第七章熱電式

第七章熱電式第一頁，共七十頁，2022年，8月28日第一節(jié)熱電偶傳感器熱電偶溫度傳感器的敏感元件是熱電偶。熱電偶由兩根不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體一端焊接或絞接而成，如圖7-1中A、B所示。組成熱電偶的兩根導(dǎo)體或半導(dǎo)體稱為熱電極；焊接的一端稱為熱電偶的熱端，又稱測(cè)量端、工作端；與導(dǎo)線連接的一端稱為熱電偶的冷端，又稱參考端、自由端。

第二頁，共七十頁，2022年，8月28日?qǐng)D7-1熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)示意圖l-熱電偶，2-連接導(dǎo)線，3-顯示儀表第三頁，共七十頁，2022年，8月28日熱電偶的熱端一般要插入需要測(cè)溫的生產(chǎn)設(shè)備中，冷端置于生產(chǎn)設(shè)備外，如果兩端所處溫度不同，則測(cè)溫回路中會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)E。在冷端溫度t0保持不變的情況下，用顯示儀表測(cè)得E的數(shù)值后，便可知道被測(cè)溫度的大小。第四頁，共七十頁，2022年，8月28日一、熱電偶的材料與常用熱電偶（一）熱電偶的材料1.標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶目前，國際電工委員會(huì)（IEC）認(rèn)證的性能較好的標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶有8種，國際上稱之為“字母標(biāo)志熱電偶”，即其名稱用專用字母表示，這個(gè)字母即熱電偶型號(hào)標(biāo)志，稱為分度號(hào)，是各種類型熱電偶的一種很方便的縮寫形式。熱電偶名稱由熱電極材料命名，正極寫在前面，負(fù)極寫在后面，如表7-1所示。第五頁，共七十頁，2022年，8月28日表7-1熱電偶特性表第六頁，共七十頁，2022年，8月28日2.非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶有鉑銠系、銥銠系、鎢錸系及金鐵熱電偶、雙鉑鉬等熱電偶。（二）常用熱電偶1.普通型通常都由熱電極、絕緣套管、保護(hù)管和接線盒等主要部分組成。如圖7-2所示，接線座作為熱電偶感溫元件和熱電偶接線盒的連接件，將感溫元件固定在接線盒上，其材料一般使用耐火陶瓷。第七頁，共七十頁，2022年，8月28日?qǐng)D7-2熱電偶的感溫元件l-接線柱，2-接線座，3-絕緣套管，4-熱電極第八頁，共七十頁，2022年，8月28日接線盒與感溫元件、保護(hù)管裝配成熱電偶產(chǎn)品即形成相應(yīng)類型的熱電偶溫度傳感器，如圖7-3所示。圖7-3熱電偶溫度傳感器1-測(cè)量端，2-熱電極，3-絕緣套管，4-保護(hù)管，5-接線盒第九頁，共七十頁，2022年，8月28日2.鎧裝熱電偶它是由金屬套管、絕緣材料和熱電極經(jīng)焊接密封和裝配等工藝制成的堅(jiān)實(shí)的組合體。金屬套管材料為銅、不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）和鎳基高溫合金（GH30）等，絕緣材料常使用電熔氧化鎂、氧化鋁、氧化鈹?shù)鹊姆勰?，熱電極無特殊要求。套管中熱電極有單支（雙芯），雙支（四芯），彼此間互不接觸。鎧裝熱電偶體積小、熱容量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，可撓性好，具有良好柔軟性，強(qiáng)度高，耐壓、耐震、耐沖擊，因此被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程。第十頁，共七十頁，2022年，8月28日3.薄膜熱電偶薄膜熱電偶是由兩種金屬薄膜連接而成的一種特殊結(jié)構(gòu)的熱電偶，它的測(cè)量端既小又薄，熱容量很小，可用于微小面積上溫度測(cè)量。動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，可測(cè)量快速變化的表面溫度。應(yīng)用時(shí)薄膜熱電偶用膠粘劑緊粘在被測(cè)物表面，所以熱損失很小，測(cè)量精度高。由于使用溫度受膠粘劑和襯墊材料限制，目前只能用于-200～300℃范圍。第十一頁，共七十頁，2022年，8月28日4.表面熱電偶主要用于測(cè)量金屬塊、爐壁、渦輪葉片、軋輥等固體表面溫度。5.浸入式熱電偶主要用于測(cè)量鋼水、銅水、鋁水以及熔融合金的溫度。第十二頁，共七十頁，2022年，8月28日二、熱電偶的工作原理如圖7-4所示，把兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體兩端相接組成閉合回路，當(dāng)兩接點(diǎn)分別置于T和T0（設(shè)T＞T0）兩不同溫度時(shí)，則在回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，形成回路電流。這種現(xiàn)象稱塞貝克效應(yīng)，即熱電效應(yīng)。圖7-4熱電偶回路

