第9章 溫度測量-熱電式傳感器

1、熱電式傳感器熱電式傳感器 熱電式傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為熱電式傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的裝置，在各種熱電式傳感器中，電量變化的裝置，在各種熱電式傳感器中，以把溫度轉(zhuǎn)換成電勢和電阻的方法最為普遍。以把溫度轉(zhuǎn)換成電勢和電阻的方法最為普遍。 其中最常用的是其中最常用的是熱電偶熱電偶和和熱電阻熱電阻，熱電，熱電偶是將溫度變化轉(zhuǎn)換為電勢變化，熱電阻是偶是將溫度變化轉(zhuǎn)換為電勢變化，熱電阻是把溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。這兩種熱把溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。這兩種熱電式傳感器目前已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣電式傳感器目前已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。泛的應(yīng)用。 熱電偶熱電偶 （1）熱電偶測溫

2、原理熱電偶測溫原理 A B T T0 兩種不同的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）兩種不同的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）A和和B連接連接成一個閉合回路，如圖所示。當(dāng)兩接點溫度成一個閉合回路，如圖所示。當(dāng)兩接點溫度不同時，則在該回路中就會產(chǎn)生電動勢，這不同時，則在該回路中就會產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，該電動勢稱為熱電勢，種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，該電動勢稱為熱電勢，常常也稱為塞貝克電勢。這兩種不同的導(dǎo)體常常也稱為塞貝克電勢。這兩種不同的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）的組合稱為熱電偶。（或半導(dǎo)體）的組合稱為熱電偶。 溫度高的接點稱為熱端（或測量端），溫度高的接點稱為熱端（或測量端），測溫時把它置于被測介質(zhì)中；溫度低的接點測溫時把它置于被測

3、介質(zhì)中；溫度低的接點稱為冷端（或自由端），測溫時作為參考端。稱為冷端（或自由端），測溫時作為參考端。 熱電勢由兩部分組成熱電勢由兩部分組成分別是由珀爾帖（分別是由珀爾帖（Peltier）效應(yīng)引起的接）效應(yīng)引起的接觸電勢和由湯姆遜（觸電勢和由湯姆遜（Thomson）效應(yīng)引起的）效應(yīng)引起的溫差電勢。溫差電勢。注意： 接觸電勢接觸電勢 溫差電勢溫差電勢 接觸電勢接觸電勢 是由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度是由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動勢。當(dāng)兩者接不同而在接觸處形成的電動勢。當(dāng)兩者接觸時，在接觸面上就會發(fā)生電子擴(kuò)散。其觸時，在接觸面上就會發(fā)生電子擴(kuò)散。其擴(kuò)散是由電子密度大的導(dǎo)體

4、向電子密度小擴(kuò)散是由電子密度大的導(dǎo)體向電子密度小的導(dǎo)體擴(kuò)散，在接觸處失去電子的帶正電，的導(dǎo)體擴(kuò)散，在接觸處失去電子的帶正電，得到電子的帶負(fù)電，從而形成穩(wěn)定的接觸得到電子的帶負(fù)電，從而形成穩(wěn)定的接觸電勢。電勢。 溫差電勢溫差電勢 是指一種導(dǎo)體因兩端溫度不等而產(chǎn)生是指一種導(dǎo)體因兩端溫度不等而產(chǎn)生的一種熱電勢。同一種導(dǎo)體兩端溫度不同的一種熱電勢。同一種導(dǎo)體兩端溫度不同時，高溫端比低溫端具有更大的自由電子時，高溫端比低溫端具有更大的自由電子能量，因此從高溫端擴(kuò)散到低溫端的電子能量，因此從高溫端擴(kuò)散到低溫端的電子數(shù)比低溫端擴(kuò)散到高溫端的電子數(shù)大，結(jié)數(shù)比低溫端擴(kuò)散到高溫端的電子數(shù)大，結(jié)果高溫端失去電子帶正

5、電，低溫端獲得電果高溫端失去電子帶正電，低溫端獲得電子帶負(fù)電，從而在導(dǎo)體兩端形成一個電勢子帶負(fù)電，從而在導(dǎo)體兩端形成一個電勢差，稱為溫差電勢。差，稱為溫差電勢。 導(dǎo)體導(dǎo)體與與組成熱電偶閉合回路時，熱電組成熱電偶閉合回路時，熱電偶中總的熱電勢為偶中總的熱電勢為),()(),()(),(0000TTETETTETETTEBABAABAB 在總熱電勢中，溫差電勢跟接觸電勢相在總熱電勢中，溫差電勢跟接觸電勢相比小得多，故可忽略不計，從而熱電勢可表比小得多，故可忽略不計，從而熱電勢可表示為示為 )()(),(00TETETTEABABAB 對于實際中利用熱電偶測溫時，對于實際中利用熱電偶測溫時，其參考端

