第8章熱電式傳感器

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第8章熱電式傳感器

熱電式傳感器是將溫度變化轉換為電量變化的裝置，它利用敏感元件的電磁參數(shù)隨溫度變化而變化的特性來達到測量目的。8.1熱電阻8.2熱電偶8.3熱敏電阻本章要點溫標

不是溫度標準(TemperatureStandard)，而是溫度標尺(TemperatureScale)的簡稱。國際上規(guī)定的溫標有很多種，最常用的是華氏溫標(美國)、攝氏溫標、熱力學溫標等。下頁上頁返回溫標名稱有關規(guī)定華氏溫標（℉）1714年，F(xiàn)ahrenheit把標準大氣壓下純水的沸點和冰點這兩個恒定溫度作固定點(212℉和32℉)，這兩個溫度點之間用水銀溫度計分成180等份，每等份定為1華氏度(℉)。列氏溫標(oR’)1731年Réaumur提出：水的冰點被定為列氏0度，而沸點則為列氏80度。因為標準濃度的酒精在水的冰點和沸點之間體積從1000單位膨脹到1080單位。攝氏溫標(℃)1742年Celsius提出：最初定義“水的冰點定為一百攝氏度，沸點定為零攝氏度，其間分成一百等分，一等分為一攝氏度”。第二年將刻度顛倒過來使用，即當今用法。當前應用最廣，ITS-90有專門定義。開氏溫標(K)1854年Kelvin提出：把絕對零度(0K)到水的三相點溫度(273.16K)等分為273.16份，每份就是1開氏度。其分度間隔和攝氏溫標間隔一致，Δt(1℃)=ΔT(1K)。蘭氏溫標(oR)Rankine

溫標是美國工程界使用的一種溫標。起點也為絕對零度，水的冰點和沸點分別為491.67和671.67蘭氏度(oR)，中間分成180等分，每一等分為1oR。下頁上頁返回幾種溫標間的換算關系攝氏度=5(華氏度-32)/9攝氏度=開氏度-273.15攝氏度=5蘭氏度/9-273.15攝氏度=1.25列氏度====================華氏度=1.8攝氏度+32華氏度=1.8開氏度-459.67華氏度=蘭氏度-459.67華氏度=2.25列氏度+32====================開氏度=攝氏度+273.15開氏度=1.25列氏度+273.15開氏度=5(華氏度-32)/9+273.15開氏度=5蘭氏度/9下頁上頁返回下頁上頁返回8.1熱電阻測溫原理：大多數(shù)金屬的電阻率隨溫度升高而增大，即具有正溫度系數(shù)。特點：

一般用于測量-200～+500℃范圍內的溫度參數(shù)，精度較高，適宜于測低溫。8.1.1熱電阻的材料及工作原理下頁上頁返回鉑電阻：精度高，穩(wěn)定性好，性能可靠，測溫復現(xiàn)性好，但價格昂貴，成本高。（0～850℃）（-200～0℃）根據(jù)國家標準工業(yè)用標準鉑電阻R0有100Ω

和50Ω兩種，并將電阻值與溫度t對應關系列成表格，稱為鉑電阻分度表，分度號分別為Pt100和Pt50。

鉑電阻的純度通常用W(100)表示（R100與R0的比值），目前鉑電阻的純度最高可達5個九。銅電阻：鉑是貴金屬，價格昂貴，因此在測溫范圍比較小(-50～+150℃)的情況下，可采用銅制成的測溫電阻，稱銅電阻。

（-50～+150℃）下頁上頁返回銅電阻在低溫測溫范圍內線性和穩(wěn)定性較好，溫度系數(shù)較大，且價格便宜，但測量精度較低。銅電阻的R0亦有100Ω和50Ω兩種，其分度號分別為Cu100和Cu50。銅熱電阻Cu50分度表下頁上頁返回銦電阻：是一種高精度低溫熱電阻。在4.2-15K測溫范圍內靈敏度極高，缺點是材料很軟，復制性很差。錳電阻：在63-2K低溫范圍內，靈敏度高，缺點是脆性大，難以拉制成絲。碳電阻：低溫下靈敏度高，熱容量小，對磁場不敏感，價格便宜，使用方便。缺點是熱穩(wěn)定性較差。鐵電阻和鎳電阻：這兩種金屬的電阻溫度系數(shù)較高、電阻率較大，故可作成體積小，靈敏度高的電阻溫度計，其缺點是容易氧化，化學穩(wěn)定性差，不易提純，復制性差，而且電阻值與溫度的線性關系差。下頁上頁返回工業(yè)熱電阻的基本結構