。第十三頁，共七十頁，2022年，8月28日（一）熱電勢(shì)的產(chǎn)生1.接觸電勢(shì)不同的導(dǎo)體由于材料不同，電子密度不同，設(shè)NA＞NB。當(dāng)兩種導(dǎo)體相接觸時(shí)，從A擴(kuò)散到B的電子數(shù)比從B擴(kuò)散到A的電子數(shù)多，在A、B接觸面上形成從A到B方向的靜電場(chǎng)Es如圖7-5所示。這個(gè)電場(chǎng)又阻礙擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，最后達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，則此時(shí)接點(diǎn)處形成電勢(shì)差EAB（T）或EAB(T0)，其大小可用下式表示：第十四頁，共七十頁，2022年，8月28日?qǐng)D7-5接觸電勢(shì)

第十五頁，共七十頁，2022年，8月28日

（7-1）

（7-2）

式中：NA（T）、NB（T）—材料A、B在溫度為T時(shí)的自由電子密度；NA（T0）、NB（T0）—材料A、B在溫度為T0時(shí)的自由電子密度；e—單位電荷，e＝16×10-19C；K—玻爾茨曼常數(shù)，K=1.38×10-23J／K。第十六頁，共七十頁，2022年，8月28日接觸電勢(shì)的大小與接點(diǎn)處溫度高低和導(dǎo)體電子密度有關(guān)。溫度越高，接觸電勢(shì)越大；兩種導(dǎo)體電子密度的比值越大，接觸電勢(shì)也越大。2.溫差電勢(shì)同一根導(dǎo)體兩端處于T和T0不同溫度，導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生溫差電勢(shì)。導(dǎo)體A兩端溫度分別為T和T0，溫度不同，使得從高溫端跑到低溫端電子數(shù)比低溫端跑到高溫端的多，于是在高、低溫端之間形成靜電場(chǎng)。與接觸電勢(shì)的形成同理，形成溫差電勢(shì)EA（T，T0），如圖7-6所示。其大小可用下式表達(dá)：第十七頁，共七十頁，2022年，8月28日（7-3）

式中：NAt—A導(dǎo)體在溫度t時(shí)的電子密度?？梢?，EA（T，T0）與導(dǎo)體材料的電子密度和溫度及其分布有關(guān)，且呈積分關(guān)系。若導(dǎo)體為均質(zhì)導(dǎo)體，即熱電極材料均勻，其電子密度只與溫度有關(guān)，與其長度和粗細(xì)無關(guān)，在同樣溫度下電子密度相同。則EA（T，T0）的大小與中間溫度分布無關(guān)，只與導(dǎo)體材料和兩端溫度有關(guān)。。第十八頁，共七十頁，2022年，8月28日

