自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用：第九章 熱電偶傳感器

1、第九章 熱電偶傳感器 本章介紹溫度和溫標(biāo)的基本概念、溫度測(cè)量的基本方法、熱電偶的基本工作原理、熱電偶的分類、特點(diǎn)及使用、冷端延長(zhǎng)的方法、冷端溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ê图夹g(shù)、控溫儀表的使用等。 9.1 溫度測(cè)量的基本概念9.2 熱電偶傳感器的工作原理9.3 熱電偶的種類及結(jié)構(gòu)9.4 熱電偶冷端的延長(zhǎng)9.5 熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償與 集成溫度傳感器9.6 熱電偶的應(yīng)用及配套儀表第九章 熱電偶傳感器 目錄進(jìn)入進(jìn)入進(jìn)入進(jìn)入進(jìn)入進(jìn)入 溫度是諸多物理現(xiàn)象中具有代表性的物理量，現(xiàn)代生活中準(zhǔn)確的溫度是不可缺少的信息內(nèi)容，家用電器涉及溫度測(cè)量和控制的有：電飯煲、電冰箱、空調(diào)、微波爐、電熱水器等。低溫高溫第一節(jié) 溫度測(cè)量的基

2、本概念 一、溫度測(cè)量的基本概念 溫度標(biāo)志著物質(zhì)內(nèi)部大量分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。溫度越高，表示物體內(nèi)部分子熱運(yùn)動(dòng)越劇烈。 模擬圖：在一個(gè)密閉的空間里，氣體分子在高溫時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度比低溫時(shí)快！溫度從微觀上看，是物體分子運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能大小的標(biāo)志。溫度是表征物體的冷熱程度的物理量。為了定量分析，要給給物體的冷熱程度一個(gè)定量的描述。溫標(biāo)就是以此目的而建立的。溫標(biāo)是溫度數(shù)值化的標(biāo)尺，它給出了溫度數(shù)值化的一套規(guī)則和方法，并明確了溫度的測(cè)量單位和溫度起點(diǎn)。溫標(biāo)的建立方法：借助于隨溫度變化而變化的物理量（體積、壓力、電阻和熱電動(dòng)勢(shì)等）來定義溫度數(shù)值、建立溫標(biāo)。二、溫標(biāo)二、溫標(biāo) （續(xù)）1. 溫度的數(shù)值表示方法稱為溫

3、標(biāo)。溫標(biāo)規(guī)定了溫度的讀數(shù)的起點(diǎn)（即零點(diǎn)）以及溫度的單位。各類溫度計(jì)的刻度均由溫標(biāo)確定。2. 國(guó)際上規(guī)定的溫標(biāo)有：攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)、熱力學(xué)溫標(biāo)等。 發(fā)展階段：華氏溫標(biāo)攝氏溫標(biāo)開氏溫標(biāo) 華氏溫標(biāo)規(guī)定：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下冰融點(diǎn)為32度，水沸點(diǎn)為212度，兩者中間分180格，每格為華氏1度，符號(hào)為。攝氏溫標(biāo)規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下冰融點(diǎn)為0度，水沸點(diǎn)為100度，兩者中間分100格，每格為攝氏1度，符號(hào)為。華氏溫標(biāo)與攝氏溫標(biāo)的換算關(guān)系是： 例：攝氏溫度為20時(shí)，華氏溫度為32+36=68 開氏溫標(biāo)規(guī)定，溫度不能為負(fù)值，起點(diǎn)為絕對(duì)零度，冰融點(diǎn)為273.15度，水沸點(diǎn)為373.15度，兩者中間分100格，每格為1開，

4、符號(hào)為K。 各種溫標(biāo)均有局限性，華氏溫標(biāo)和攝氏溫標(biāo)只能標(biāo)定0100 的溫度，而開氏溫標(biāo)的起點(diǎn)只是理論上存在，無(wú)法達(dá)到。溫標(biāo)的發(fā)展國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)是一種協(xié)議溫標(biāo)，用來統(tǒng)一各國(guó)之間的溫度計(jì)量。盡可能地接近熱力學(xué)（開氏）溫度； 各國(guó)均能以很高的準(zhǔn)確度復(fù)現(xiàn)同樣的溫標(biāo)；用于復(fù)現(xiàn)溫標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)使用方便、性能穩(wěn)定。第一個(gè)國(guó)際溫標(biāo)是1927年國(guó)際計(jì)量大會(huì)決定采用的，“1927國(guó)際溫標(biāo)”,后來又不斷改進(jìn)修訂，相繼有1948國(guó)際溫標(biāo)、 1968國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)和1990國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)。 目前推行的是1990年國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)ITS-90： 熱力學(xué)溫度用符號(hào)T90表示,單位為開爾文，符號(hào)為K。 攝氏溫度的符號(hào)為t90，單位是攝

5、氏度,符號(hào)為。國(guó)際實(shí)用溫標(biāo) T90和t90的關(guān)系為：t90=T90-273.15 ，或 t /=T /K-273.15 例如:攝氏溫度為0時(shí)，開爾文溫度為273.15K ITS-90國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)由三部分組成： 定義固定點(diǎn)、內(nèi)插標(biāo)準(zhǔn)儀器及內(nèi)插公式。 定義的固定點(diǎn)是指： 某些純物質(zhì)的三相點(diǎn)（氣、液、固共存）、熔點(diǎn)或凝固點(diǎn)、沸點(diǎn)這些固定點(diǎn)的指定溫度值。 固定點(diǎn)間的溫度用規(guī)定的內(nèi)插標(biāo)準(zhǔn)儀器和內(nèi)插公式來分度。 熱力學(xué)溫標(biāo)就是通過這種方法在標(biāo)準(zhǔn)儀器上來實(shí)現(xiàn)的。幾種溫標(biāo)的對(duì)比 正常體溫為37 ，相當(dāng)于華氏溫度多少度？1990國(guó)際溫標(biāo)（ITS-90） 國(guó)際溫度咨詢委員會(huì)于1989年9月通過了1990年新的國(guó)際

