梁森-熱電偶傳感器

機(jī)械工業(yè)出版社

中等職業(yè)教育電氣類(lèi)規(guī)劃教材

《自動(dòng)檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)》

第九章

多媒體課件

2009－5－1更新2/4/20231第九章熱電偶傳感器在這一章里，卡卡要給大家介紹有關(guān)溫度、溫標(biāo)、測(cè)溫方法等一些基本概念和方法，著重介紹熱電偶傳感器的原理、分類(lèi)、特性及其應(yīng)用。熱電偶傳感器屬于自發(fā)電型傳感器。開(kāi)爾文是英國(guó)著名的物理學(xué)家。一百多年前，他建立了熱力學(xué)溫度標(biāo)度，也稱(chēng)為絕對(duì)溫標(biāo)。它的零度，即物質(zhì)世界可能的最低溫度，相當(dāng)于攝氏零下273度，稱(chēng)為絕對(duì)零度。2/4/20232第一節(jié)溫度測(cè)量的基本概念

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！低溫高溫2/4/20233二、溫標(biāo)

1、溫度的數(shù)值表示方法稱(chēng)為溫標(biāo)。它規(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(lèi)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。2/4/20234幾種溫標(biāo)的對(duì)比正常體溫為37C

，相當(dāng)于華氏溫度多少度？2/4/20235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(kāi)爾文（Kelvin）根據(jù)熱力學(xué)定律提出來(lái)的，因此又稱(chēng)開(kāi)氏溫標(biāo)。它的符號(hào)是T，單位是開(kāi)爾文（K）。威廉·湯姆遜·開(kāi)爾文勛爵像2/4/202361990國(guó)際溫標(biāo)(ITS-90)

國(guó)際溫度咨詢(xún)委員會(huì)于1989年9月通過(guò)了1990年新的國(guó)際溫標(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(kāi)始執(zhí)行。新溫標(biāo)用“T_(90)”代表勢(shì)力學(xué)溫度,其單位仍用K表示。我國(guó)的國(guó)家法定測(cè)溫標(biāo)準(zhǔn)將統(tǒng)一采用新的國(guó)際溫，簡(jiǎn)稱(chēng)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（0.01C）等。

2/4/20237三、溫度測(cè)量及傳感器分類(lèi)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、非電測(cè)型等。

2/4/20238介紹幾種溫度測(cè)量方法

示溫涂料（變色涂料）裝滿(mǎn)熱水后圖案變得清晰可辨2/4/20239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2/4/202310體積熱膨脹式

不需要電源，耐用；但感溫部件體積較大。

氣體的體積與熱力學(xué)溫度成正比2/4/202311紅外溫度計(jì)激光瞄準(zhǔn)2/4/202312熱電偶測(cè)溫的主要優(yōu)點(diǎn)

1、它屬于自發(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：下限可達(dá)-270C

，上限可達(dá)1800C以上；

3、各溫區(qū)中的熱電勢(shì)均符合國(guó)際計(jì)量委員會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)。2/4/202313先看一個(gè)實(shí)驗(yàn)——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(chēng)為：自由端（參考端、冷端）

第二節(jié)熱電偶的工作原理及分類(lèi)

左端稱(chēng)為：測(cè)量端（工作端、熱端）

熱電極B熱電勢(shì)AB2/4/202314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(chēng)為結(jié)點(diǎn)），發(fā)現(xiàn)放在回路中的指南針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這說(shuō)明什么？

1－工作端2－熱電極

3－指南針4－參考端

2/4/202315動(dòng)畫(huà)3：“結(jié)點(diǎn)”產(chǎn)生熱電勢(shì)的微觀解釋兩種不同的金屬互相接觸時(shí)，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)生熱電勢(shì)。

自由電子＋ABeAB（

T）T熱電偶的圖形符號(hào)自由電子濃度高，失去電子多，帶正電自由電子濃度低，失去電子少得到電子多，帶負(fù)電2/4/202316以上演示得出的結(jié)論：

——有關(guān)熱電偶熱電勢(shì)的討論熱電偶兩結(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的總的熱電勢(shì)等于熱端熱電勢(shì)與冷端熱電勢(shì)之差，是兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫差Δt