圖7-6溫差電勢(shì)第十九頁，共七十頁，2022年，8月28日3.熱電偶回路總電勢(shì)圖7-7熱電偶回路總熱電勢(shì)熱電偶回路接觸和溫差電勢(shì)分布如圖7-7所示，則熱電偶回路總電勢(shì)為：圖7-7熱電偶回路總熱電勢(shì)第二十頁，共七十頁，2022年，8月28日即：

(7-4)第二十一頁，共七十頁，2022年，8月28日令：（7-5）

（7-6）

則有熱電偶回路的總熱電勢(shì)為：EAB（T，T0）＝EAB（T，0）–EAB（T0，0）

（7-7）第二十二頁，共七十頁，2022年，8月28日式中：EAB（T，T0）—由A、B材料構(gòu)成的熱電偶在端點(diǎn)溫度為T和T0時(shí)的總熱電勢(shì)；EAB（T，0）—由A、B材料構(gòu)成的熱電偶在端點(diǎn)T處的熱電勢(shì)；EAB（T0，0）—由A、B材料構(gòu)成的熱電偶在端點(diǎn)T0處的熱電勢(shì)。第二十三頁，共七十頁，2022年，8月28日在回路電勢(shì)中，電子密度大的熱電極A稱正極，電子密度小的熱電極B稱為負(fù)極。由式（7-7）可知，在熱電極材料一定時(shí)，EAB（T，T0）成為兩端溫度的函數(shù)，即EAB（T，T0）=f（T）–f（T0）

(7-8)如果冷端溫度T0保持恒定，則總電勢(shì)成為熱端溫度T的單值函數(shù)，即EAB（T，T0）=f（T）+C=φ(T)

（7-9）第二十四頁，共七十頁，2022年，8月28日保持冷端溫度T0不變，對(duì)于確定材料的熱電偶，E～T之間呈單值關(guān)系，可以用精密實(shí)驗(yàn)法測(cè)得。用顯示儀表測(cè)得E，即可知熱端溫度T。由式（7-7）可得出如下結(jié)論：1）由一種均質(zhì)材料（導(dǎo)體或半導(dǎo)體）兩端焊接組成閉合回路，無論導(dǎo)體截面如何、溫度分布如何，將不產(chǎn)生接觸電勢(shì)，溫差電勢(shì)相抵消，回路中總電勢(shì)為零。2）如果熱電偶兩端點(diǎn)溫度相同，盡管由兩種材料焊接組成閉合回路，同樣回路中總電勢(shì)為零。3）熱電偶回路熱電勢(shì)的大小只與材料和端點(diǎn)溫度有關(guān)，與熱電偶的尺寸形狀無關(guān)。