6、溫標(biāo)(ITS-90),并上報(bào)國(guó)際計(jì)量委員會(huì)批準(zhǔn)。這個(gè)新國(guó)際溫標(biāo)于1990年1月1日起在全世界各國(guó)開始執(zhí)行。新溫標(biāo)用“T(90)”代表熱力學(xué)溫度,其單位用 K 表示。我國(guó)的國(guó)家法定測(cè)溫標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一采用新的國(guó)際溫，簡(jiǎn)稱ITS-90。ITS-90定義了一系列溫度的固定點(diǎn)，測(cè)量和重現(xiàn)這些固定點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)儀器以及計(jì)算公式，例如水的三相點(diǎn)為273.16K（0.01）等。 熱力學(xué)溫標(biāo)（K） 熱力學(xué)溫標(biāo)是建立在熱力學(xué)第二定律基礎(chǔ)上的最科學(xué)的溫標(biāo)，是由開爾文（Kelvin）根據(jù)熱力學(xué)定律提來的，因此又稱開氏溫標(biāo)。它的符號(hào)是T，單位是開爾文（K） 。威廉湯姆遜開爾文勛爵像國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)是由各國(guó)計(jì)量部門按規(guī)定分別保持和傳遞。

7、各類溫度計(jì)在使用前均要進(jìn)行檢定。一般采用比較法進(jìn)行檢定，即：將標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)和被校溫度計(jì)同時(shí)放入檢定裝置（如各種恒溫槽和管式電爐），以標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)測(cè)定的溫度為已知，將被校溫度計(jì)的測(cè)量值與其比較，從而確定被校溫度計(jì)的準(zhǔn)確度和修正值。三、溫標(biāo)的傳遞表9-1 ITS-90定義固定點(diǎn)四、溫度測(cè)量及傳感器分類 溫度傳感器按照用途可分為基準(zhǔn)溫度計(jì)和工業(yè)溫度計(jì)；按照測(cè)量方法又可分為接觸式和非接觸式；按工作原理又可分為膨脹式、電阻式、熱電式、輻射式等等；按輸出方式分，有自發(fā)電型、機(jī)械非電測(cè)型等。 溫度傳感器應(yīng)滿足的條件：特性與溫度之間的關(guān)系要適中，并容易檢測(cè)和處理，且隨溫度基本呈線性變化；除溫度以外，特性對(duì)其它物理

8、量的靈敏度要低；特性隨時(shí)間變化要?。恢貜?fù)性好，沒有滯后和老化；靈敏度高，堅(jiān)固耐用，體積小，對(duì)檢測(cè)對(duì)象的影響要??；機(jī)械性能好，耐化學(xué)腐蝕，耐熱性能好；能大批量生產(chǎn)，價(jià)格便宜；無(wú)危險(xiǎn)性，無(wú)公害。溫度傳感器的種類及特點(diǎn): 接觸式溫度傳感器 非接觸式溫度傳感器 接觸式溫度傳感器的特點(diǎn)：傳感器直接與被測(cè)物體接觸進(jìn)行溫度測(cè)量，由于被測(cè)物體的熱量傳遞給傳感器，降低了被測(cè)物體溫度，特別是被測(cè)物體熱容量較小時(shí)，測(cè)量準(zhǔn)確度較低。因此采用這種方式要測(cè)得物體的真實(shí)溫度的前提條件是被測(cè)物體的熱容量要足夠大。 非接觸式溫度傳感器：主要是利用被測(cè)物體熱輻射而發(fā)出紅外線，從而測(cè)量物體的溫度，可進(jìn)行遙測(cè)。其制造成本較高，測(cè)量準(zhǔn)

9、確度較低。 優(yōu)點(diǎn)：不從被測(cè)物體上吸收熱量；不會(huì)干擾被測(cè)對(duì)象的溫度場(chǎng)。物理現(xiàn)象體積熱膨脹電阻變化溫差電動(dòng)勢(shì)導(dǎo)磁率變化電容變化壓電效應(yīng)超聲波傳播速度變化物質(zhì) 顏色PN結(jié)電動(dòng)勢(shì)晶體管特性變化晶閘管動(dòng)作點(diǎn)變化熱、光輻射種類鉑測(cè)溫電阻、熱敏電阻熱電偶BaSrTiO3陶瓷石英晶體振動(dòng)器超聲波溫度計(jì)示溫涂料 液晶半導(dǎo)體二極管晶體管半導(dǎo)體集成電路溫度傳感器熱敏晶閘管輻射溫度傳感器 光學(xué)高溫計(jì)1.氣體溫度計(jì) 2. 玻璃制水銀溫度計(jì)3.玻璃制有機(jī)液體溫度計(jì) 4.雙金屬溫度計(jì)5.液體壓力溫度計(jì) 6. 氣體壓力溫度計(jì)1 熱鐵氧體 2 Fe-Ni-Cu合金 溫度測(cè)量及傳感器分類 表9-2 溫度傳感器的種類及特點(diǎn)所利用的

10、物理現(xiàn)象傳 感 器 類 型測(cè) 溫 范 圍/特 點(diǎn)體 積熱 膨 脹氣體溫度計(jì)液體壓力溫度計(jì)玻璃水銀溫度計(jì)雙金屬片溫度計(jì)-2501000-200350-50350-50300 不需要電源，耐用；但感溫部件體積較大接觸熱電動(dòng)勢(shì)鎢錸熱電偶鉑銠熱電偶其他熱電偶100021002001800-2001200 自發(fā)電型，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，品種多；須進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償電 阻 的 變 化鉑熱電阻熱敏電阻-200900-50300 標(biāo)準(zhǔn)化程度高；但需要接入橋路才能得到電壓輸出PN 結(jié) 結(jié) 電 壓硅半導(dǎo)體二極管（半導(dǎo)體集成溫度傳感器）-50150 體積小，線性好，-2mV/；但測(cè)溫范圍小溫度-顏色示溫涂料示溫液晶-501

