熱電式傳感器

熱電式傳感器1熱電偶傳感器2熱電阻8.1熱電偶傳感器

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，溫度是需要測(cè)量和控制的重要參數(shù)之一。在溫度測(cè)量中，熱電偶的應(yīng)用極為廣泛，常被用作測(cè)量爐子、管道內(nèi)的氣體或液體的溫度及固體的表面溫度。

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。熱電偶是將溫度量轉(zhuǎn)換為電勢(shì)大小的熱電式傳感器。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便測(cè)量范圍廣、精度高可測(cè)局部溫度輸出信號(hào)便于遠(yuǎn)距離傳送等優(yōu)點(diǎn)：熱電偶類別代號(hào)分度號(hào)測(cè)溫范圍允許誤差鉑銠30-鉑銠6WRRLL-2或B0～1800℃≤800℃，±4.0℃>800℃±0.5%t鉑銠10-鉑WRPLB-3或S0～1600℃≤600℃，±3.0℃>600℃±0.5%t鎳鉻-鎳硅WRNEU-2或K

0～1300℃≤400℃，±3.0℃>400℃±0.75%t鎳鉻-考銅

鎳鉻-銅鎳WRK

WRE

EA-2或E0～800℃

0～1000℃

≤300℃，±3.0℃>300℃±1.0%t幾種常用熱電偶的測(cè)溫范圍及精確度8.1.1熱電偶的工作原理

一、熱電效應(yīng)當(dāng)有兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B組成一個(gè)回路，其兩端相互連接時(shí)，只要兩結(jié)點(diǎn)處的溫度不同，一端溫度為T，稱為工作端或熱端，另一端溫度為T0

，稱為自由端（也稱參考端）或冷端，回路中將產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)的方向和大小與導(dǎo)體的材料及兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)。這種現(xiàn)象稱為“熱電效應(yīng)”，兩種導(dǎo)體組成的回路稱為“熱電偶”，這兩種導(dǎo)體稱為“熱電極”，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)則稱為“熱電勢(shì)”。熱電勢(shì)由兩部分電勢(shì)組成，一部分是兩種導(dǎo)體的接觸電勢(shì)，另一部分是單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)。

（一）接觸電勢(shì)eAB(T)——導(dǎo)體A、B結(jié)點(diǎn)在溫度T時(shí)形成的接觸電動(dòng)勢(shì)；e——單位電荷，e=1.6×10-19C；K——波爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J/K

；nA、nB

——導(dǎo)體A、B在溫度為T時(shí)的電子密度。接觸電勢(shì)的大小與溫度高低及導(dǎo)體中的電子密度有關(guān)。接觸電勢(shì)原理圖+ABeAB(T)-

由于不同的金屬材料所具有的自由電子密度不同，當(dāng)兩種不同的金屬導(dǎo)體接觸時(shí)，在接觸面上就會(huì)發(fā)生電子擴(kuò)散。eA(T，T0)——導(dǎo)體A兩端溫度為T、T0時(shí)形成的溫差電動(dòng)勢(shì)；T，T0——高低端的絕對(duì)溫度；σA——湯姆遜系數(shù)，表示導(dǎo)體A兩端的溫度差為1℃時(shí)所產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)，例如在0℃時(shí)，銅的σ=2μV/℃。（二）溫差電勢(shì)AeA(T,To)ToT溫差電勢(shì)原理圖+++－－－

兩種不同導(dǎo)體（如銅和康銅）組成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接觸點(diǎn)處于不同溫度時(shí),在湯姆遜效應(yīng)和珀耳帖效應(yīng)的共同作用下,接觸點(diǎn)間將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，回路中會(huì)出現(xiàn)電流，此現(xiàn)象稱為溫差電現(xiàn)象，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱為塞貝克電動(dòng)勢(shì)，也稱為溫差電動(dòng)勢(shì)。