6、溫度其參考端溫度 一般是恒定的，一般是恒定的， 即即 ，則總熱電勢只與被則總熱電勢只與被測溫度成一一對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，即：測溫度成一一對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，即： 0TcTEAB)(0)()()(),(0TcTfcTETTEABAB 400 800 1200 10 30 50 70 t (oC) 熱 電 勢 (mV) 鉑 銠 鉑 LB-3 鎳 鉻 鎳 硅 EU -2 鐵 考 銅 鎳 鉻 考 銅 EA -2 各 種 熱 電 偶 的 溫 度 熱 電 勢 關(guān) 系 曲 線 實際應(yīng)用中，由于不同的熱電偶其溫度與實際應(yīng)用中，由于不同的熱電偶其溫度與熱電勢之間有不同的函數(shù)關(guān)系。一般是用實熱電勢之間有不同的函數(shù)關(guān)系。一

7、般是用實驗 方 法 來 求 取 這 個 函 數(shù) 關(guān) 系 ， 通 常 是驗 方 法 來 求 取 這 個 函 數(shù) 關(guān) 系 ， 通 常 是令令 ，然后在不同的測量端溫度，然后在不同的測量端溫度下精確地測出回路中總熱電勢，并將所測得下精確地測出回路中總熱電勢，并將所測得的結(jié)果繪成如圖所示的曲線，或列成表格的結(jié)果繪成如圖所示的曲線，或列成表格（常常稱為熱電偶分度表），以供在使用的（常常稱為熱電偶分度表），以供在使用的時候查閱。時候查閱。CTo00（2）熱電偶基本定律）熱電偶基本定律 用熱電偶測溫時，還要掌握熱電偶的用熱電偶測溫時，還要掌握熱電偶的一些基本定律。下面我們就對常用的基本一些基本定律。下面我們

8、就對常用的基本定律作一些介紹。定律作一些介紹。1）導(dǎo)體定律（均勻回路定律）導(dǎo)體定律（均勻回路定律） 化學(xué)成分相同的均質(zhì)材料組成的熱電化學(xué)成分相同的均質(zhì)材料組成的熱電偶，即使兩個接點的溫度不同，回路中的偶，即使兩個接點的溫度不同，回路中的總熱電勢也等于零。利用熱電偶的這一定總熱電勢也等于零。利用熱電偶的這一定律還可以判斷兩種導(dǎo)體材料是否相同。律還可以判斷兩種導(dǎo)體材料是否相同。 2）中間導(dǎo)體定律）中間導(dǎo)體定律 在熱電偶中接入第三種材料，只要接入在熱電偶中接入第三種材料，只要接入材料兩端的溫度相同，對熱電偶的總熱電材料兩端的溫度相同，對熱電偶的總熱電勢沒有影響。勢沒有影響。 M A B C T T0

9、 M A B B C T T0 a) b) 熱電偶中接入第三種材料 T1 注意： 如果接入第三種材料的兩端溫度如果接入第三種材料的兩端溫度不等，將會引起熱電偶回路中的總熱不等，將會引起熱電偶回路中的總熱電勢發(fā)生變化，故在利用熱電偶測溫電勢發(fā)生變化，故在利用熱電偶測溫時，一定要盡量保證接入的導(dǎo)線和儀時，一定要盡量保證接入的導(dǎo)線和儀表其在兩端接點溫度相同，否則測試表其在兩端接點溫度相同，否則測試結(jié)果會不準(zhǔn)確。結(jié)果會不準(zhǔn)確。 3）中間溫度定律）中間溫度定律 中間溫度定律 A B T T0 Tm 熱電偶熱電偶AB在接點溫度為在接點溫度為 ， 時的熱電勢等時的熱電勢等于該熱電偶在接點溫度為于該熱電偶在接