11、3000100 面積大，可得到溫度圖象；但易衰老，準(zhǔn)確度低光 輻 射熱 輻 射紅外輻射溫度計(jì)光學(xué)高溫溫度計(jì)熱釋電溫度計(jì)-501500500300001000 非接觸式測(cè)量，反應(yīng)快；但易受環(huán)境及被測(cè)體表面狀態(tài)影響介紹幾種溫度測(cè)量方法 示溫涂料（變色涂料）裝滿熱水后圖案變得清晰可辨變色陶瓷 示溫變色貼變色涂料在電腦內(nèi)部溫度中的示溫作用CPU散熱風(fēng)扇低溫時(shí)顯示藍(lán)色溫度升高后變?yōu)榧t色體積熱膨脹式 不需要電源，壽命長(zhǎng)；但感溫部件體積較大，只能抵近測(cè)量。 氣體的體積與熱力學(xué)溫度成正比紅外溫度計(jì)熱電偶測(cè)溫的主要優(yōu)點(diǎn) 1. 屬于自發(fā)電型傳感器：測(cè)量時(shí)可以不需外加電源，可直接驅(qū)動(dòng)動(dòng)圈式儀表； 2. 測(cè)溫范圍廣：

12、下限可達(dá)-270 ，上限可達(dá)1800以上； 3.各溫區(qū)中的各種熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)均符合國(guó)際計(jì)量委員會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)。熱電偶工作原理演示 結(jié)論： 當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度不相同時(shí)，回路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。 熱電極A右端稱為：自由端（參考端、冷端） 第二節(jié) 熱電偶的工作原理 左端稱為：測(cè)量端（工作端、熱端） 熱電極B熱電動(dòng)勢(shì)AB回目錄從實(shí)驗(yàn)到理論：熱電效應(yīng) 1821年，德國(guó)物理學(xué)家賽貝克用兩種不同金屬組成閉合回路，并用酒精燈加熱其中一個(gè)接觸點(diǎn)（稱為結(jié)點(diǎn)），發(fā)現(xiàn)放在回路中的指南針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。說明回路中產(chǎn)生了什么？ 1工作端 2熱電極A 2熱電極B 4指南針 5參考端 “結(jié)點(diǎn)”產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)的微觀動(dòng)畫 兩種不同的金屬互相接觸時(shí)，

13、由于不同金屬內(nèi)自由電子的密度不同，在兩金屬A和B的接觸點(diǎn)處會(huì)發(fā)生自由電子的相互擴(kuò)散現(xiàn)象。自由電子將從密度大的金屬A擴(kuò)散到密度小的金屬B，使A失去電子帶正電，B得到電子帶負(fù)電，從而產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)。 自由電子ABeAB（ T ）T熱電偶的圖形符號(hào)上圖中的接觸電動(dòng)勢(shì)eAB(T )可用下式表示式中 eAB(T) A、B兩種材料在溫度為T時(shí)的 接觸電動(dòng)勢(shì)；T接觸處的熱力學(xué)溫度；k 玻爾茲曼常數(shù)（k=1.3810-23J/K）；e 電子電荷（e =1.610-19C）；nA、nB熱電極材料A、B的自由電子密度。如果取eAB(T)的方向?yàn)檎较颍鐖D所示，則有有關(guān)熱電動(dòng)勢(shì)的幾個(gè)結(jié)論 1）如果熱電偶兩根電極材料

14、相同，即使兩端溫度不同（tt0），但總輸出熱電動(dòng)勢(shì)仍為零。因此必須由兩種不同材料才能構(gòu)成熱電偶。 2）如果熱電偶兩結(jié)點(diǎn)溫度相同，則回路總的熱電動(dòng)勢(shì)必然等于零。兩結(jié)點(diǎn)溫差越大，熱電動(dòng)勢(shì)越大。 3）式中未包含與熱電偶的尺寸形狀有關(guān)的參數(shù)，所以熱電動(dòng)勢(shì)的大小只與材料和結(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)。 如果以攝氏溫度為單位，EAB(T，T0)也可以寫成EAB(t，t0)，其物理意義雖然有所不同，但電動(dòng)勢(shì)的數(shù)值是相同的。 有關(guān)熱電偶熱電動(dòng)勢(shì)的討論 熱電偶兩結(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的總的熱電動(dòng)勢(shì)等于熱端熱電動(dòng)勢(shì)與冷端熱電動(dòng)勢(shì)之差，是兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫差t 的函數(shù)： EAB(T，T0)=eAB ( T )- eAB ( T0 ) 結(jié)論：熱電動(dòng)勢(shì)

15、大致與兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫差T或t 成正比。從實(shí)驗(yàn)到理論的討論如果用兩盞酒精燈同時(shí)加熱兩個(gè)結(jié)點(diǎn)，指南針的偏轉(zhuǎn)角反而減小。這又說明什么？ 結(jié)論：指南針的偏轉(zhuǎn)說明回路中有電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，并有電流在回路中流動(dòng)。熱電流的強(qiáng)弱與兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫差有關(guān)，而不是與單一的一端結(jié)點(diǎn)的溫度成正比。 中間導(dǎo)體定律若在熱電偶回路中插入“中間導(dǎo)體”(A、B熱電極之外的其他導(dǎo)體),只要中間導(dǎo)體兩端溫度相同,則對(duì)熱電偶回路的總熱電動(dòng)勢(shì)無(wú)影響 。1鎳銅表棒 2磷銅接插件 3銅漆包線動(dòng)圈表頭Cu純銅導(dǎo)線 HNi鎳黃銅 QSn錫磷青銅 Sn焊錫 NiMn鎳錳銅電阻絲熱電偶A、B回路插入中間導(dǎo)體C后，總的熱電動(dòng)勢(shì)為：總的熱電動(dòng)勢(shì)與C無(wú)關(guān)。同理，熱