第二十五頁，共七十頁，2022年，8月28日（二）熱電偶的基本定律

1.中間溫度定律如圖7-8所示，熱電偶回路兩接點(diǎn)（溫度為T、T0）間熱電勢(shì)，等于熱電偶在溫度為T、Tn時(shí)的熱電勢(shì)與在溫度為Tn、T0時(shí)的熱電勢(shì)的代數(shù)和。圖7-8中間溫度定律示意圖第二十六頁，共七十頁，2022年，8月28日2.中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入中間導(dǎo)體（第三導(dǎo)體C），只要中間導(dǎo)體兩端溫度相同，中間導(dǎo)體的引入對(duì)熱電偶回路總電勢(shì)沒有影響，這就是中間導(dǎo)體定律。在熱電偶測(cè)溫應(yīng)用中，中間導(dǎo)體的接入不外乎圖7-9(a)、(b)所示兩種方式。圖7-9（a）的等效原理如圖7-9(c)所示。第二十七頁，共七十頁，2022年，8月28日(a)(b)(c)圖7-9接入中間導(dǎo)體的熱電偶測(cè)溫回路第二十八頁，共七十頁，2022年，8月28日三、熱電偶冷端溫度補(bǔ)償熱電偶回路的熱電勢(shì)的大小不僅與熱端溫度有關(guān)，而且與冷端溫度有關(guān)，只有當(dāng)冷端溫度保持不變，熱電勢(shì)才是被測(cè)熱端溫度的單值函數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，由于熱電偶的冷端與熱端距離通常很近，冷端（接線盒處）又暴露于空間，受到周圍環(huán)境溫度波動(dòng)的影響。冷端溫度很難保持恒定，保持在0℃就更難，因此必須采取措施，消除冷端溫度變化和不為0℃所產(chǎn)生的影響，進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償。第二十九頁，共七十頁，2022年，8月28日（一）補(bǔ)償導(dǎo)線補(bǔ)償導(dǎo)線是由兩種不同性質(zhì)的廉價(jià)金屬材料制成，在一定溫度范圍內(nèi)（0～100℃）與所配接的熱電偶具有相同的熱電特性的特殊導(dǎo)線。如圖7-1熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)示意圖中，用補(bǔ)償導(dǎo)線（連接導(dǎo)線）連接熱電偶和顯示儀表，根據(jù)中間溫度定律，熱電偶與補(bǔ)償導(dǎo)線產(chǎn)生的熱電勢(shì)之和為E(t,t0)，因此補(bǔ)償導(dǎo)線的使用相當(dāng)于將熱電極延伸至與顯示儀表的接線端，使回路熱電勢(shì)僅與熱端和補(bǔ)償導(dǎo)線與儀表接線端（新冷端）溫度t0有關(guān)，而與熱電偶接線盒處（原冷端）溫度t0變化無關(guān)。第三十頁，共七十頁，2022年，8月28日（二）冷端溫度校正法1.計(jì)算修正法已知冷端溫度t0，根據(jù)中間溫度定律，應(yīng)用下式進(jìn)行修正：

E（t，0）＝E（t，t0）＋E（t0，0）（7-14）式中E（t，t0）—為回路實(shí)際熱電勢(shì)。第三十一頁，共七十頁，2022年，8月28日2.機(jī)械零位調(diào)整法調(diào)整機(jī)械零位相當(dāng)于外線路電勢(shì)輸入為零時(shí)預(yù)先給儀表輸入一個(gè)電勢(shì)E（t0，0）。當(dāng)接入熱電偶后，外電路熱電勢(shì)E（t，t0）與表內(nèi)預(yù)置電勢(shì)E（t0，0）迭加，使回路總電勢(shì)正好為E（t，0），儀表直接指示出熱端溫度t。使用儀表機(jī)械零位調(diào)整法簡(jiǎn)單方便，但冷端溫度發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)及時(shí)斷電，重新調(diào)整儀表機(jī)械零位，使之指示到新的冷端溫度上。第三十二頁，共七十頁，2022年，8月28日（三）冰浴法實(shí)驗(yàn)室常采用冰浴法使冷端溫度保持為恒定0℃，對(duì)熱電偶進(jìn)行熱電勢(shì)值的校驗(yàn)。

（四）補(bǔ)償電橋法如圖7-10所示。橋臂電阻R1、R2、R3、RCu與熱電偶冷端處于相同的溫度環(huán)境，R1、R2、R3均為由錳銅絲繞制的1Ω電阻，RCu是用銅導(dǎo)線繞制的溫度補(bǔ)償電阻。E=4V是經(jīng)穩(wěn)壓電源提供的橋路直流電源。Rs是限流電阻，阻值因配用的熱電偶不同而不同。

第三十三頁，共七十頁，2022年，8月28日?qǐng)D7-10熱電偶冷端補(bǔ)償電橋1-熱電偶，2-補(bǔ)償導(dǎo)線，3-銅導(dǎo)線，4-補(bǔ)償電橋第三十四頁，共七十頁，2022年，8月28日一般選擇RCu阻值，使電橋在20℃時(shí)處于平衡，此時(shí)=1Ω，20℃稱為平衡點(diǎn)溫度，電橋平衡，不起補(bǔ)償作用。冷端溫度變化，熱電偶熱電勢(shì)Ex將變化：E（t，t0）-E（t，20）=E（20，t0），此時(shí)電橋不平衡，適當(dāng)選擇RCu的大小，使Uab