的函數(shù)：

EAB(T，T0)=eAB

(

T)-eAB

(

T0

)結(jié)論：熱電勢(shì)大致與兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫差ΔT或Δt

成正比2/4/202317從實(shí)驗(yàn)到理論得到有關(guān)熱電效應(yīng)的結(jié)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(shuō)明什么？

結(jié)論：指南針的偏轉(zhuǎn)說(shuō)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。2/4/202318熱電偶的種類(lèi)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鉑熱電偶絲2/4/202319幾種常用熱電偶的測(cè)溫范圍及熱電勢(shì)

分度號(hào)

名稱(chēng)

測(cè)量溫度范圍

1000C熱電勢(shì)/mVB鉑銠30－鉑銠650～1820C4.834R鉑銠13—鉑-50～1768C10.506S鉑銠10—鉑-50～1768C9.587K鎳鉻－鎳鉻

(鋁)-270～1370C41.276E鎳鉻－銅鎳(康銅)－270～800C——5種熱電偶的測(cè)溫范圍與熱電勢(shì)各有什么特點(diǎn)？2/4/202320幾種常用熱電偶的熱電勢(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(guò)原點(diǎn)（零度點(diǎn)）？2/4/202321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1991年開(kāi)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(chēng)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)。

直接從熱電偶的分度表查溫度與熱電勢(shì)的關(guān)系時(shí)的約束條件是：自由端（冷端）溫度必須為0C。

本教材的附錄D列出了工業(yè)中常用的鎳鉻-鎳硅（K）熱電偶的分度表。2/4/202322如何利用熱電偶的分度表

假設(shè)熱電偶的冷端溫度為0C，請(qǐng)根據(jù)本教材的附錄——工業(yè)中常用的鎳鉻-鎳硅（K）熱電偶的分度表，查出-100℃、0℃、

100℃

時(shí)的熱電勢(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2/4/202323K熱電偶的分度表

比較查出的3個(gè)熱電勢(shì)，可以看出熱電勢(shì)是否線性？2/4/202324如何由熱電偶的熱電勢(shì)查熱端溫度值

設(shè)冷端為0C，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

。2/4/202325裝配型熱電偶的外形安裝螺紋安裝法蘭2/4/202326普通裝配型熱電偶的

結(jié)構(gòu)放大圖

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

2/4/202327鎧裝型熱電偶

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(wèn)題，且具有抗震、可彎曲、超長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

2/4/202328鎧裝型熱電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2/4/202329隔爆型熱電偶

結(jié)構(gòu)特點(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(guò)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）。2/4/202330隔爆型熱電偶外形厚壁保護(hù)管壓鑄的接線盒電纜線2/4/202331其他熱電偶外形小形K型熱電偶2/4/202332第三節(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)。

型號(hào)配用熱電偶正-負(fù)導(dǎo)線外皮顏色正-負(fù)SC鉑銠10-鉑紅-綠KC鎳鉻-鎳硅紅-藍(lán)WC5/26鎢錸5-鎢錸26

紅-橙補(bǔ)償導(dǎo)線在0～100C范圍內(nèi)的熱電勢(shì)與配套的熱電偶的熱電勢(shì)相等，所以不影響測(cè)量精度。2/4/202333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4.2792/4/202334補(bǔ)償導(dǎo)線外形

A’B’屏蔽層保護(hù)層2/4/202335第四節(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(mǎn)足t0=0℃的條件。在實(shí)際測(cè)溫中，冷端溫度常隨環(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，冷端溫度均高于0℃，熱電勢(shì)總是偏小。應(yīng)想辦法消除或補(bǔ)償熱電偶的冷端損失。2/4/202336冷端溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄒ?、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(chēng)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。

2/4/202337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。2/4/202338冰浴法接線圖

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

2/4/202339二、計(jì)算修正法當(dāng)熱電偶的冷端溫度t00C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)得的熱電勢(shì)EAB（t，t0）與冷端為0℃時(shí)所測(cè)得的熱電勢(shì)EAB（t，0℃）不等。若冷端溫度高于0℃，則EAB（t，t0）<EAB（t，0℃）?？梢岳孟率接?jì)算并修正測(cè)量誤差：