16、電偶回路中插入多種導(dǎo)體（D、E、F），只要保證插入的每種導(dǎo)體的兩端溫度相同，則對(duì)熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)也無(wú)影響。中間導(dǎo)體定律的意義利用熱電偶來實(shí)際測(cè)溫時(shí)，連接導(dǎo)線、顯示儀表和接插件等均可看成是中間導(dǎo)體，只要保證這些中間導(dǎo)體兩端的溫度各自相同，則對(duì)熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)沒有影響。在使用熱電偶時(shí)，應(yīng)盡量使上述元器件兩端的溫度相同，才能減少測(cè)量誤差。 在放大器中，若某個(gè)電阻或集成電路引腳兩端的溫度不相同，將產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)。為了盡量減小由此產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，可以用銅質(zhì)屏蔽罩將放大電路與熱源隔離，并使罩內(nèi)各個(gè)元件兩端的溫度相同。參考電極定律已知熱電極A、B與參考電極C 組成的熱電偶在結(jié)點(diǎn)溫度為（t,t0）時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)分別

17、為EAC(t,t0)，EBC(t,t0)，則在相同溫度下，由A、B兩種熱電極配對(duì)后的熱電動(dòng)勢(shì)EAB(t,t0)： EAB（t,t0）=EAC(t，t0)EBC(t,t0)參考電極定律簡(jiǎn)化了熱電偶的選配工作。只要獲得有關(guān)熱電極與參考電極配對(duì)的熱電動(dòng)勢(shì)，那么任何兩種熱電極配對(duì)時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)均可求得，就能較快地篩選出適合需要的、性能良好的熱電偶。目前常用純鉑絲作為標(biāo)準(zhǔn)電極。第三節(jié) 熱電偶的種類及結(jié)構(gòu) 八種國(guó)際通用熱電偶： B:鉑銠30鉑銠6 、R:鉑銠13鉑 S:鉑銠10鉑 、 K:鎳鉻鎳硅 N:鎳鉻硅鎳硅 、E:鎳鉻銅鎳 J:鐵銅鎳 T:銅銅鎳 用于制造鉑熱電偶的各種熱電偶絲回目錄幾種國(guó)標(biāo)熱電偶的測(cè)

18、溫范圍及熱電動(dòng)勢(shì) 分度號(hào) 名稱 測(cè)量溫度范圍 1000熱電動(dòng)勢(shì)/ mVB鉑銠30鉑銠65018204.834R鉑銠13鉑-501768 10.506S鉑銠10鉑-501768 9.587K鎳鉻鎳硅 (鋁) -2701370 41.276E鎳鉻銅鎳 (康 銅)- 270800 5種熱電偶的測(cè)溫范圍與熱電動(dòng)勢(shì)各有什么特點(diǎn)？用途？幾種舊國(guó)標(biāo)熱電偶的分度號(hào)測(cè)溫范圍熱電偶類別舊代號(hào)舊分度號(hào)測(cè)溫范圍允許誤差鉑銠30-鉑銠6WRRLL-2或B01820800，4.08000.5%t鉑銠10-鉑WRPLB-3或S01768600，3.06000.5%t鎳鉻-鎳硅WRNEU-2或K 01370400，3.040

19、00.75%t鎳鉻-考銅鎳鉻-銅鎳WRKWRE EA-2或E0800300，3.03001.0%t幾種常用熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)與溫度的關(guān)系曲線分析 哪幾種熱電偶的測(cè)溫上限較高？ 哪幾種熱電偶的線性較差？ 哪一種熱電偶的靈敏度較高？ 哪一種熱電偶的靈敏度較低？為什么所有的曲線均過原點(diǎn)（0點(diǎn)）？鉑銠30-鉑銠6熱電偶（分度號(hào)B） 為貴金屬熱電偶。正極是鉑銠絲（鉑70%，銠30%），負(fù)極也是鉑銠絲（鉑94%，銠6%），俗稱雙鉑銠。 測(cè)量溫度最高長(zhǎng)期可達(dá)1600，短期可達(dá)1800。 優(yōu)點(diǎn)：材料性能穩(wěn)定，測(cè)量準(zhǔn)確度高，測(cè)溫上限高。 缺點(diǎn)：在還原性氣體中易被侵蝕，價(jià)昂。 鉑銠10-鉑熱電偶（分度號(hào)S）為貴金屬

20、熱電偶。正極是鉑銠絲（鉑90%，銠l0%）,負(fù)極是純鉑絲。測(cè)量溫度最高長(zhǎng)期可達(dá)1300，短期可達(dá)1700，多用于測(cè)量1000以上的高溫。優(yōu)點(diǎn)：材料性能穩(wěn)定；測(cè)量準(zhǔn)確度較高，可做成標(biāo)準(zhǔn)熱電偶或基準(zhǔn)熱電偶；抗氧化性強(qiáng)，可在氧化性、惰性氣氛中工作。缺點(diǎn)：在高溫還原性氣體中（如氣體中含C、H2等）易被侵蝕，需要用保護(hù)套管；其熱電極材料屬貴金屬，價(jià)昂，熱電動(dòng)勢(shì)靈敏度較低。 國(guó)際溫標(biāo)中規(guī)定S熱電偶為6301064溫度范圍內(nèi)復(fù)現(xiàn)溫標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)儀器。鉑銠10-鉑熱電偶（分度號(hào)R）為貴金屬熱電偶。正極是鉑銠絲（鉑87%，銠l3%）,負(fù)極是純鉑絲。測(cè)量溫度最高長(zhǎng)期可達(dá)1300，短期可達(dá)1600，多用于測(cè)量1000以上