這種由兩種不同金屬焊接并將接觸點(diǎn)放在不同溫度下的回路稱為溫差電偶。溫差電偶的溫差電動(dòng)勢(shì)大小由熱端和冷端的溫差決定，其極性熱端為正極，冷端為負(fù)極。由導(dǎo)體材料A、B組成的閉合回路，其接點(diǎn)溫度分別為T、T0,如果T＞T0，則必存在著兩個(gè)接觸電勢(shì)和兩個(gè)溫差電勢(shì)，回路總電勢(shì)：eB(T,T0)T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)AB（三）回路總電勢(shì)nAT、nAT0——導(dǎo)體A在結(jié)點(diǎn)溫度為T和T0時(shí)的電子密度；nBT、nBT0——導(dǎo)體B在結(jié)點(diǎn)溫度為T和T0時(shí)的電子密度；σA、σB——導(dǎo)體A和B的湯姆遜系數(shù)。熱電偶的基本性質(zhì)：（1）熱電偶回路熱電勢(shì)只與組成熱電偶的材料及兩端溫度有關(guān)；與熱電偶的長(zhǎng)度、粗細(xì)、形狀無(wú)關(guān)。（2）如果熱電偶兩電極材料相同，即nA＝nB，σA＝σ

B，雖然兩端溫度不同，但回路中的總熱電勢(shì)仍為零，因此熱電偶必須用兩種不同材料作熱電極；（3）如果熱電偶兩電極材料不同，而熱電偶兩端的溫度相同，即T＝T0，回路中也不產(chǎn)生熱電勢(shì)。由于在金屬中自由電子數(shù)目很多，溫度對(duì)自由電子密度的影響很小，故溫差電勢(shì)可以忽略不計(jì)，在熱電偶回路中起主要作用的是接觸電勢(shì)。nAT和nAT0可記做nA，nBT和nBT0可記做nB

，則有在標(biāo)定熱電偶時(shí)，一般使T0為常數(shù)，則由此可知：當(dāng)T0保持不變時(shí)，EAB(T,T0)和T有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系，這是熱電偶測(cè)溫的基本公式。熱電極的極性測(cè)量端失去電子的熱電極為正極，得到電子的熱電極為負(fù)極。在熱電勢(shì)符號(hào)EAB(T,T0)，規(guī)定寫在前面的A、T分別為正極和高溫，寫在后面的B、T0分別為負(fù)極和低溫。如果它們的前后位置互換，則熱電勢(shì)極性相反。二、熱電偶基本定律(1)均質(zhì)導(dǎo)體定律兩種均質(zhì)金屬組成的熱電極，其電勢(shì)大小與熱電極的直徑、長(zhǎng)度及沿?zé)犭姌O長(zhǎng)度上的溫度分布無(wú)關(guān)，只與熱電極材料和兩端溫度有關(guān)。如果材質(zhì)不均勻，則當(dāng)熱電極上各處溫度不同時(shí)，將產(chǎn)生附加熱電勢(shì)，造成測(cè)量誤差，因此，熱電極材料的均勻性是衡量熱電偶質(zhì)量的重要標(biāo)志之一。如果熱電偶回路中的兩個(gè)熱電極材料相同，無(wú)論兩接點(diǎn)的溫度如何，熱電動(dòng)勢(shì)均為零；反之，如果有熱電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，兩個(gè)熱電極的材料則一定是不同的。根據(jù)這一定律，可以檢驗(yàn)兩個(gè)熱電極材料的成分是否相同(稱為同名極檢驗(yàn)法)，也可以檢查熱電極材料的均勻性。(2)中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體C，只要第三種導(dǎo)體的兩端溫度相等，且接入導(dǎo)體是均質(zhì)的，則無(wú)論接入導(dǎo)體的溫度分布如何，都不會(huì)影響原來(lái)熱電偶的熱電勢(shì)大小。因此，可以將毫伏表接入熱電偶回路，并保證兩個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度一致，就可以對(duì)熱電勢(shì)進(jìn)行測(cè)量，而不影響熱電偶的輸出。右圖回路中的總電動(dòng)勢(shì)為：T0T0BTAC同理,加入第四、第五種導(dǎo)體后,只要加入的導(dǎo)體兩端溫度相等,同樣不影響回路中的總熱電勢(shì)。(3)標(biāo)準(zhǔn)電極定律當(dāng)接點(diǎn)溫度為T、T0時(shí)，用導(dǎo)體A、B組成的熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)等于A、C熱電偶和C、B熱電偶熱電勢(shì)的代數(shù)和，即

