平衡電橋產(chǎn)生的電 勢補償熱電偶因冷端溫度波動引起的熱勢補償熱電偶因冷端溫度波動引起的熱 電勢的變化。電勢的變化。 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用61 電橋補償電路電橋補償電路 n在橋路設(shè)計

42、時，使在橋路設(shè)計時，使 R1=R2，并且，并且R1、R2 的阻值要比橋路中其他的阻值要比橋路中其他 電阻大得多。這樣，即電阻大得多。這樣，即 使電橋中其他電阻的阻使電橋中其他電阻的阻 值發(fā)生變化，左右兩橋值發(fā)生變化，左右兩橋 臂中的電流卻差不多保臂中的電流卻差不多保 持不變，從而認為其具持不變，從而認為其具 有恒流特性有恒流特性 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用62 原理原理 n回路輸出電壓回路輸出電壓U為熱電偶的熱電勢為熱電偶的熱電勢E、橋、橋 臂電阻臂電阻RCM的壓降的壓降URCM及另一橋臂電及另一橋臂電 阻阻R3的壓降的壓降UR3三者的代數(shù)和。三者的代數(shù)和。 n n當(dāng)熱電偶的熱

43、端溫度一定，冷端溫度升當(dāng)熱電偶的熱端溫度一定，冷端溫度升 高時，熱電勢將會減小。與此同時，銅高時，熱電勢將會減小。與此同時，銅 電阻電阻RCM的阻值將增大，從而使的阻值將增大，從而使URCM 增大，由此達到了補償?shù)哪康摹Ｔ龃?，由此達到了補償?shù)哪康摹?3 RCMR UEUU 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用63 自動補償?shù)臈l件自動補償?shù)臈l件 1CM eI Ra t 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用64 改進改進 nI1為流過的電流，為流過的電流，為銅電阻的溫度系數(shù)，為銅電阻的溫度系數(shù)， 一般取一般取0.0 039 1/；為熱電偶冷端溫；為熱電偶冷端溫 度的變化范圍。度的變化范

44、圍。 CM 1 1 () e R aIt 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用65 特點特點 n熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢與溫度之間的關(guān)熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢與溫度之間的關(guān) 系是非線性的，每變化系是非線性的，每變化1所產(chǎn)生的毫伏所產(chǎn)生的毫伏 數(shù)并非都相同，但補償電阻的阻值變化數(shù)并非都相同，但補償電阻的阻值變化 卻與溫度變化成線性關(guān)系。因此，這種卻與溫度變化成線性關(guān)系。因此，這種 補償方法是近似的。在實際使用時，由補償方法是近似的。在實際使用時，由 于熱電偶冷端溫度變化范圍不會太大，于熱電偶冷端溫度變化范圍不會太大， 這種補償方法常被采用。這種補償方法常被采用。 2021-4-23第5章熱電偶傳感

45、器及應(yīng)用66 5顯示儀表零位調(diào)整法顯示儀表零位調(diào)整法 n當(dāng)熱電偶通過補償導(dǎo)線連接顯示儀表時，當(dāng)熱電偶通過補償導(dǎo)線連接顯示儀表時， 如果熱電偶冷端溫度已知且恒定時，可如果熱電偶冷端溫度已知且恒定時，可 預(yù)先將有零位調(diào)整器的顯示儀表的指針預(yù)先將有零位調(diào)整器的顯示儀表的指針 從刻度的初始值調(diào)至已知的冷端溫度值從刻度的初始值調(diào)至已知的冷端溫度值 上，這時顯示儀表的示值即為被測量的上，這時顯示儀表的示值即為被測量的 實際值。實際值。 2021-4-23第5章熱電偶傳感器及應(yīng)用67 6軟件處理法軟件處理法 n計算機系統(tǒng)，不必全靠硬件進行熱電偶計算機系統(tǒng)，不必全靠硬件進行熱電偶 冷端處理。例如冷端溫度恒定但不為冷端處理。例如冷端溫度恒定但不為0 的情況，只需在采樣后加一個與冷端溫的情況，只需在采樣后加一個與冷端溫 度對應(yīng)的常數(shù)即可。度對應(yīng)的常數(shù)即可。 n對于對于T0經(jīng)常波動的情況，可利用熱敏電經(jīng)常波動的情況，可利用熱敏電 阻或其他傳感器把阻或其他傳感器把T0信號輸入計算機，信號輸入計算機， 按照運算公式設(shè)計一些程序，便能自動按照運算公式設(shè)計一些程序，便能自動 修正。修正。