21、的高溫。熱電動(dòng)勢(shì)與S熱電偶類似，但穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性比S型熱電偶好。國(guó)外使用較多，多用于精密測(cè)量，是今后的發(fā)展方向 。優(yōu)點(diǎn)：使用上限較高，準(zhǔn)確度高，性能穩(wěn)定，復(fù)現(xiàn)性好，抗氧化性好。缺點(diǎn)：熱電動(dòng)勢(shì)較小，不能在金屬蒸氣和還原性氣氛中使用，在高溫下連續(xù)使用時(shí)特性會(huì)逐漸變壞，價(jià)昂；鎳鉻-鎳硅（鎳鋁）熱電偶（分度號(hào)K）鎳鉻-鎳硅的正極為含鉻10%的鎳鉻合金（KP），負(fù)極為含硅3%的鎳硅合金（KN）。國(guó)已經(jīng)基本上用鎳鉻-鎳硅取代鎳鉻-鎳鋁熱電偶,兩者分度表是相同的。測(cè)溫范圍：-200+1370。優(yōu)點(diǎn)：測(cè)溫范圍較寬、熱電動(dòng)勢(shì)與溫度關(guān)系近似線性，熱電動(dòng)勢(shì)較大、價(jià)廉。是目前工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的熱電偶。測(cè)量溫度長(zhǎng)期可

22、達(dá)1000，短期可達(dá)1300。缺點(diǎn)：在300500及800左右時(shí)，短期熱循環(huán)穩(wěn)定性不好，熱電動(dòng)勢(shì)不夠穩(wěn)定，且不能用于核輻射場(chǎng)合。裸絲在還原性氣體和含有SO2、H2S等氣體中易被侵蝕。當(dāng)氧分壓較低時(shí)，鎳鉻電極中的鉻將被氧化(也稱綠蝕)，使熱電動(dòng)勢(shì)發(fā)生很大變化。因此多采用金屬制熱電偶保護(hù)管。鎳鉻硅鎳硅鎂熱電偶熱電偶（分度號(hào)N）正極（NP）為名義值13.714.7%的鉻和1.21.6%的硅，及0.01%的鎂與鎳的合金，負(fù)極（NN）為名義值4.24.6%的硅和0.51.5%的鎂及0.02%的鉻與鎳的合金。優(yōu)點(diǎn)：線性度好,熱電動(dòng)勢(shì)較大,穩(wěn)定性和均勻性比K熱電偶好。不會(huì)因磁性變化造成熱電動(dòng)勢(shì)偏離分度表，耐

23、核輻射，價(jià)廉，是一種新的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶,其綜合性能優(yōu)于K型熱電偶 。缺點(diǎn)：不能直接在高溫下用于氧化氣氛中，不適合用于真空中。 鎳鉻-銅鎳熱電偶（分度號(hào)E） 正極是鎳鉻合金，負(fù)極是銅鎳合金（銅55%，鎳45%）。測(cè)溫范圍為-200+800?？芍谱鳠犭姸?。 優(yōu)點(diǎn)：熱電動(dòng)勢(shì)較其他常用熱電偶大。適宜在氧化性或惰性氣氛中工作。多用于300左右溫度的測(cè)量。 缺點(diǎn)：測(cè)溫上限較低。鐵-銅鎳熱電偶（分度號(hào)J） 正極是鐵，負(fù)極是銅鎳合金。測(cè)溫范圍為-200+760。 優(yōu)點(diǎn)：價(jià)廉、熱電動(dòng)勢(shì)較大（僅次于E型熱電偶，約為53V/）、線性度好，可在800以下的還原介質(zhì)中使用。 缺點(diǎn)：鐵電極易氧化。 銅-銅鎳熱電偶（分度

24、號(hào)T） 正極是銅，負(fù)極是銅鎳合金，測(cè)溫范圍為-200+400，熱電動(dòng)勢(shì)高于鎳鉻-鎳硅熱電偶，約為43V/。 優(yōu)點(diǎn)：準(zhǔn)確高、復(fù)現(xiàn)性好、穩(wěn)定性好、價(jià)廉。 缺點(diǎn)：銅電易氧化，故在氧化性氣氛中使用時(shí)，一般不能超過300。 在0-100范圍內(nèi)，銅-銅鎳熱電偶已被定為三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，用以檢測(cè)低溫儀表的準(zhǔn)確度，誤差不超過0.1，年穩(wěn)定性可小于3V。幾種非標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶 銥和銥合金高溫?zé)犭娕?銥50銠-銥10釕、銥銠40-銥、銥銠60-銥熱電偶。它能在氧化環(huán)境中測(cè)量高達(dá)2100的高溫，且熱電動(dòng)勢(shì)與溫度關(guān)系線性好。 鎢錸熱電偶一種非標(biāo)高溫?zé)犭娕?，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。鎢錸3-鎢

25、錸25、鎢錸-鎢錸20熱電偶使用溫度范圍在3002000，分度準(zhǔn)確度為1。主要用于鋼水連續(xù)測(cè)溫、反應(yīng)堆測(cè)溫等場(chǎng)合。 金鐵鎳鉻熱電偶正極：Au7%與93%的Fe合金，負(fù)極90%Ni與10%Cr的合金。偶絲直徑為0.2和0.3mm。主要用于超低溫測(cè)量，可在2273K（約-2710）范圍內(nèi)使用，靈敏度約為10V。 鈀鉑銥15熱電偶 是一種高輸出熱電動(dòng)勢(shì)的熱電偶： 在1398時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)為47.255mV，比鉑銠10-鉑熱電偶在同樣溫度下的熱電動(dòng)勢(shì)高出3倍，因而可配用靈敏度較低（需要較大輸入電動(dòng)勢(shì)）的指示儀表，應(yīng)用于要求高靈敏度的場(chǎng)合。熱電偶的分度表 熱電偶的線性較差，多數(shù)情況下采用查表法 我國(guó)從19