EAB（T,T0）=EAC（T,T0）+ECB（T,T0）T0TEBA(T,T0)BAT0TEAC(T,T0)ACT0TECB(T,T0)CB導(dǎo)體C稱為標(biāo)準(zhǔn)電極（一般由鉑制成）。這一規(guī)律稱為標(biāo)準(zhǔn)電極定律。標(biāo)準(zhǔn)電極定律是一個(gè)極為實(shí)用的定律。可以想象，純金屬的種類很多，而合金類型更多。因此，要得出這些金屬之間組合而成熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)，其工作量是極大的。由于鉑的物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，熔點(diǎn)高，易提純，所以，我們通常選用高純鉑絲作為標(biāo)準(zhǔn)電極，只要測(cè)得各種金屬與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)，則各種金屬之間相互組合而成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)可根據(jù)式直接計(jì)算出來(lái)。例如：熱端為100℃，冷端為0℃時(shí)，鎳鉻合金與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)為2.95mV，而考銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)為-4.0mV，則鎳鉻和考銅組合而成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)應(yīng)為2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV

EAB（T,T0）=EAC（T,T0）+ECB（T,T0）(4)連接導(dǎo)體定律為在工業(yè)測(cè)量溫度中使用補(bǔ)償導(dǎo)線提供了理論基礎(chǔ)。(5)中間溫度定律熱電偶在兩接點(diǎn)溫度分別為T、T0時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度分別為T、Tn和接點(diǎn)溫度分別為Tn、T0時(shí)的相應(yīng)熱電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和。BBATnT

T0

AAB8.1.2熱電偶冷端溫度補(bǔ)償由熱電偶測(cè)溫原理知，只有當(dāng)冷端溫度保持不變時(shí)，熱電勢(shì)才是被測(cè)溫度的單值函數(shù)；熱電偶分度表給出的熱電勢(shì)是以冷端溫度0℃條件下測(cè)得的，使用時(shí)必須滿足T0＝0℃，否則會(huì)產(chǎn)生誤差。在工程測(cè)溫中，冷端溫度常隨環(huán)境溫度的變化而變化，將引入測(cè)量誤差，因此，必須采取修正或補(bǔ)償措施。熱電偶材料應(yīng)滿足：熱電特性穩(wěn)定，即熱電勢(shì)與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系不會(huì)變動(dòng)；熱電勢(shì)要足夠大，這樣易于測(cè)量熱電勢(shì)，可得到較高的準(zhǔn)確度；熱電勢(shì)與溫度為單值關(guān)系，最好成線性關(guān)系或簡(jiǎn)單的函數(shù)關(guān)系；物理性能穩(wěn)定，化學(xué)性能穩(wěn)定，不易氧化和腐蝕；電阻溫度系數(shù)和電阻率要??；材料的機(jī)械強(qiáng)度要高，便于制造；復(fù)現(xiàn)性好，便于成批生產(chǎn)。8.1.3熱電偶的常用材料與結(jié)構(gòu)

1．鉑—鉑銠熱電偶(S型)

分度號(hào)LB—3工業(yè)用熱電偶絲：Φ0.5mm，實(shí)驗(yàn)室用可更細(xì)些。正極：鉑銠合金絲,用90％鉑和10％銠(重量比)冶煉而成。負(fù)極：鉑絲。測(cè)量溫度：長(zhǎng)期：1300℃、短期：1600℃。特點(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。用途：實(shí)驗(yàn)室或校驗(yàn)其它熱電偶。測(cè)量溫度較高，一般用來(lái)測(cè)量1000℃以上高溫。在高溫還原性氣體中（如氣體中含Co、H2等）易被侵蝕，需要用保護(hù)套管。材料屬貴金屬，成本較高。熱電勢(shì)較弱。（一）熱電偶常用材料

