第七章熱電式傳感器

第七章熱電式傳感器第一頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程及工程檢測(cè)中,為了對(duì)各種工業(yè)參數(shù)（如壓力、溫度、流量、物位、位移等）進(jìn)行檢測(cè)與控制,首先要把這些參數(shù)轉(zhuǎn)換成便于傳送的信息,這就要用到各種傳感器,把傳感器與其它裝置組合起來(lái),組成一個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)或調(diào)節(jié)系統(tǒng),完成對(duì)工業(yè)參數(shù)的檢測(cè)與控制?？紤]到系統(tǒng)中傳感器與其它裝置的兼容性與互換性,它們之間是用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行傳輸?shù)?這些標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)都是符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào),例如直流電流為4~20mA、直流電壓為1~5V、壓力信號(hào)為20~100kPa,以前也曾以直流電流0~10mA作為通用的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。第二頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日溫度測(cè)量

一、溫度概述1．溫度與溫標(biāo)溫度是工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中一個(gè)非常重要的參數(shù)。物體的許多物理現(xiàn)象和化學(xué)性質(zhì)都與溫度有關(guān)。許多生產(chǎn)過(guò)程都是在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的,需要測(cè)量溫度和控制溫度。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,對(duì)溫度的測(cè)量越來(lái)越普遍,而且對(duì)溫度測(cè)量的準(zhǔn)確度也有更高的要求。溫度是表征物體冷熱程度的物理量。溫度不能直接加以測(cè)量,只能借助于冷熱不同的物體之間的熱交換,以及物體的某些物理性質(zhì)隨著冷熱程度不同而變化的特性間接測(cè)量。第三頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日為了定量地描述溫度的高低,必須建立溫度標(biāo)尺,即溫標(biāo)。溫標(biāo)就是溫度的數(shù)值表示。各種溫度計(jì)和溫度傳感器的溫度數(shù)值均由溫標(biāo)確定。歷史上提出過(guò)多種溫標(biāo),如早期的經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)（攝氏溫標(biāo)和華氏溫標(biāo)）,理論上的熱力學(xué)溫標(biāo),當(dāng)前世界通用的國(guó)際溫標(biāo)。熱力學(xué)溫標(biāo)確定的溫度數(shù)值為熱力學(xué)溫度（符號(hào)為T(mén)）,單位為開(kāi)爾文（符號(hào)為K）,1K等于水三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度的。熱力學(xué)溫度是國(guó)際上公認(rèn)的最基本溫度,國(guó)際溫標(biāo)最終以它為準(zhǔn)而不斷完善。我國(guó)目前實(shí)行的是1990年國(guó)際溫標(biāo)（ITS-90）,它同時(shí)定義國(guó)際開(kāi)爾文溫度（符號(hào)ITS-90）和國(guó)際攝氏溫度（t90）,T90和t90之間的關(guān)系為第四頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日在實(shí)際應(yīng)用中,一般直接用T和t代替T90和t90。

2．溫度測(cè)量的主要方法和分類(1)溫度傳感器的組成在工程中無(wú)論是簡(jiǎn)單的還是復(fù)雜的測(cè)溫傳感器,就測(cè)量系統(tǒng)的功能而言,通常由現(xiàn)場(chǎng)的感溫元件和控制室的顯示裝置兩部分組成,如下圖所示。簡(jiǎn)單的溫度傳感器往往是溫度傳感器和顯示組成一體的,一般在現(xiàn)場(chǎng)使用。第五頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日第六頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日(2)溫度測(cè)量方法及分類測(cè)量方法按感溫元件是否與被測(cè)介質(zhì)接觸,可以分成接觸式與非接觸式兩大類。接觸式測(cè)溫方法是使溫度敏感元件和被測(cè)溫度對(duì)象相接觸,當(dāng)被測(cè)溫度與感溫元件達(dá)到熱平衡時(shí),溫度敏感元件與被測(cè)溫度對(duì)象的溫度相等。這類溫度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，精度高，穩(wěn)定性好，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。這類測(cè)溫方法的溫度傳感器主要有:基于物體受熱體積膨脹性質(zhì)的膨脹式溫度傳感器，基于導(dǎo)體或半導(dǎo)體電阻值隨溫度變化的電阻式溫度傳感器，基于熱電效應(yīng)的熱電偶溫度傳感器。第七頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日非接觸式測(cè)溫方法是應(yīng)用物體的熱輻射能量隨溫度的變化而變化的原理。物體輻射能量的大小與溫度有關(guān),并且以電磁波形式向四周輻射,當(dāng)選擇合適的接收檢測(cè)裝置時(shí),便可測(cè)得被測(cè)對(duì)象發(fā)出的熱輻射能量并且轉(zhuǎn)換成可測(cè)量和顯示的各種信號(hào),實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量。這類測(cè)溫方法的溫度傳感器主要有光電高溫傳感器、紅外輻射溫度傳感器、光纖高溫傳感器等。非接觸式溫度傳感器理論上不存在熱接觸式溫度傳感器的測(cè)量滯后和在溫度范圍上的限制,可測(cè)高溫、腐蝕、有毒、運(yùn)動(dòng)物體及固體、液體表面的溫度,不干擾被測(cè)溫度場(chǎng),但精度較低,使用不太方便。第八頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日