26、91年開始采用國(guó)際計(jì)量委員會(huì)規(guī)定的“1990年國(guó)際溫標(biāo)”(簡(jiǎn)稱ITS-90)的新標(biāo)準(zhǔn)。按此標(biāo)準(zhǔn),制定了相應(yīng)的分度表,并且有相應(yīng)的線性化集成電路與之對(duì)應(yīng)，并由計(jì)算機(jī)查表。 直接從熱電偶的分度表查溫度與熱電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系時(shí)的約束條件是：自由端（冷端）溫度必須為0。 本教材的附錄D僅列出工業(yè)中常用的鎳鉻-鎳硅（K）熱電偶的分度表。 使用分度表時(shí)，冷端必須為0 。冷端置于0的方法之一 1被測(cè)流體管道 2熱電偶 3接線盒 4補(bǔ)償導(dǎo)線 5銅質(zhì)導(dǎo)線 6毫伏表 7冰瓶 8冰水混合物 9試管 10新的冷端 查熱電偶分度表（溫度/毫伏數(shù)） 設(shè)熱電偶的冷端溫度為0，請(qǐng)根據(jù)本教材的附錄D工業(yè)中常用的鎳鉻-鎳硅（K）熱電偶

27、的分度表，查出-100、0 、 100 時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)。數(shù)字式溫度表溫度上限設(shè)定值溫度上限值設(shè)定鍵單片機(jī)自動(dòng)查分度表，并顯示被測(cè)溫度值K熱電偶的分度表 分別查出-100、+100時(shí)的2個(gè)熱電動(dòng)勢(shì)。 計(jì)算與0之差，體會(huì)熱電動(dòng)勢(shì)的非線性。如何由熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)查熱端溫度值 設(shè)冷端為0，根據(jù)以下電路中的毫伏表的示值及K熱電偶的分度表，查出熱端的溫度tx 。裝配式熱電偶的外形安裝螺紋安裝法蘭普通裝配式熱電偶的結(jié)構(gòu)圖 接線盒引出線套管 固定螺紋 （出廠時(shí)用塑料包裹）熱電偶工作端（熱端） 不銹鋼保護(hù)管 普通工業(yè)用裝配式熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖接線盒保險(xiǎn)套管絕緣套管熱電偶絲裝配式熱電偶在管道中的安裝 1裝配式熱電偶

28、2管道 3絕熱層鍋爐煙道中的密封安裝裝配式熱電偶在鍋爐中的安裝2022/7/3165端面式熱電偶及其在測(cè)溫面的安裝能更快速地反映被測(cè)端面的實(shí)際溫度。鎧裝式熱電偶 鎧裝熱電偶的制造工藝：把熱電極材料與高溫絕緣材料預(yù)置在金屬保護(hù)管中、運(yùn)用同比例壓縮延伸工藝、將這三者合為一體，制成各種直徑、規(guī)格的鎧裝偶體，再截取適當(dāng)長(zhǎng)度、將工作端焊接密封、配置接線盒即成為柔軟、細(xì)長(zhǎng)的鎧裝熱電偶。 鎧裝熱電偶特點(diǎn)：內(nèi)部的熱電偶絲與外界空氣隔絕，有著良好的抗高溫氧化、抗低溫水蒸氣冷凝、抗機(jī)械外力沖擊的特性。鎧裝熱電偶可以制作得很細(xì)，能解決微小、狹窄場(chǎng)合的測(cè)溫問題，且具有抗震、可彎曲、超長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。 鎧裝式熱電偶鎧裝型熱電

29、偶外形法蘭鎧裝型熱電偶可 長(zhǎng)達(dá)上百米薄壁金屬 保護(hù)套管（鎧體） BA絕緣 材料鎧裝型熱電偶橫截面鎧裝型熱電偶外形接線卡屏蔽層測(cè)量端（熱端）鎧裝式熱電偶在設(shè)備中的安裝薄膜式熱電偶的外形 1熱電極A 2結(jié)點(diǎn)（熱端） 3熱電極B 4引腳接頭 5相同材質(zhì)的引腳（冷端）快速反應(yīng)薄膜熱電偶用真空蒸鍍等方法使兩種熱電極材料蒸鍍到絕緣板上而形成薄膜裝熱電偶，熱接點(diǎn)約0.010.lm。特別適用于對(duì)壁面溫度的快速測(cè)量。安裝時(shí)，用粘結(jié)劑將它粘結(jié)在被測(cè)物體壁面上。尺寸約為 6060.2mm; 測(cè)溫范圍在300以下；反應(yīng)時(shí)間僅為幾ms。 4123快速反應(yīng)薄膜熱電偶1熱電極 2熱接點(diǎn)3絕緣基板 4引出線隔爆式熱電偶結(jié)構(gòu)特

30、點(diǎn)：隔爆熱電偶的接線盒在設(shè)計(jì)時(shí)采用防爆的特殊結(jié)構(gòu)，它的接線盒是經(jīng)過壓鑄而成的，有一定的厚度、隔爆空間，機(jī)構(gòu)強(qiáng)度較高；采用螺紋隔爆接合面，并采用密封圈進(jìn)行密封，因此，當(dāng)接線盒內(nèi)一旦放弧時(shí)，不會(huì)與外界環(huán)境的危險(xiǎn)氣體傳爆，能達(dá)到預(yù)期的防爆、隔爆效果。 使用場(chǎng)合：工業(yè)用的隔爆型熱電偶多用于化學(xué)工業(yè)自控系統(tǒng)中（由于在化工生產(chǎn)廠、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)常伴有各種易燃、易爆等化學(xué)氣體或蒸汽，如果用普通熱電偶則非常不安全、很容易引起環(huán)境氣體爆炸）。隔爆式熱電偶外形厚壁保護(hù)管壓鑄的接線盒電纜線法蘭盤裝配式熱電偶的常用保護(hù)管材料材料名稱使用溫度/CH62黃銅12CrMOV鋼1Cr18Ni9Ti不銹鋼Cr18Ni12MO2TiG