10、點溫度為 ， 和和 ，時相，時相應(yīng)的熱電勢的代數(shù)和，即應(yīng)的熱電勢的代數(shù)和，即 T0TTmT0T),(),(),(00TTETTETTEmABmABAB 該定律是參考端溫度計算修正法的理論該定律是參考端溫度計算修正法的理論依據(jù)。實際中利用熱電偶測溫時，參考端溫依據(jù)。實際中利用熱電偶測溫時，參考端溫度常常不為，可以利用熱電偶的此定律進(jìn)行度常常不為，可以利用熱電偶的此定律進(jìn)行熱電勢修正。熱電勢修正。 4 4）標(biāo)準(zhǔn)電極定律）標(biāo)準(zhǔn)電極定律 T T T T0 T0 T0 A A B B C C 標(biāo)準(zhǔn)電極定律 如果兩種導(dǎo)體分別與第三種導(dǎo)體組成如果兩種導(dǎo)體分別與第三種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢已知，就可得

11、知的熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢已知，就可得知則此兩種導(dǎo)體組成熱電偶的熱電勢。如圖則此兩種導(dǎo)體組成熱電偶的熱電勢。如圖所示，所示，AC、AB和和BC三個熱電偶，其接點三個熱電偶，其接點溫度一端為溫度一端為 ，另一端為，另一端為 ，若已知熱電，若已知熱電偶偶AB、AC所形成的熱電所形成的熱電勢勢 、 ，即，即 T0T),(0TTEAB),(0TTEAC),(),(),(000TTETTETTEBCACAB結(jié)論：結(jié)論： 由此可見，當(dāng)任一電極由此可見，當(dāng)任一電極B，C，與一與一標(biāo)準(zhǔn)電極標(biāo)準(zhǔn)電極A組成熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢為組成熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢為已知時，就可以利用上式求出這些電極按已知時，就可以利用上式求出

12、這些電極按任意組合而成熱電偶時的熱電勢。任意組合而成熱電偶時的熱電勢。 （3）常用熱電偶）常用熱電偶 根據(jù)熱電勢形成理論可知，任何根據(jù)熱電勢形成理論可知，任何不同材料的導(dǎo)體都可以組成熱電偶，不同材料的導(dǎo)體都可以組成熱電偶，但為了準(zhǔn)確可靠地測量溫度，熱電偶但為了準(zhǔn)確可靠地測量溫度，熱電偶的材料選擇必須有嚴(yán)格的要求，工程的材料選擇必須有嚴(yán)格的要求，工程上實用的熱電偶應(yīng)該線性度好、穩(wěn)定上實用的熱電偶應(yīng)該線性度好、穩(wěn)定性好、互換性強(qiáng)、響應(yīng)快，以及便于性好、互換性強(qiáng)、響應(yīng)快，以及便于加工。加工。 實際上并非所有的材料都能滿足上實際上并非所有的材料都能滿足上述要求，故目前國際上公認(rèn)的比較好的述要求，故目前

13、國際上公認(rèn)的比較好的熱電材料只有幾種。國際電工委員會熱電材料只有幾種。國際電工委員會（IEC）向世界各國推薦）向世界各國推薦8種標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。種標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。我國從我國從1988年開始采用年開始采用IEC標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)熱標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)熱電偶。目前工業(yè)上常用的有四種標(biāo)準(zhǔn)化電偶。目前工業(yè)上常用的有四種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶。熱電偶。 （4）熱電偶的結(jié)構(gòu)形式）熱電偶的結(jié)構(gòu)形式 為了適應(yīng)不同生產(chǎn)對象的測溫要求，為了適應(yīng)不同生產(chǎn)對象的測溫要求，熱電偶常見的結(jié)構(gòu)形式有普通型熱電偶、熱電偶常見的結(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。鎧裝型熱電偶和薄膜熱電偶等。 1）普通型熱電偶）普通型熱電偶 普通型熱電偶結(jié)構(gòu)的熱電偶在