直徑1mm的銀絲或鍍銀銅絲云母、石英或陶瓷塑料雙線無感繞法外接線路相連電阻絲和電阻支架圖8-1幾種純金屬的電阻相對變化率與溫度變化間關系下頁上頁返回下頁上頁返回8.1.2測量電路最常用的測量電路是電橋電路

下頁上頁返回圖8-3熱電阻測溫電橋的四線連接法下頁上頁返回8.2熱電偶

把兩種不同導體或半導體連接成閉合回路，如果將它們的兩個接點分別置于溫度各為T和T0（設T＞T0)的熱源中，則在該回路內就會產(chǎn)生熱電動勢，這種現(xiàn)象稱作熱電效應。由這兩種導體的組合并將溫度轉換成熱電勢的傳感器稱為熱電偶。圖8-4熱電效應示意圖熱電偶作為敏感元件優(yōu)點為：①結構簡單：其主體實際上是由兩種不同性質的導體或半導體互相絕緣并將一端焊接在一起而成的；②具有較高的準確度；③測量范圍寬，常用的熱電偶，低溫可測到-50℃，高溫可以達到1600℃左右，配用特殊材料的熱電極，最低可測到-180℃，最高可達到+2800℃的溫度；④具有良好的敏感度；⑤使用方便。下頁上頁返回下頁上頁返回8.2.1熱電效應

熱電偶產(chǎn)生的熱電勢稱為溫差電勢或塞貝克電勢，通稱熱電勢?；芈分挟a(chǎn)生的電流稱為熱電流，導體A、B稱為熱電極。測溫時結點1置于被測的溫度場中，稱為測量端(工作端、熱端)；結點2一般處在某一恒定溫度，稱為參考端(自由端、冷端)。熱電效應（塞貝克效應）：下頁上頁返回兩種導體的接觸電勢

式中k

—波爾茲曼常數(shù)，為1.38×10-16；

T

—接觸處的絕對溫度；

e—電子電荷數(shù)；

NA、NB—金屬A、B的自由電子密度。圖8-5接觸電勢下頁上頁返回同理可以計算出A、B兩種金屬構成回路在溫度T0端的接觸電勢為：

但與方向相反，所以回路的總接觸電勢

由上式可見，當兩結點的溫度相同，即T=T0

，回路中總電勢將為零。下頁上頁返回

當導體兩端的溫度分別為T、T0時，溫差電勢可由下式表示:

式中A—A導體的湯姆遜系數(shù)。對于兩種金屬A、B組成的熱電偶回路，湯姆遜電勢等于它的代數(shù)和，即:

單一導體的溫差電勢圖8-6溫差電勢下頁上頁返回

綜上所述，對于勻質導體A、B組成的熱電偶，其總電勢為接觸電勢與溫差電勢之和，用式子可表示為：圖8-7熱電偶回路的總熱電勢下頁上頁返回①如果熱電偶兩電極材料相同，則雖兩端溫度不同(T≠T0)。但總輸出電勢仍為零。因此必須由兩種不同的材料才能構成熱電偶。②如果熱電偶兩結點溫度相同，則回路中的總電勢必等于零。由上述分析知，熱電勢的大小只與材料和結點溫度有關，與熱電偶的尺寸、形狀及沿電極溫度分布無關。應注意，如果熱電極本身性質為非均勻的，由于溫度梯度存在，將會有附加電勢產(chǎn)生。討論：下頁上頁返回8.2.2熱電偶基本定律中間導體定律標準電極定律連接導體定律和中間溫度定律8.2.2熱電偶基本規(guī)律

中間導體定律

在熱電偶回路中，只要中間導體兩端的溫度相同，那么接入中間導體后，對熱電偶回路的總熱電勢無影響?？捎檬阶颖硎緸椋?/p>

EABC(T,T0)=EAB(T,T0)

下頁上頁返回圖8-8具有中間導體的熱電偶電路下頁上頁返回

如果將導體C（熱電極，一般為純鉑絲）作為標準電極（也稱參考電極），并已知標準電極與任意導體配對時的熱電勢，則在相同結點溫度(T，T0)下，任意兩導體A、B組成的熱電偶，其熱電勢可由下式求得：

EAB(T,T0)=EAC(T,T0)-EBC(T,T0)標準電極定律下頁上頁返回圖8-9三種導體分別組成的熱電偶

連接導體定律：在熱電偶回路中，如果熱電極A、B分別與連接導線A’、B’相連接，結點溫度分別為T、Tn、T0

，那么回路的熱電勢將等于熱電偶的熱電勢EAB(T,Tn

)與連接導線A’、B’在溫度Tn、T0

時熱電勢EA’B’(T,Tn

)的代數(shù)和，即：

EABB’A’(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EA’B’(Tn,T0)