二、膨脹式溫度傳感器根據(jù)液體、固體、氣體受熱時(shí)產(chǎn)生熱膨脹的原理,這類溫度傳感器有液體膨脹式、固體膨脹式和氣體膨脹式。

1．液體膨脹式在有刻度的細(xì)玻璃管里充入液體（稱為工作液,如水銀、酒精等）構(gòu)成液體膨脹式溫度計(jì)。常用的有水銀玻璃溫度計(jì)和電接點(diǎn)式溫度計(jì),這種溫度計(jì)遠(yuǎn)不能算傳感器,它只能就地指示溫度。第九頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日電接點(diǎn)式溫度計(jì)可對(duì)設(shè)定的某一溫度發(fā)出開(kāi)關(guān)信號(hào)或進(jìn)行位式控制,有固定式和可調(diào)式兩種。例如：可調(diào)電接點(diǎn)式溫度計(jì),其中一根鉑絲接在毛細(xì)管下部固定處,另一根鉑絲根據(jù)設(shè)定溫度可以上下移動(dòng),當(dāng)升至設(shè)定溫度時(shí),鉑絲與水銀柱接通,反之?dāng)嚅_(kāi),這種既可指示,又能發(fā)出通斷信號(hào),常用于溫度測(cè)量和雙位控制。

2．固體膨脹式固體膨脹式是以雙金屬元件作為溫度敏感元件受熱而產(chǎn)生膨脹變形來(lái)測(cè)溫的。它由兩種線膨脹系數(shù)不同的金屬緊固結(jié)合而成雙金屬片,為提高靈敏度常作成螺旋形。第十頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日螺旋形雙金屬片一端固定,另一端連接指針軸,當(dāng)溫度變化時(shí),雙金屬片彎曲變形,通過(guò)指針軸帶動(dòng)指針偏轉(zhuǎn)顯示溫度。它常用于測(cè)量-80℃～600℃范圍的溫度,抗震性能好，讀數(shù)方便,但精度不太高,用于工業(yè)過(guò)程測(cè)溫、上下限報(bào)警和控制。

3．氣體膨脹式氣體膨脹式是利用封閉容器中的氣體壓力隨溫度升高而升高的原理來(lái)測(cè)溫的,利用這種原理測(cè)溫的溫度計(jì)又稱壓力計(jì)式溫度計(jì),如圖下所示。溫包、毛細(xì)管和彈簧管三者的內(nèi)腔構(gòu)成一個(gè)封閉容器,其中充滿工作物質(zhì)（如氣體常為氮?dú)猓?工作物質(zhì)的壓力經(jīng)毛細(xì)管傳給彈簧管,使彈簧管產(chǎn)生變形,并由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)指針,指示出被測(cè)溫度的數(shù)值。第十一頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日第十二頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日壓力溫度計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗振及耐腐蝕性能好,與微動(dòng)開(kāi)關(guān)組合可作溫度控制器用,但它的測(cè)量距離受毛細(xì)管長(zhǎng)度限制,一般充液體可達(dá)20m,充氣體或蒸汽可達(dá)60m。