14、工業(yè)上使普通型熱電偶結(jié)構(gòu)的熱電偶在工業(yè)上使用最多，它通常由熱電極加上絕緣套、保護(hù)用最多，它通常由熱電極加上絕緣套、保護(hù)套和接線盒構(gòu)成。安裝連接時，可采用螺紋套和接線盒構(gòu)成。安裝連接時，可采用螺紋或者法蘭方式連接；根據(jù)使用條件，可制成或者法蘭方式連接；根據(jù)使用條件，可制成密封式普通型或高壓固定螺紋型。密封式普通型或高壓固定螺紋型。 接 線 盒 保 護(hù) 套 絕 緣 管 熱 電 極 熱 端 普 通 型 熱 電 偶 結(jié) 構(gòu) 圖 2）鎧裝型熱電偶）鎧裝型熱電偶 所謂鎧裝型熱電偶就是在類似鎧甲保護(hù)所謂鎧裝型熱電偶就是在類似鎧甲保護(hù)作用的鎧裝套與熱電偶絲之間填充氧化鎂和作用的鎧裝套與熱電偶絲之間填充氧化鎂和

15、氧化鋁等保護(hù)物而構(gòu)成的熱電偶。這種類型氧化鋁等保護(hù)物而構(gòu)成的熱電偶。這種類型的熱電偶具有好的抗腐蝕、抗氧化和抗振性的熱電偶具有好的抗腐蝕、抗氧化和抗振性能，在目前工業(yè)測溫和控制系統(tǒng)中已得到廣能，在目前工業(yè)測溫和控制系統(tǒng)中已得到廣泛的應(yīng)用。泛的應(yīng)用。 3）薄膜熱電偶）薄膜熱電偶 薄膜熱電偶是用真空蒸鍍、化學(xué)涂層等方薄膜熱電偶是用真空蒸鍍、化學(xué)涂層等方法將熱電偶材料蒸鍍到絕緣基板上面而制成法將熱電偶材料蒸鍍到絕緣基板上面而制成的熱電偶。由于熱電偶可以做到很很?。ê竦臒犭娕?。由于熱電偶可以做到很很?。ê穸瓤蛇_(dá)度可達(dá) ），測表面溫度時不影），測表面溫度時不影響被測表面的溫度變化，其本身熱電容量小，響被

16、測表面的溫度變化，其本身熱電容量小，動態(tài)響應(yīng)快，故適合于測量微小面積和瞬時動態(tài)響應(yīng)快，故適合于測量微小面積和瞬時變化的溫度。變化的溫度。 除此之外，還有用于測量圓弧形固體表除此之外，還有用于測量圓弧形固體表面溫度的表面熱電偶和用于測量液態(tài)金屬溫面溫度的表面熱電偶和用于測量液態(tài)金屬溫度的浸入式熱電偶等。度的浸入式熱電偶等。 mm1 . 001. 0 接線盒 固定裝置 金屬套管 絕緣材料 熱電極 B B B B A A 放大 鎧裝型熱電偶結(jié)構(gòu)圖 （5）熱電偶參考端的補(bǔ)償）熱電偶參考端的補(bǔ)償 理論上，對某一熱電偶來講，熱電偶產(chǎn)理論上，對某一熱電偶來講，熱電偶產(chǎn)生的熱電勢與被測溫度應(yīng)該呈單值函數(shù)關(guān)系，

17、生的熱電勢與被測溫度應(yīng)該呈單值函數(shù)關(guān)系，但實際中參考端的溫度并不是保持恒定，而但實際中參考端的溫度并不是保持恒定，而是在緩慢變化；同時熱電偶的分度表是以冷是在緩慢變化；同時熱電偶的分度表是以冷端為零度作為基準(zhǔn)進(jìn)行分度的，而實際中參端為零度作為基準(zhǔn)進(jìn)行分度的，而實際中參考端的溫度往往并不為零度?？级说臏囟韧⒉粸榱愣?。 因此為了準(zhǔn)確獲得被測端的溫度，我們因此為了準(zhǔn)確獲得被測端的溫度，我們必須對參考端進(jìn)行修正或溫度補(bǔ)償。必須對參考端進(jìn)行修正或溫度補(bǔ)償。 工程中常見的修正或補(bǔ)償工程中常見的修正或補(bǔ)償主要有下面幾種方法。主要有下面幾種方法。 1）冷端恒溫方式）冷端恒溫方式 把冰屑和清涼的水相混合，放