31、H39高溫不銹鋼石英高鋁質(zhì)管（85%90%Al2O3）高級(jí)耐火陶瓷再結(jié)晶氧化鋁碳化硅鋼玉質(zhì)管（99.5%Al2O3）硼化鋯石墨氧化釷（ThO）4006009009001200130013001400150016001600180020002200其他熱電偶外形小形K型熱電偶XC系列陶瓷纖維柔性熱電偶K、E、J分度號(hào)備選，陶瓷絕緣溫度可達(dá)2000(2200).300 mm (12“) 長(zhǎng)帶絕緣，13 mm (0.5”)長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)剝離引線端.用消耗式熱電偶測(cè)量熔融金屬溫度的示意圖適合不同被測(cè)壁面的熱電偶安裝方法 1發(fā)熱元件 2散熱片 3薄膜熱電偶 4絕熱保護(hù)層 5硬質(zhì)車刀 6用激光加工的斜孔 7露頭

32、式鎧裝熱電偶的測(cè)量端 8薄壁金屬保護(hù)管 9冷端 10工件 a）薄膜熱電偶測(cè)量表面溫度 b）鎧裝式熱電偶測(cè)量車刀的核心溫度 c）鎧裝式熱電偶測(cè)量電動(dòng)機(jī)外殼溫度用兩根熱電偶測(cè)量水泵的效率熱電偶絲與被測(cè)溫度金屬板的3種焊接方式熱電偶絲的沖擊焊電路熱電偶絲的接觸焊電路第四節(jié) 熱電偶冷端的延長(zhǎng) 采用相對(duì)廉價(jià)的補(bǔ)償導(dǎo)線，可延長(zhǎng)熱電偶的冷端，使之遠(yuǎn)離高溫區(qū)；可節(jié)約大量貴金屬；易彎曲，便于敷設(shè)。 補(bǔ)償導(dǎo)線在0100范圍內(nèi)的熱電動(dòng)勢(shì)與配套的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)相等，所以不影響測(cè)量準(zhǔn)確度。回目錄熱電偶冷端延長(zhǎng) 用A、B與A及B連接后，測(cè)溫回路的總的熱電勢(shì)僅取決于A、B、T及T0（T0為新的自由端，它是穩(wěn)定的），而與A

33、、A2及B、B連接處的溫度Tn（中間溫度，它是不穩(wěn)定的）無(wú)關(guān)，在T0處測(cè)得的總的熱電勢(shì)與直接將熱電偶延伸到T0無(wú)異。補(bǔ)償導(dǎo)線型號(hào)（續(xù)）型號(hào)配用熱電偶正-負(fù)型號(hào)導(dǎo)線外皮顏色 正-負(fù)100時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)/ mVRC R （鉑銠13-鉑）RC紅-綠 0.647NC N（鎳鉻硅-鎳硅）NC 紅-黃2.744EX E （鎳鉻-銅鎳）EX紅-棕6.319JXJ（鐵-銅鎳）JX紅-紫5.264TX T （銅-銅鎳 ） TX紅-白4.279補(bǔ)償導(dǎo)線外形 AB屏蔽層保護(hù)層熱電偶的冷端延長(zhǎng)電路 第五節(jié) 熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償必要性：1. 用熱電偶的分度表查毫伏數(shù)-溫度時(shí)，必須滿足t0=0的條件。在實(shí)際測(cè)溫中，冷端溫度

34、常隨環(huán)境溫度而變化，這樣t0不但不是0 ，而且也不恒定， 因此將產(chǎn)生誤差。2. 一般情況下，冷端溫度高于0 ，熱電動(dòng)勢(shì)總是偏小。應(yīng)想辦法消除或補(bǔ)償熱電偶的冷端損失 。回目錄冷端溫度補(bǔ)償?shù)姆椒?一、冷端恒溫法： 將熱電偶的冷端置于裝有冰水混合物的恒溫容器中，使冷端的溫度保持在0不變。此法也稱冰浴法，它消除了t0不等于0而引入的誤差，由于冰融化較快，所以一般只適用于實(shí)驗(yàn)室中。 冰浴法： 在冰瓶中，冰水混合物的溫度能較長(zhǎng)時(shí)間地保持在0不變。冰浴法接線圖冷端至于0環(huán)境中 二、計(jì)算修正法 當(dāng)熱電偶的冷端溫度t0 0時(shí)，由于熱端與冷端的溫差隨冷端的變化而變化，所以測(cè)得的熱電動(dòng)勢(shì)EAB(t,t0)與冷端為0

35、時(shí)所測(cè)得的熱電動(dòng)勢(shì)EAB(t,0)不等。若冷端溫度高于0，則EAB(t,t0)EAB(t,0 )。可以利用下式計(jì)算并修正測(cè)量誤差： EAB(t,0 )=EAB(t,t0)+EAB(t0,0 )計(jì)算修正法舉例K熱電偶測(cè)溫電路中，熱電極 A、B直接焊接在鋼板上，A 、B 為補(bǔ)償導(dǎo)線，Cu為銅導(dǎo)線，已知接線盒1 的溫度t1=40，冰瓶中為冰水混合物，接線盒 3 的溫度t3=20.0。求：1）冰瓶的溫度t 2；2）將熱電極直接焊在鋼板上是應(yīng)用了熱電偶的什么定律？3）當(dāng)Ux=29.97mV時(shí)，估算被測(cè)點(diǎn)溫度t x ；4）如果冰瓶中的冰完全融化，溫度上升到與接線盒1的溫度相同，此時(shí)的Ux減小到28.36m