三、熱電偶傳感器熱電偶是工程上應(yīng)用最廣泛的溫度傳感器。它構(gòu)造簡(jiǎn)單,使用方便,具有較高的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性及復(fù)現(xiàn)性,溫度測(cè)量范圍寬,在溫度測(cè)量中占有重要的地位。

1.熱電偶測(cè)溫原理兩種不同的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）組成一個(gè)閉合回路,如圖7-1所示。第十三頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日兩種不同金屬A和B構(gòu)成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接觸端點(diǎn)溫度不同，T>T0時(shí)，回路中會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)。兩個(gè)接點(diǎn),一個(gè)稱工作端,又稱測(cè)量端或熱端,測(cè)溫時(shí)將它置于被測(cè)介質(zhì)中;另一個(gè)稱自由端,又稱參考端或冷端。所產(chǎn)生的熱電勢(shì)由兩部分組成:溫差電勢(shì)和接觸電勢(shì)。（1）接觸電勢(shì)是由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度不同，自由電子由密度大的導(dǎo)體向密度小的導(dǎo)體擴(kuò)散,在接觸處失去電子的一側(cè)帶正電,得到電子的一側(cè)帶負(fù)電,形成穩(wěn)定的接觸電勢(shì)。接觸電勢(shì)的數(shù)值取決于兩種不同導(dǎo)體的性質(zhì)和接觸點(diǎn)的溫度。兩接點(diǎn)的接觸電勢(shì)EAB(T)和EAB(T0)可表示為第十四頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日EAB(T)=

式中:K——波爾茲曼常數(shù);e——單位電荷電量;NAT、NBT和NAT0、NBT0——分別在溫度為T(mén)和T0時(shí),導(dǎo)體A、B的電子密度。（2）溫差電勢(shì)：在同一金屬材料A中，當(dāng)兩端溫度不同T>T0，兩端電子的能量不同，溫度高的一端電子能量大，電子會(huì)向溫度低的一端擴(kuò)散，從而而產(chǎn)生的一種熱電勢(shì)。第十五頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日同一導(dǎo)體的兩端溫度不同時(shí),高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大,因而從高溫端跑到低溫端的電子數(shù)比從低溫端跑到高溫端的要多,結(jié)果高溫端因失去電子而帶正電,低溫端因獲得多余的電子而帶負(fù)電,因此,在導(dǎo)體兩端便形成溫差電勢(shì),其大小由下面公式給出:第十六頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日式中:NAT和NBT分別為A導(dǎo)體和B導(dǎo)體的電子密度,是溫度的函數(shù)。（3）熱電偶回路中產(chǎn)生的總熱電勢(shì)為ＥAB(T,T0)=EAB(T)+EB(T,T0)-EAB(T0)-EA(T,T0)(7-3)在總熱電勢(shì)中,溫差電勢(shì)比接觸電勢(shì)小很多,可忽略不計(jì),熱電偶的熱電勢(shì)可表示為EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)（7-5）對(duì)于已選定的熱電偶,當(dāng)參考端溫度T0恒定時(shí),EAB(T0)=c為常數(shù),則總的熱電動(dòng)勢(shì)就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)系,即EAB(T,T)=EAB(T)-c=f(T)(7-6)第十七頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日實(shí)際應(yīng)用中,熱電勢(shì)與溫度之間關(guān)系是通過(guò)熱電偶分度表來(lái)確定的。分度表是在參考端溫度為0℃時(shí),通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立起來(lái)的熱電勢(shì)與工作端溫度之間的數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系。熱電勢(shì)存在條件：1）兩種金屬材料組成的熱電偶2）兩端存在溫差用熱電偶測(cè)溫,還要掌握熱電偶基本定律。下面引述幾個(gè)常用的熱電偶定律。

第十八頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日2.熱電偶基本定律(1)均質(zhì)導(dǎo)體定律

由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路中,不論導(dǎo)體的截面和長(zhǎng)度如何以及各處的溫度分布如何,都不能產(chǎn)生熱電勢(shì)。這條定理說(shuō)明,熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的均質(zhì)材料構(gòu)成。第十九頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日(2)中間溫度定律