=E（t0，20），與熱電偶熱電勢(shì)疊加，則外電路總電勢(shì)保持EAB（t，20），不隨冷端溫度變化而變化。如果配用儀表機(jī)械零位調(diào)整法進(jìn)行校正，則儀表機(jī)械零位應(yīng)調(diào)至冷端溫度補(bǔ)償電橋的平衡點(diǎn)溫度（20℃）處，不必因冷端溫度變化重新調(diào)整。第三十五頁，共七十頁，2022年，8月28日第二節(jié)金屬熱電阻傳感器

電阻式傳感器廣泛用于測(cè)量-200～+960℃范圍內(nèi)的溫度。是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻隨溫度變化而變化的性質(zhì)而工作的，用儀表測(cè)量出熱電阻的阻值變化，從而得到與電阻值對(duì)應(yīng)的溫度值。電阻式傳感器分為金屬熱電阻傳感器和半導(dǎo)體熱電阻傳感兩類。前者稱為熱電阻，后者稱為熱敏電阻。第三十六頁，共七十頁，2022年，8月28日一、金屬熱電阻測(cè)溫原理金屬熱電阻主要是利用電阻隨溫度升高而增大的特性來測(cè)量溫度的。溫度升高，金屬內(nèi)部子晶格的振動(dòng)加劇，從而使金屬內(nèi)部的自由電子通過金屬導(dǎo)體時(shí)的阻力增大，宏觀上表現(xiàn)出電阻率變大，總電阻值增加。熱電阻的阻值與溫度的關(guān)系為Rt=R0(1+At+Bt2+Ct3+Dt4)(7-15)式中：R0—熱電阻在0℃時(shí)的電阻值；A、B、C、D—溫度系數(shù)。第三十七頁，共七十頁，2022年，8月28日為了準(zhǔn)確地測(cè)出電阻的大小以反映溫度的高低，常采用電橋來測(cè)量Rt阻值的變化，并轉(zhuǎn)化為電壓輸出，其原理如圖7-11所示。圖7-11熱電阻測(cè)溫電橋原理第三十八頁，共七十頁，2022年，8月28日當(dāng)溫度處于測(cè)量下限時(shí)，Rt=Rtmin，合理設(shè)計(jì)橋路電阻阻值，滿足：R3·(Rtmin+2R1)=R2·R4此時(shí)電橋平衡，△U=0，即：

(7-16)第三十九頁，共七十頁，2022年，8月28日

(7-17)

當(dāng)溫度上升時(shí)，使Rt=Rtmin+△R1，橋路失去平衡，有：第四十頁，共七十頁，2022年，8月28日由于熱電阻引入橋路的連接導(dǎo)線的阻值R1會(huì)隨環(huán)境溫度的變化而變化，根據(jù)式7-13，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，連接導(dǎo)線電阻值R1的變化2△R1將與熱電阻阻值變化相疊加，此時(shí)：

(7-18)

第四十一頁，共七十頁，2022年，8月28日二.金屬熱電阻的材料金屬熱電阻種類較多，如鉑、銅、鎳、鐵等，常用的有鉑電阻和銅電阻。

1.鉑電阻鉑絲是目前公認(rèn)制造熱電阻的最好材料，物理、化學(xué)性能非常穩(wěn)定，長期復(fù)現(xiàn)性最好，測(cè)量精度高、易于提純。鉑電阻主要用作標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計(jì)，第四十二頁，共七十頁，2022年，8月28日常用的有Pt100，測(cè)溫范圍為-200～660℃，電阻溫度系數(shù)為3.9×10-3／℃，0℃時(shí)電阻值為100Ω。但鉑在高溫下，易受還原性介質(zhì)污染，使鉑絲變脆并改變鉑絲電阻與溫度間的關(guān)系，因此使用時(shí)應(yīng)裝在保護(hù)套管中，如圖7-12所示。鉑電阻的純度以電阻R（100℃）／R（0℃）來表示，一般工業(yè)用鉑電阻溫度計(jì)對(duì)純度要求不少于1.3851。目前中國常用的鉑電阻有兩種，分度號(hào)Pt100和Pt10，最常用的是Ptl00，R（0℃）=100.00Ω，