EAB（t，0℃）=EAB（t，t0）+EAB（t0，0℃）2/4/202340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t2；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=29.9mV時(shí)，估算被測(cè)點(diǎn)溫度tx；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=27.3mV，再求tx。2/4/202341三、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40C）的刻度上。機(jī)械零點(diǎn)指針被預(yù)調(diào)到室溫（40C

）可補(bǔ)償冷端損失2/4/202342四、電橋補(bǔ)償法

XT-WBC熱電偶冷端補(bǔ)償器電橋補(bǔ)償法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓來(lái)自動(dòng)補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢(shì)變化值，可購(gòu)買(mǎi)與被補(bǔ)償熱電偶對(duì)應(yīng)型號(hào)的補(bǔ)償電橋。

2/4/202343半導(dǎo)體集成溫度傳感器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)溫原件

PN結(jié)的溫度特性

結(jié)論：二極管的正向電壓降UD以

-2mV/℃的趨勢(shì)變化

2/4/202344集成溫度傳感器的類(lèi)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1μA/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(kāi)關(guān)輸出型、并行輸出型、串行輸出型等幾種不同的形式。

2/4/202345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是電流輸出型溫度傳感器的典型產(chǎn)品。

2/4/202346AD590封裝示意圖空腳（接地）2/4/202347AD590的基本轉(zhuǎn)換電路電流-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。2/4/202348電壓輸出型集成溫度傳感器——

LM35/45LM35/45的外形及引腳圖

2/4/202349電壓輸出型集成溫度傳感器

——

LM35/45

LM35/45構(gòu)成的攝氏溫度測(cè)量電路及組裝成的測(cè)溫傳感器2/4/202350在電腦中，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2/4/202351數(shù)字輸出型集成溫度傳感器

單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、高精度放大器、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(guò)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。2/4/202352專(zhuān)用熱電偶冷端溫度補(bǔ)償芯片

MAX6675是基于SPI總線、專(zhuān)門(mén)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)償后的熱電勢(shì)轉(zhuǎn)換為代表溫度的數(shù)字脈沖，從SPI串行接口輸出。

2/4/202353第六節(jié)熱電偶的應(yīng)用及配套儀表

由于我國(guó)生產(chǎn)的熱電偶均符合ITS-90國(guó)際溫標(biāo)所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，其一致性非常好，所以國(guó)家又規(guī)定了與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶配套的儀表，它們的顯示值為溫度，而且均已線性化。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)圈式顯示儀表命名為XC系列。有指示型（XCZ）和指示調(diào)節(jié)型（XCT）等系列品種。與K型熱電偶配套的動(dòng)圈儀表型號(hào)為XCZ-101或XCT-101等。數(shù)字式儀表也有指示型（XMZ）和指示調(diào)節(jié)型（XMT）等幾種系列品種。

2/4/202354XCZ系列指針式顯示儀表

XC系列動(dòng)圈式儀表測(cè)量機(jī)構(gòu)的核心部件是一個(gè)磁電式毫伏計(jì)。動(dòng)圈式儀表與熱電偶配套測(cè)溫時(shí)，熱電偶、連接導(dǎo)線（補(bǔ)償導(dǎo)線）、調(diào)整電阻和顯示儀表組成了一個(gè)閉合回路。

1—熱電偶2—補(bǔ)償導(dǎo)線3—冷端補(bǔ)償器4—外接調(diào)整電阻5—銅導(dǎo)線6—?jiǎng)尤?—張絲8—磁鋼（極靴）

9—指針

10—刻度面板

2/4/202355XMZ系列智能數(shù)字顯示儀表

特點(diǎn)：

1、帶冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償；

2、單片機(jī)智能化設(shè)計(jì)，儀表零點(diǎn)、量程等全部參數(shù)可按鍵設(shè)定；

3、具有軟件校驗(yàn)功能，可通過(guò)按鍵對(duì)儀表進(jìn)行校準(zhǔn)；