在熱電偶回路中，冷端斷開(kāi)接入與A、B電極不同另外一種導(dǎo)體C，只要中間導(dǎo)體的兩端溫度相同，熱電偶回路的總電勢(shì)不受中間導(dǎo)體接入的影響。在接點(diǎn)溫度為t、t0時(shí)的熱電勢(shì)EAB(t,t0)等于熱電偶AB在接點(diǎn)溫度t、tc和tc、t0時(shí)的熱電勢(shì)EAB(t,tc)和EAB(tc,t0)的代數(shù)和,即:第二十頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日接入第三種導(dǎo)體回路。由于溫差電勢(shì)可忽略不計(jì),則回路中的總熱電勢(shì)等于各接點(diǎn)的接觸電勢(shì)之和。即EABC(T,T0)=EAB(T)+EBC(T0)+ECA(T0)當(dāng)T=T0時(shí),有ＥBC(T0)+ECA(T0)=-EＡＢ(T0)將(11-10）式代入(11-9）式中得ＥＡＢＣ(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)=EAB(T,T0)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)。第二十一頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日該定律是參考端溫度計(jì)算修正法的理論依據(jù)。在實(shí)際熱電偶測(cè)溫回路中,利用熱電偶這一性質(zhì),可對(duì)參考端溫度不為0℃的熱電勢(shì)進(jìn)行修正。第二十二頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日（3）連接導(dǎo)體定律在熱電偶回路中，如果熱電極A和B分別與A’和B’相連接，其接點(diǎn)溫度分別為：T、Tn、T0，則回路的熱電勢(shì)等于熱電偶的熱電勢(shì)EAB(T,Tn)與連接導(dǎo)體的熱電勢(shì)EA’B’(T,Tn)之和。EABA’B’(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EA’B’(Tn,T0)第二十三頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日

3.熱電偶類型(標(biāo)準(zhǔn)化)理論上講,任何兩種不同材料的導(dǎo)體都可以組成熱電偶,但為了準(zhǔn)確可靠地測(cè)量溫度,對(duì)組成熱電偶的材料必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的選擇。工程上用于熱電偶的材料應(yīng)滿足以下條件:熱電勢(shì)變化盡量大,熱電勢(shì)與溫度關(guān)系盡量接近線性關(guān)系,物理、化學(xué)性能穩(wěn)定,易加工,復(fù)現(xiàn)性好,便于成批生產(chǎn),有良好的互換性。實(shí)際上并非所有材料都能滿足上述要求。目前在國(guó)際上被公認(rèn)比較好的熱電材料只有幾種。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）向世界各國(guó)推薦8種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶,所謂標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶,它已列入工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化文件中,具有統(tǒng)一的分度表。我國(guó)從1988年開(kāi)始采用IEC標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)熱電偶。表11-1為我國(guó)采用的幾種熱電偶的主要性能和特點(diǎn)。第二十四頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日S型（鉑銠10-鉑熱電偶）正端：10%銠，90%鉑負(fù)端：鉑B型（鉑銠30-鉑銠6）K型(鎳珞-鎳硅)E型第二十五頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日第二十六頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日第二十七頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日表中所列的每一種熱電偶中前者為熱電偶的正極,后者為負(fù)極。目前工業(yè)上常用的有四種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶,即鉑銠30--鉑銠6,鉑銠10-鉑,鎳鉻-鎳硅和鎳鉻-銅鎳（我國(guó)通常稱為鎳鉻-康銅）熱電偶,它的分度表見(jiàn)表7-2至表7-5第二十八頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日第二十九頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日第三十頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日第三十一頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日第三十二頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日另外,目前還生產(chǎn)一些特殊用途的熱電偶,以滿足特殊測(cè)溫的需要。如用于測(cè)量3800℃超高溫的鎢鎳系列熱電偶,用于測(cè)量2~273K的超低溫的鎳鉻-金鐵熱電偶等。