18、在保溫瓶把冰屑和清涼的水相混合，放在保溫瓶中，這樣使其溫度保持在中，這樣使其溫度保持在0 0C，然后把熱電，然后把熱電偶的參考端置于其中。這時熱電偶輸出的熱偶的參考端置于其中。這時熱電偶輸出的熱電勢符合分度表的對應(yīng)關(guān)系，這種方法適合電勢符合分度表的對應(yīng)關(guān)系，這種方法適合用于實驗室。用于實驗室。 2）熱電偶導(dǎo)線補(bǔ)償）熱電偶導(dǎo)線補(bǔ)償 在工業(yè)測溫中，被測點與控制或顯示儀在工業(yè)測溫中，被測點與控制或顯示儀表之間往往有很長的距離，同時為了避免參表之間往往有很長的距離，同時為了避免參考端溫度受被測點溫度變化的影響，也需要考端溫度受被測點溫度變化的影響，也需要使熱電偶的參考端遠(yuǎn)離測量端，但是一般由使熱電偶的

19、參考端遠(yuǎn)離測量端，但是一般由于熱電偶材料較昂貴，熱電偶尺寸不能過長于熱電偶材料較昂貴，熱電偶尺寸不能過長（一般只有（一般只有1 1米左右）。為了解決這一問題，米左右）。為了解決這一問題，一般用專用導(dǎo)線把熱電偶的參考端延伸出來。一般用專用導(dǎo)線把熱電偶的參考端延伸出來。 測溫器 A B T Tc Tc T0 冷端 測溫點 補(bǔ)償導(dǎo)線 銅線 熱電偶導(dǎo)線補(bǔ)償示意圖 測量儀表 這樣，可以保證熱電偶的自由端遠(yuǎn)離工這樣，可以保證熱電偶的自由端遠(yuǎn)離工作端并被放置在溫度波動較小的地方。作端并被放置在溫度波動較小的地方。 補(bǔ)償導(dǎo)線法中，補(bǔ)償導(dǎo)線較便宜，且可補(bǔ)償導(dǎo)線法中，補(bǔ)償導(dǎo)線較便宜，且可做成普通導(dǎo)線的形式，使用方

20、便，是熱電偶做成普通導(dǎo)線的形式，使用方便，是熱電偶安裝中經(jīng)常采用的方法。安裝中經(jīng)常采用的方法。 注意：注意： 補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶配用時，需有相同的補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶配用時，需有相同的熱電特性，且有正負(fù)極之分。即補(bǔ)償導(dǎo)線的熱電特性，且有正負(fù)極之分。即補(bǔ)償導(dǎo)線的正負(fù)極應(yīng)與熱電偶的正負(fù)極相接。補(bǔ)償導(dǎo)線正負(fù)極應(yīng)與熱電偶的正負(fù)極相接。補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶接點處的溫度不應(yīng)超過與熱電偶接點處的溫度不應(yīng)超過100C，否，否則會因熱電特性不同帶來新的誤差。則會因熱電特性不同帶來新的誤差。（3） 參考端溫度自動補(bǔ)償法 工業(yè)中，常常采用參考端溫度自動補(bǔ)償工業(yè)中，常常采用參考端溫度自動補(bǔ)償法，這種方法就是在熱電偶和測量儀表間

21、接法，這種方法就是在熱電偶和測量儀表間接入一個不平衡直流電橋（也稱為溫度補(bǔ)償入一個不平衡直流電橋（也稱為溫度補(bǔ)償器），來補(bǔ)償參考端溫度不為器），來補(bǔ)償參考端溫度不為0 0或變化而引或變化而引起熱電勢的變化。當(dāng)參考端溫度升高，導(dǎo)致起熱電勢的變化。當(dāng)參考端溫度升高，導(dǎo)致回路中總電勢降低時，溫度補(bǔ)償器此時受參回路中總電勢降低時，溫度補(bǔ)償器此時受參考端的變化產(chǎn)生一個正電勢，其值正好等于考端的變化產(chǎn)生一個正電勢，其值正好等于熱電偶降低的電勢。兩者互相抵消而達(dá)到自熱電偶降低的電勢。兩者互相抵消而達(dá)到自動補(bǔ)償?shù)哪康?；反之亦然。動補(bǔ)償?shù)哪康?；反之亦然?R1 R2 RCu R3 R5 E T + - 補(bǔ)償導(dǎo)線 熱電偶參考端補(bǔ)償線路 電橋的四個橋臂分別由三個溫度系數(shù)較小電橋的四個橋臂分別由三個溫度系數(shù)較小錳銅絲繞制的電阻錳銅絲繞制的電阻 、 、 以及具有正溫度系以及具有正溫度系數(shù)且系數(shù)較大的銅絲繞制的可調(diào)電阻數(shù)且系數(shù)較大的銅絲繞制的可