2．鎳鉻—鎳硅(鎳鋁)熱電偶(K型)分度號(hào)EU—2工業(yè)用熱電偶絲：Φ1.2~2.5mm，實(shí)驗(yàn)室用可細(xì)些。正極：鎳鉻合金(用88.4～89.7％鎳、9～10％鉻，0.6％硅，0.3％錳，0.4～0.7％鈷冶煉而成)。負(fù)極：鎳硅合金(用95.7～97％鎳,2～3％硅,0.4～0.7％鈷冶煉而成)。測(cè)量溫度：長(zhǎng)期1000℃，短期1300℃。特點(diǎn)：價(jià)格比較便宜，在工業(yè)上廣泛應(yīng)用。高溫下抗氧化能力強(qiáng)，在還原性氣體和含有SO2，H2S等氣體中易被侵蝕。復(fù)現(xiàn)性好，熱電勢(shì)大，但精度不如WRLB。3．鎳鉻—考銅熱電偶(E型)分度號(hào)為EA—2工業(yè)用熱電偶絲:Ф1.2～2mm，實(shí)驗(yàn)室用可更細(xì)些。正極：鎳鉻合金負(fù)極：考銅合金（用56％銅，44％鎳冶煉而成）。測(cè)量溫度：長(zhǎng)期600℃，短期800℃。特點(diǎn)：價(jià)格比較便宜，工業(yè)上廣泛應(yīng)用。在常用熱電偶中它產(chǎn)生的熱電勢(shì)最大。氣體硫化物對(duì)熱電偶有腐蝕作用?？笺~易氧化變質(zhì)，適于在還原性或中性介質(zhì)中使用。4．鉑銠30—鉑銠6熱電偶(B型)

分度號(hào)為L(zhǎng)L—2正極：鉑銠合金（用70％鉑，30％銠冶煉而成）。負(fù)極：鉑銠合金（用94％鉑，6％銠冶煉而成）。測(cè)量溫度：長(zhǎng)期可到1600℃，短期可達(dá)1800℃。特點(diǎn)：材料性能穩(wěn)定，測(cè)量精度高。還原性氣體中易被侵蝕。低溫?zé)犭妱?shì)極小，冷端溫度在50℃以下可不加補(bǔ)償。成本高。幾種持殊用途的熱電偶（1）銥和銥合金熱電偶如銥50銠—銥10釕熱電偶它能在氧化氣氛中測(cè)量高達(dá)2100℃的高溫。（2）鎢錸熱電偶是60年代發(fā)展起來(lái)的，是目前一種較好的高溫?zé)犭娕迹墒褂迷谡婵斩栊詺怏w介質(zhì)或氫氣介質(zhì)中，但高溫抗氧能力差。國(guó)產(chǎn)鎢錸-鎢錸20熱電偶使用溫度范圍300～2000℃分度精度為1％。（3）金鐵—鎳鉻熱電偶主要用在低溫測(cè)量，可在2～273K范圍內(nèi)使用，靈敏度約為10μV／℃。（4）鈀—鉑銥15熱電偶是一種高輸出性能的熱電偶，在1398℃時(shí)的熱電勢(shì)為47.255mV，比鉑—鉑銠10熱電偶在同樣溫度下的熱電勢(shì)高出3倍，因而可配用靈敏度較低的指示儀表，常應(yīng)用于航空工業(yè)。（6）銅—康銅熱電偶，分度號(hào)MK

熱電偶的熱電勢(shì)略高于鎳鉻-鎳硅熱電偶，約為43μV/℃。復(fù)現(xiàn)性好，穩(wěn)定性好，精度高，價(jià)格便宜。缺點(diǎn)是銅易氧化，廣泛用于20K～473K的低溫實(shí)驗(yàn)室測(cè)量中。（5）鐵—康銅熱電偶，分度號(hào)TK

靈敏度高，約為53μV/℃，線性度好，價(jià)格便宜，可在800℃以下的還原介質(zhì)中使用。主要缺點(diǎn)是鐵極易氧化，采用發(fā)藍(lán)處理后可提高抗銹蝕能力。

（二）常用熱電偶的結(jié)構(gòu)類型

1．工業(yè)用熱電偶

下圖為典型工業(yè)用熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖。它由熱電偶絲、絕緣套管、保護(hù)管以及接線盒等部分組成。實(shí)驗(yàn)室用時(shí)，也可不裝保護(hù)管，以減小熱慣性。工業(yè)熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖1－接線盒；2－保護(hù)管3―絕緣套管4―熱電偶絲1234(a)(b)(c)(d)