4.熱電偶的結(jié)構(gòu)形式為了適應(yīng)不同生產(chǎn)對(duì)象的測(cè)溫要求和條件,熱電偶的結(jié)構(gòu)形式有普通型熱電偶、鎧裝型熱電偶和薄膜熱電偶等。(1)普通型熱電偶普通型結(jié)構(gòu)熱電偶工業(yè)上使用最多,它一般由熱電極、絕緣套管、保護(hù)管和接線盒組成,其結(jié)構(gòu)如圖7-8所示。普通型熱電偶按其安裝時(shí)的連接形式可分為固定螺紋連接、固定法蘭連接、活動(dòng)法蘭連接、無(wú)固定裝置等多種形式。第三十三頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日第三十四頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日(2)鎧裝熱電偶鎧裝熱電偶又稱套管熱電偶。它是由熱電偶絲、絕緣材料和金屬套管三者經(jīng)拉伸加工而成的堅(jiān)實(shí)組合體,如圖7-9所示。它可以做得很細(xì)很長(zhǎng),使用中隨需要能任意彎曲。鎧裝熱電偶的主要優(yōu)點(diǎn)是測(cè)溫端熱容量小,動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,機(jī)械強(qiáng)度高,撓性好,可安裝在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝置上,因此被廣泛用在許多工業(yè)部門(mén)中。(3)薄膜熱電偶薄膜熱電偶是由兩種薄膜熱電極材料,用真空蒸鍍、化學(xué)凃?qū)拥绒k法蒸鍍到絕緣基板上面制成的一種特殊熱電偶,如圖7-10所示。薄膜熱電偶的熱接點(diǎn)可以做得很?。杀〉?.01~0.1μm）,具有熱容量小,反應(yīng)速度快等的特點(diǎn),熱相應(yīng)時(shí)間達(dá)到微秒級(jí),適用于微小面積上的表面溫度以及快速變化的動(dòng)態(tài)溫度測(cè)量。第三十五頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日第三十六頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日第三十七頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日

5.熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線及參考端溫度補(bǔ)償方法從熱電偶測(cè)溫基本公式可以看到,對(duì)某一種熱電偶來(lái)說(shuō)熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)只與工作端溫度t和自由端溫度t0有關(guān),即:EAB(t,t0)=eAB(t)-eAB(t0)熱電偶的分度表是以t0=0℃作為基準(zhǔn)進(jìn)行分度的,而在實(shí)際使用過(guò)程中,參考端溫度往往不為0℃,那么工作端溫度為t時(shí),分度表所對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)EAB(t,0)與熱電偶實(shí)際產(chǎn)生的熱電勢(shì)EAB(t,t0)之間的關(guān)系可根據(jù)中間溫度定律得到下式:EAB(t,0)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0)第三十八頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日由此可見(jiàn),EAB(t0,0)是參考端溫度t0的函數(shù),因此需要對(duì)熱電偶參考端溫度進(jìn)行處理。(1)熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線在實(shí)際測(cè)溫時(shí),需要把熱電偶輸出的電勢(shì)信號(hào)傳輸?shù)竭h(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)數(shù)十米的控制室里的顯示儀表或控制儀表,這樣參考端溫度t0也比較穩(wěn)定。熱電偶一般做得較短需要用導(dǎo)線將熱電偶的冷端延伸出來(lái)。工程中采用一種補(bǔ)償導(dǎo)線,它通常由兩種不同性質(zhì)的廉價(jià)金屬導(dǎo)線制成,而且在0~100℃溫度范圍內(nèi),要求補(bǔ)償導(dǎo)線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。常用熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線列于表7-6第三十九頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日第四十頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日(2)參考端溫度修正法采用補(bǔ)償導(dǎo)線可使熱電偶的參考端延伸到溫度比較穩(wěn)定的地方,但只要參考端溫度不等于0℃,需要對(duì)熱電偶回路的電勢(shì)值加以修正,修正值為EAB(t0,0)。經(jīng)修正后的實(shí)際熱電勢(shì),可由分度表中查出被測(cè)實(shí)際溫度值(3)參考端0℃恒溫法在實(shí)驗(yàn)室及精密測(cè)量中,通常把參考端放入裝滿冰水混合物的容器中,以便參考端溫度保持0℃,這種方法又稱冰浴法。(4)參考端溫度自動(dòng)補(bǔ)償法（補(bǔ)償電橋法）補(bǔ)償電橋法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓作為補(bǔ)償信號(hào),來(lái)自動(dòng)補(bǔ)償熱電偶測(cè)量過(guò)程中因參考端溫度不為0℃或變化而引起熱電勢(shì)的變化值。第四十一頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日如圖7-11所示,不平衡電橋由三個(gè)電阻溫度系數(shù)較小的錳銅絲繞制的電阻r1\、r2、r3、電阻溫度系數(shù)較大的銅絲繞制的電阻Rcu和穩(wěn)壓電源組成。補(bǔ)償電橋與熱電偶參考端處在同一環(huán)境溫度,但由于Rcu的阻值隨環(huán)境溫度變化而變化,如果適當(dāng)選擇橋臂電阻和橋路電流,就可以使電橋產(chǎn)生的不平衡電壓Uab補(bǔ)償由于參考端溫度變化引起的熱電勢(shì)EAB(t,t0)變化量,從而達(dá)到自動(dòng)補(bǔ)償?shù)哪康摹５谒氖?yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日第四十三頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日