第四十三頁，共七十頁，2022年，8月28日?qǐng)D7-12鉑電阻體的結(jié)構(gòu)l-銀引出線，2-鉑絲，3-鋸齒形云母骨架，4-保護(hù)用云母片，5-銀綁帶，6-銅電阻橫截面，7-保護(hù)套管，8-石英骨架第四十四頁，共七十頁，2022年，8月28日2.銅電阻銅電阻體結(jié)構(gòu)如圖7-13所示。它采用直徑約0.lmm的絕緣銅線，用雙線繞法分層繞在圓柱形塑料支架上；用直徑lmm的銅絲或鍍銀銅絲做引出線。圖7-13銅電阻體的結(jié)構(gòu)l-線圈骨架，2-銅熱電阻絲，3-補(bǔ)償組，4-銅引出線第四十五頁，共七十頁，2022年，8月28日第三節(jié)熱敏電阻熱敏電阻是半導(dǎo)體測(cè)溫元件。按溫度系數(shù)可分為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）和正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）兩大類。NTC熱敏電阻以MF為其型號(hào)，PTC熱敏電阻以MZ為其型號(hào)。第四十六頁，共七十頁，2022年，8月28日一、熱敏電阻的工作原理根據(jù)不同的用途，NTC又可以分為兩大類。一類為負(fù)指數(shù)型，用于測(cè)量溫度，它的電阻值與溫度之間呈負(fù)的指數(shù)關(guān)系；另一類為負(fù)的突變型，當(dāng)其溫度上升到某設(shè)定值時(shí)，其電阻值突然下降，多用于各種電子電路中抑制浪涌電流，起保護(hù)作用。負(fù)指數(shù)型和負(fù)突變型的溫度-電阻特性曲線分別如圖7-15中的曲線2和曲線1所示。

第四十七頁，共七十頁，2022年，8月28日?qǐng)D7-15熱敏電阻的特性曲線1-突變型NTC，2-負(fù)指數(shù)型NTC，3-線性型PTC，4-突變型PTC第四十八頁，共七十頁，2022年，8月28日典型的PTC熱敏電阻通常是在鈦酸鋇陶瓷中加入施主雜質(zhì)以增大電阻溫度系數(shù)。它的溫度-電阻特性曲線呈非線性，如圖7-15中的曲線4所示。它在電子線路中多起限流、保護(hù)作用，當(dāng)流過PTC的電流超過一定限度或PTC感受到的溫度超過一定限度時(shí)，其電阻值突然增大。近年來，還研制出了用本征鍺或本征硅材料制成的線性PTC熱敏電阻，其線性度和互換性均較好，可用于測(cè)溫。其溫度-電阻特性曲線如圖7-15中的曲線3所示。第四十九頁，共七十頁，2022年，8月28日二、熱敏電阻的主要特性及參數(shù)（一）熱敏電阻的分類熱敏電阻可按電阻的溫度特性、結(jié)構(gòu)、形狀、用途、材料及測(cè)量溫度范圍等進(jìn)行分類。1.按溫度特性分類熱敏電阻按溫度特性可分為三類，如圖7-16所示。第五十頁，共七十頁，2022年，8月28日?qǐng)D7-16熱敏電阻的分類1-NTC；2-線性型PTC；3-非線性PTC；4-CTR第五十一頁，共七十頁，2022年，8月28日1）負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，簡(jiǎn)稱NTC。在工作溫度范圍內(nèi)，電阻隨溫度上升而非線性下