36、V，再求t x。 解：1）接線盒1 是熱電極與補(bǔ)償導(dǎo)線（延長(zhǎng)導(dǎo)線）的接線位置，不影響測(cè)量結(jié)果，不必考慮t 1溫度的大小和波動(dòng)。冰瓶的溫度為:0 ,是補(bǔ)償導(dǎo)線（冷端）與銅導(dǎo)線的接線位置,所以可以直接查分度表。 2）將熱電極直接焊在鋼板上是應(yīng)用了熱電偶的中間導(dǎo)體定律。 3）當(dāng)Ux=29.97mV時(shí)，直接查分度表得到被測(cè)點(diǎn)溫度t x=720 。 注:接線盒 3 的溫度t3不是冷端溫度,屬于中間溫度,與測(cè)量結(jié)果無(wú)關(guān).解（續(xù)）4）如果冰瓶中的冰完全融化，溫度上升到與接線盒1的溫度相同，即：冷端溫度不再是0 ，而為40 。此時(shí)的Ux=28.36mV，再求t x。EAB(t,0)=EAB(t,40)+EAB

37、(40,0) =(28.36+1.61)mV=29.97mV反查K型熱電的偶分度表，仍然得到t x =720。三、儀表機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整法 用螺絲刀調(diào)節(jié)儀表面板上的“機(jī)械零點(diǎn)”，使指針指到氣溫t0（圖中為40 ）的刻度上。機(jī)械零點(diǎn)指針被預(yù)調(diào)到室溫（40 ） 可補(bǔ)償冷端損失半導(dǎo)體集成溫度傳感器測(cè)溫及熱電偶冷端溫度的測(cè)量 PN結(jié)是集成溫度傳感器的最基礎(chǔ)的測(cè)溫元件。 PN結(jié)的溫度特性演示 二極管的正向電壓降UD以-2mV/ 的趨勢(shì)變化 。集成溫度傳感器的測(cè)溫原理 集成溫度傳感器內(nèi)部多將一個(gè)三極管的集電極與基極短接，還有恒流源（VT3、VT4）、放大器、輸出級(jí)等電路。在集成溫度傳感器內(nèi)部，兩只測(cè)溫晶體管（V

38、T1、VT2）的b-e結(jié)壓降的不飽和值Ube之差Ube，（R1上的壓降）與熱力學(xué)溫度T、成正比：q:電子電荷,Jc1、Jc2:兩只晶體管的集電極電流密度。集成溫度傳感器的類型 集成溫度傳感器可分為：模擬型集成溫度傳感器和數(shù)字型集成溫度傳感器。模擬型的輸出信號(hào)形式有電壓型和電流型兩種。電壓型的靈敏度多為10mV/（以攝氏溫度0作為電壓的零點(diǎn)），電流型的靈敏度多為1A/K（以絕對(duì)溫度0K作為電流的零點(diǎn)）；數(shù)字型又可以分為開關(guān)輸出型、并行輸出型、串行輸出型等幾種不同的形式。 模擬型集成溫度傳感器 電流輸出型集成溫度傳感器 電流輸出型溫度傳感器能產(chǎn)生一個(gè)與絕對(duì)溫度成正比的電流作為輸出，AD590是電流

39、輸出型溫度傳感器的典型產(chǎn)品。 AD590封裝空腳（接地）AD590的基本轉(zhuǎn)換電路（開氏溫度） 電流-電壓轉(zhuǎn)換電路（10mV/K） 增加負(fù)載電阻的阻值可提高輸出電壓。AD590的基本轉(zhuǎn)換電路 輸出電壓Uo與熱力學(xué)溫度成正比（1mV/K） 輸出電壓Uo與 攝氏溫度成正比（100mV/） 電壓輸出型集成溫度傳感器 LM35/45（10mV/K） LM35/45的外形及引腳圖 電壓輸出型集成溫度傳感器 LM35/45（攝氏溫度）LM35/45構(gòu)成的正溫度測(cè)量電路LM35/45構(gòu)成的正負(fù)溫度測(cè)量電路集成溫度傳感器用于CPU散熱保護(hù)電路散熱風(fēng)扇集成溫度ICCPU插座CPU散熱片數(shù)字輸出型集成溫度傳感器 單

40、片集成溫度傳感器內(nèi)部包含高達(dá)上萬(wàn)個(gè)晶體管，能將測(cè)溫PN結(jié)傳感器、高準(zhǔn)確度放大器、多位A/D轉(zhuǎn)換器、邏輯控制電路、總線接口等做在一塊芯片中，可通過總線接口，將溫度數(shù)據(jù)傳送給諸如單片機(jī)、PC、PLC等上位機(jī)。不會(huì)產(chǎn)生模擬信號(hào)傳輸時(shí)電壓衰減造成的誤差，抗電磁干擾能力較強(qiáng)。 目前在集成溫度傳感器中常用的總線有：I-Wire總線、I2C總線、USB總線、SPI總線、SMBUS總線等。 數(shù)字輸出型集成溫度傳感器 當(dāng)熱電偶冷端高于0時(shí)，輸出的電動(dòng)勢(shì)EAB（tx，0）將減小。為了彌補(bǔ)冷端引起的損失，必須將冷端在t0溫度時(shí)所損失的對(duì)應(yīng)熱電勢(shì)EAB（t0，0）補(bǔ)償?shù)綗犭娕嫉妮敵鲋?，使總的熱電?shì)增大，達(dá)到冷端為0時(shí)的EAB（tx，0），然后才能查熱電偶的分度表，從而得到正確的被測(cè)溫度tx。冷端補(bǔ)償?shù)墓綖镋AB（tx，0）= EAB（tx，t0）+ EAB（t0，0）根據(jù)這一公式，許多廠商設(shè)計(jì)、制造了集成冷端補(bǔ)償芯片。1 專用熱電偶冷端溫度補(bǔ)償芯片 MAX6675是基于SPI總線、專門用于對(duì)工業(yè)中最常用的鎳絡(luò)-鎳硅K型熱電偶進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)男酒?。它能將補(bǔ)償后的熱電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換為代表溫