4．熱電偶測(cè)溫線路熱電偶測(cè)溫時(shí),它可以直接與顯示儀表（如電子電位差計(jì)、數(shù)字表等）配套使用,也可與溫度變送器配套,轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào),圖7-12為典型的熱電偶測(cè)溫線路。如用一臺(tái)顯示儀表顯示多點(diǎn)溫度時(shí),可按圖7-13連接,這樣可節(jié)約顯示儀表和補(bǔ)償導(dǎo)線。特殊情況下,熱電偶可以串聯(lián)或并聯(lián)使用,但只能是同一分度號(hào)的熱電偶,且參考端應(yīng)在同一溫度下。如熱電偶正向串聯(lián),可獲得較大的熱電勢(shì)輸出和提高靈敏度。在測(cè)量?jī)牲c(diǎn)溫差時(shí),可采用熱電偶反向串聯(lián)。利用熱電偶并聯(lián)可以測(cè)量平均溫度。熱電偶串、并聯(lián)線路如圖7-14所示第四十四頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日第四十五頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日第四十六頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日第四十七頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日

四．熱電阻傳感器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。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。熱電阻廣泛用來(lái)測(cè)量-200~+850℃范圍內(nèi)的溫度,少數(shù)情況下,低溫可測(cè)量至1K,高溫達(dá)1000℃。標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的精確度高,并作為復(fù)現(xiàn)國(guó)際溫標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)儀器。熱電阻傳感器由熱電阻、連接導(dǎo)線及顯示儀表組成,如圖7-15所示。熱電阻也可與溫度變送器連接,轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出。第四十八頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日第四十九頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日1．常用熱電阻用于制造熱電阻的材料應(yīng)具有盡可能大和穩(wěn)定的電阻溫度系數(shù)和電阻率,R-t關(guān)系最好成線性,物理化學(xué)性能穩(wěn)定,復(fù)現(xiàn)性好等。目前最常用的熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻。(1)鉑熱電阻鉑熱電阻的特點(diǎn)是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠,所以在溫度傳感器中得到了廣泛應(yīng)用。按IEC標(biāo)準(zhǔn),鉑熱電阻的使用溫度范圍為-200~+850℃。鉑熱電阻的特性方程為在-200~0℃的溫度范圍內(nèi):Rt=R0［1+At+Bt2+Ct3(t-100)］在0~850℃的溫度范圍內(nèi):Rt=R0(1+At+Bt2)第五十頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日式中Rt和R0分別為t℃和0℃時(shí)鉑電阻值;A、B和C為常數(shù)。在ITS-90中,這些常數(shù)規(guī)定為:A=3.9083×10-13/℃B=-5.775×10-7/℃2C=-4.183×10-12/℃4從上式看出,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)得熱電阻的阻值Rt,便可從分度表上查出對(duì)應(yīng)的溫度值。Pt100的分度表見(jiàn)表7-7。第五十一頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日第五十二頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日鉑熱電阻中的鉑絲純度用電阻比W100表示,它是鉑熱電阻在100℃時(shí)電阻值R100與0℃時(shí)電阻值R0之比。按IEC標(biāo)準(zhǔn),工業(yè)使用的鉑熱電阻的W100>1.3850。(2)銅熱電阻由于鉑是貴重金屬,因此,在一些測(cè)量精度要求不高且溫度較低的場(chǎng)合,可采用銅熱電阻進(jìn)行測(cè)溫,它的測(cè)量范圍為-50~+150℃。銅熱電阻在測(cè)量范圍內(nèi)其電阻值與溫度的關(guān)系幾乎是線性的,可近似地表示為:Rt=R0（1+αt）