1322．鎧裝式熱電偶（又稱套管式熱電偶）優(yōu)點(diǎn)是小型化（直徑從12mm到0.25mm）、壽命、熱慣性小，使用方便。

測(cè)溫范圍在1100℃以下的有：鎳鉻—鎳硅、鎳鉻—考銅鎧裝式熱電偶。

斷面如圖所示。它是由熱電偶絲、絕緣材料，金屬套管三者拉細(xì)組合而成一體。又由于它的熱端形狀不同，可分為四種型式如圖。圖3.2-12鎧裝式熱電偶斷面結(jié)構(gòu)示意圖1—

金屬套管;2—絕緣材料;3—熱電極(a)—碰底型;(b)—不碰底型;(c)—露頭型;(d)—帽型3．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。如圖，其熱接點(diǎn)極薄(0.01～0.lμm)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—引出線因此，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。目前我國(guó)試制的有鐵—鎳、鐵—康銅和銅—康銅三種,尺寸為60×6×0.2mm;絕緣基板用云母、陶瓷片、玻璃及酚醛塑料紙等；測(cè)溫范圍在300℃以下；反應(yīng)時(shí)間僅為幾ms。

4．快速消耗微型熱電偶下圖為一種測(cè)量鋼水溫度的熱電偶。它是用直徑為Φ0.05～0.lmm的鉑銠10一鉑銠30熱電偶裝在U型石英管中，再鑄以高溫絕緣水泥，外面再用保護(hù)鋼帽所組成。這種熱電偶使用一次就焚化，但它的優(yōu)點(diǎn)是熱慣性小，只要注意它的動(dòng)態(tài)標(biāo)定，測(cè)量精度可達(dá)土5～7℃。1423567891110快速消耗微型1—?jiǎng)偯保?—石英；3—紙環(huán)；4—絕熱泥；5—冷端；6—棉花；7—絕緣紙管；8—補(bǔ)償導(dǎo)線；9—套管；10—塑料插座；11—簧片與引出線8.2熱電阻

一、概述

熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進(jìn)行測(cè)溫的。1.優(yōu)點(diǎn)：①測(cè)量精度高；②有較大的測(cè)量范圍；－200～600℃③易于使用在自動(dòng)測(cè)量和遠(yuǎn)距離測(cè)量中2.分類熱電阻傳感器分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻兩大類,一般把金屬熱電阻稱為熱電阻,而把半導(dǎo)體熱電阻稱為熱敏電阻。3.常用熱電阻用于制造熱電阻的金屬材料應(yīng)滿足以下要求：（1）有盡可能大和穩(wěn)定的電阻溫度系數(shù)和電阻率,R-t關(guān)系最好成線性；（2）熱容量?。唬?）在工作范圍內(nèi)，物理和化學(xué)性能穩(wěn)定，易復(fù)制，價(jià)格便宜；目前最常用的熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻。鉑的物理、化學(xué)性質(zhì)都很穩(wěn)定，耐高溫、耐腐蝕。但在還原性介質(zhì)中，特別是在高溫下，易被氧化物中還原成金屬的金屬蒸汽污染，以致變脆，并改變電阻與溫度的關(guān)系特性?？捎帽Ｗo(hù)套管設(shè)法避免或減輕。

（一）鉑電阻Pt式中，Rt：溫度為t℃時(shí)的阻值R0：溫度為0℃時(shí)的阻值A(chǔ)：常數(shù)，B：常數(shù)，C：常數(shù)，鉑電阻與溫度的關(guān)系為：熱電阻在溫度t時(shí)的電阻值與R0有關(guān)。目前我國(guó)規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有R0=10Ω和R0=100Ω兩種,它們的分度號(hào)分別為Pt10和Pt100,其中以Pt100為常用。鉑熱電阻不同分度號(hào)亦有相應(yīng)分度表,即Rt-t的關(guān)系表,這樣在實(shí)際測(cè)量中,只要測(cè)得熱電阻的