連接導體定律和中間溫度定律下頁上頁返回圖8-10用連接導線的熱電偶回路

中間溫度定律：

熱電偶在結點溫度為T、T0時的熱電勢值EAB(T,T0)，等于熱電偶在(T,Tn

)、(Tn,T0)時相應的熱電勢EAB(T,Tn

)與EAB(Tn,T0)的代數(shù)和。如下式所示：

EAB(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)下頁上頁返回如A與A’、B與B’材料相同，且結點溫度分別為T、Tn、T0時，有：如：A、B組成的熱電偶在（1000C，00C）時熱電勢為1mV,且A、B組成的熱電偶在（10000C，00C）時熱電勢為10mV,則它們在（10000C，1000C）時的熱電勢為：

10-1=9mV下頁上頁返回8.2.3熱電偶材料及常用熱電偶

對熱電偶的電極材料主要要求是：①配制成的熱電偶應具有較大的熱電勢，并希望熱電勢與溫度之間成線性關系或近似線性關系。②能在較寬的溫度范圍內使用．并且在長期工作后物理化學性能與熱電性能都比較穩(wěn)定。③電導率要求高，電阻溫度系數(shù)要小。④易于復制，工藝簡單，價格便宜。標準化熱電偶有：鉑銠10—鉑（S型）熱電偶、鎳鉻—鎳硅（K型）熱電偶、鎳鉻—康銅（E型）熱電偶等。下頁上頁返回下頁上頁返回常用熱電偶鉑銠10—鉑熱電偶（S型）這種熱電偶可在1300℃以下范圍內長期使用，短期可測1600℃高溫，復制精度和測量準確性高，但LB熱電偶的材料為貴金屬，成本較高。鎳鉻—鎳硅熱電偶（K型）化學穩(wěn)定性較高，測量范因為–50—+1312℃，復制性好，產(chǎn)生熱電勢大，線性好，價格便宜，是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的一種熱電偶。鎳鉻—銅鎳（康銅）熱電偶（E型）適用于還原性或中性介質，熱電偶靈敏度高，價格便宜，但測溫范窄而低。熱電偶名稱正熱電極負熱電極分度號測溫范圍特點鉑銠30－鉑銠6鉑銠30鉑銠6B0～＋1700℃（超高溫）適用于氧化性氣氛中測溫，測溫上限高，穩(wěn)定性好。在冶金、鋼水等高溫領域得到廣泛應用。鉑銠10－鉑鉑銠10純鉑S0～＋1600℃（超高溫）適用于氧化性、惰性氣氛中測溫，熱電性能穩(wěn)定，抗氧化性強，精度高，但價格貴、熱電動勢較小。常用作標準熱電偶或用于高溫測量。鎳鉻－鎳硅鎳鉻合金鎳硅K－200～＋1200℃（高溫）適用于氧化和中性氣氛中測溫，測溫范圍很寬、熱電動勢與溫度關系近似線性、熱電動勢大、價格低。穩(wěn)定性不如B、S型熱電偶，但是非貴金屬熱電偶中性能最穩(wěn)定的一種。鎳鉻－康銅鎳鉻合金銅鎳合金E－200～＋900℃（中溫）適用于還原性或惰性氣氛中測溫，熱電動勢較其他熱電偶大，穩(wěn)定性好，靈敏度高，價格低。鐵－康銅鐵銅鎳合金J－200～＋750℃（中溫）適用于還原性氣氛中測溫，價格低，熱電動勢較大，僅次于E型熱電偶。缺點是鐵極易氧化。銅－康銅銅銅鎳合金T－200～＋350℃（低溫）適用于還原性氣氛中測溫，精度高，價格低。在－200～0℃可制成標準熱電偶。缺點是銅極易氧化。

常用熱電偶特性

1.普通型熱電偶

普通型熱電偶結構熱電偶的結構下頁上頁返回2．鎧裝熱電偶鎧裝熱電偶工作端結構（a）單芯結構；（b）雙芯碰底型；（c）雙芯不碰底型；（d）雙芯露頭型；（e）雙芯帽型下頁上頁返回3．薄膜熱電偶

薄膜熱電偶電極為厚度0.01~0.1m薄膜構成鐵-鎳薄膜熱電偶下頁上頁返回8.2.4熱電偶測溫電路

熱電偶直接與指示儀表配用熱電偶與動圈式儀表連接，如圖8-11所示。這時流過儀表的電流不僅與勢電勢大小有關，而且與測溫回路的總電阻有關，因此要求回路總電阻必須為恒定值，即：

Rr+Rc+RG=常數(shù)