式中α為銅熱電阻的電阻溫度系數(shù),取α=4.28×10-3/℃。銅熱電組的兩種分度號(hào)為Cu50(R0=50Ω)和Cu100（R100=100Ω）。

第五十三頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日銅熱電阻線性好,價(jià)格便宜,但它易氧化,不適宜在腐蝕性介質(zhì)或高溫下工作。

1.熱電阻的結(jié)構(gòu)工業(yè)用熱電阻的結(jié)構(gòu)如圖7-16所示。它由電阻體、絕緣管、保護(hù)套管、引線和接線盒等部分組成。電阻體由電阻絲和電阻支架組成。電阻絲采用雙線無(wú)感繞法繞制在具有一定形狀的云母、石英或陶瓷塑料支架上,支架起支撐和絕緣作用,引出線通常采用直徑1mm的銀絲或鍍銀銅絲,它與接線盒柱相接,以便與外接線路相連而測(cè)量顯示溫度。用熱電阻傳感器進(jìn)行測(cè)溫時(shí),測(cè)量電路經(jīng)常采用電橋電路。而熱電阻與檢測(cè)儀表相隔一段距離,因此熱電阻的引線對(duì)測(cè)量結(jié)果有較大的影響。第五十四頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日第五十五頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日

熱電阻內(nèi)部引線方式有兩線制、三線制和四線制三種。二線制中引線電阻對(duì)測(cè)量影響大,用于測(cè)溫精度不高場(chǎng)合。三線制可以減小熱電阻與測(cè)量?jī)x表之間連接導(dǎo)線的電阻因環(huán)境溫度變化所引起的測(cè)量誤差。四線制可以完全消除引線電阻對(duì)測(cè)量的影響,用于高精度溫度檢測(cè)。

五．集成溫度傳感器集成溫度傳感器是利用晶體管PN結(jié)的電流電壓特性與溫度的關(guān)系,把感溫PN結(jié)及有關(guān)電子線路集成在一個(gè)小硅片上,構(gòu)成一個(gè)小型化、一體化的專用集成電路片。集成溫度傳感器具有體積小、反應(yīng)快、線性好、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn),由于PN結(jié)受耐熱性能和特性范圍的限制,它只能用來(lái)測(cè)150℃以下的溫度。第五十六頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日

1．基本工作原理目前在集成溫度傳感器中,都采用一對(duì)非常匹配的差分對(duì)管作為溫度敏感元件。圖7-18是集成溫度傳感器基本原理圖。其中T1和T2是互相匹配的晶體管,I1和I2分別是T1和T2管的集電極電流,由恒流源提供。T1和T2管的兩個(gè)發(fā)射極和基極電壓之差ΔVbe可用下式表示,即:第五十七頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D7-18集成溫度傳感器基本原理第五十八頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日式中k-是波爾茲曼常數(shù);q-是電子電荷量;T-是絕對(duì)溫度;r-是T1和T2管發(fā)射結(jié)的面積之比。從式中看出,如果保證I1/I2恒定,則ΔVbe就與溫度T成單值線性函數(shù)關(guān)系。這就是集成溫度傳感器的基本工作原理,在此基礎(chǔ)上可設(shè)計(jì)出各種不同電路以及不同輸出類型的集成溫度傳感器。第五十九頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日

1．集成溫度傳感器的信號(hào)輸出方式(1)電壓輸出型電壓輸出型集成溫度傳感器原理電路圖如圖7-19所示。當(dāng)電流I1恒定時(shí),通過(guò)改變R1的阻值,可實(shí)現(xiàn)I1=I2,當(dāng)晶體管的β≥1時(shí),電路的輸出電壓可由下式確定,即:若取R1=940Ω,R2=30KΩ,r=37,則電路輸出的溫度系數(shù)為:

第六十頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日第六十一頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日（2）電流輸出型圖7-20為電流輸出型集成溫度傳感器的原理電路圖。T1和T2是結(jié)構(gòu)對(duì)稱的兩個(gè)晶體管,作為恒流源負(fù)載,T3和T4管是測(cè)溫用的晶體管,其中T3管的發(fā)射結(jié)面積是T4管的8倍,即r=8。流