下頁上頁返回圖8-11一支熱電偶直接配一臺儀表多點溫度和測量t三個熱電偶工作在線性區(qū)時代表著多點溫度之和。任一熱電偶燒壞都可立即知道，且可得到較大的電動勢。每一熱電偶引出的補償導線必須接到儀表的冷端處。BABABAT1T2T3下頁上頁返回多點平均溫度的測量t

三個熱電偶工作在線性區(qū)時代表著平均溫度。每個熱電偶需串聯(lián)較大電阻，且分度與單個熱電偶一樣。某一熱電偶壞了不易及時發(fā)現(xiàn)。BABABAT1T2T3下頁上頁返回兩點溫度差的測量若熱電動勢E與溫度T呈線性關系，則t=T1-T2。tBAABA’A’B’E=E1－E2E1E2T1T2下頁上頁返回

橋式電位差計線路可實現(xiàn)高精度測溫并自動記錄。下頁上頁返回圖8-15自動電位差計測溫線路8.2.5熱電偶參考端溫度

0℃恒溫法

下頁上頁返回0℃恒溫法

熱電偶參考端溫度為tn時的補正方法

1、熱電勢補正法

下頁上頁返回圖8-16熱電偶特性曲線例：用銅-康銅熱電偶測某一溫度t，參考端在室溫環(huán)境tn中，測得熱電動勢E(t,tn)=1.999mV，又用室溫計測出tn=21℃，求實際溫度t。解：查T分度號表得E(21,0)=0.830mV，故：

E(t,0)=E(t,21)+E(21,0) =1.999+0.830 =2.829(mV)

再次查分度表，得實際溫度t=68℃。

注意：

1.分度表中68℃對應2.820mV，69℃時的熱電勢為2.864mV，實際精確溫度應采用插值法計算。

2.如按E(t,tn)=1.999mV直接查分度表，則t=49℃,不能認定t=49℃+21℃=70℃下頁上頁返回2、溫度修正法下頁上頁返回由實測熱電勢EAB（T，Tn）查表，得Tz

真實溫度為：

式中，K為熱電偶修正系數(shù)，決定于熱電偶于熱電偶種類和被測溫度范圍。例如：實測EAB(T，Tn)=0.465mV，查分度表

Tz=75℃；查修正系數(shù)表，此時該熱電偶的K=0.82，

Tn=21℃，則實際溫度:T=75+0.82×21=92.2℃

這種修正方法工程上應用較廣泛。3、調整儀表起始點法下頁上頁返回

在不需精確測量的前提下，且熱電偶冷端溫度較為穩(wěn)定，可將顯示儀表的機械零點先調整到t0℃(按溫度刻度)或者毫伏E(t0,0)(按毫伏刻度)，從而實現(xiàn)近似補償。該法常見于動圈式儀表中。指針被預調到冷端溫度(40C)圖8-17補償熱電偶原理圖4、熱電偶補償法反向串聯(lián)一支同型號熱電偶，即補償熱電偶，將其測量端恒定于0℃。下頁上頁返回5、電橋補償法圖8-18冷端溫度補償線路圖下頁上頁返回補償導線法下頁上頁返回

補償導線是在一定溫度范圍內(包括常溫)具有與所匹配的熱電偶的熱電動勢的標稱值相同的一對帶有絕緣層的導線。用它們連接熱電偶與測量裝置，從而可將熱電偶的參考端移到離被測介質較遠且溫度比較穩(wěn)定的場合，以免參比端溫度受到被測介質的熱干擾。t0’變化頻繁t0較為穩(wěn)定補償導線類型(1)按結構可分為普通型和帶屏蔽層型；(2)按補償原理分為補償型及延伸型兩種；(3)按使用溫度可分為一般用(0～100℃)和耐熱用(0～150℃)；(4)按精度可分為普通級與精密級。補償導線作用(1)用廉價的補償導線作為貴金屬熱電偶的延長導線，以節(jié)約貴金屬熱電偶；(2)將熱電偶的參比端遷移至離被側對象較遠且環(huán)境溫度較恒定的地方，有利于參考端溫度的修正和測量誤差的減少；(3)用粗直徑和導電系數(shù)大的補償導線作為熱電偶的延長線，可減小熱電偶回路電阻，以利于動圈式儀表的正常工作。下頁上頁返回補償導線的使用(1)各種補償導線只能與相應型號的熱電偶用；(2)使用時必須各級相連，切勿將其極性接反；(3)熱電偶和補償導線連接點的溫度不能超過規(guī)定的使用溫度范圍，規(guī)定為0～100℃及0～150℃兩種。下頁上頁返回8.3熱敏電阻熱敏電阻是用一種半導體材料制成的敏感元件，其特點是電阻隨溫度變化而顯著變化，能直接將溫