梁森熱電偶傳感器演示文稿

梁森熱電偶傳感器演示文稿2023/5/111目前一頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)2023/5/112（優(yōu)選）梁森熱電偶傳感器目前二頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)第一節(jié)溫度測量的基本概念

一、溫度測量的基本概念

溫度標(biāo)志著物質(zhì)內(nèi)部大量分子無規(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！低溫高溫目前三頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)二、溫標(biāo)1、溫度的數(shù)值表示方法稱為溫標(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。各類溫度計(jì)的刻度均由溫標(biāo)確定。

2、國際上規(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。目前四頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)幾種溫標(biāo)的對比

正常體溫為37C

，相當(dāng)于華氏溫度多少度？目前五頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)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)，是由開爾文（Kelvin）根據(jù)熱力學(xué)定律提出來的，因此又稱開氏溫標(biāo)。它的符號是T，單位是開爾文（K）。威廉·湯姆遜·開爾文勛爵像目前六頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)1990國際溫標(biāo)(ITS-90)

國際溫度咨詢委員會(huì)于1989年9月通過了1990年新的國際溫標(biāo)(ITS-90),并上報(bào)國際計(jì)量委員會(huì)批準(zhǔn)。這個(gè)新國際溫標(biāo)于1990年1月1日起在全世界各國開始執(zhí)行。新溫標(biāo)用“T_(90)”代表勢力學(xué)溫度,其單位仍用K表示。我國的國家法定測溫標(biāo)準(zhǔn)將統(tǒng)一采用新的國際溫，簡稱ITS-90。ITS-90定義了一系列溫度的固定點(diǎn)，測量和重現(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。

目前七頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)三、溫度測量及傳感器分類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、非電測型等。目前八頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)介紹幾種溫度測量方法

示溫涂料（變色涂料）裝滿熱水后圖案變得清晰可辨目前九頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)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色目前十頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)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)溫度成正比目前十一頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)紅外溫度計(jì)激光瞄準(zhǔn)目前十二頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)熱電偶測溫的主要優(yōu)點(diǎn)

1、它屬于自發(fā)電型傳感器：測量時(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)中的熱電勢均符合國際計(jì)量委員會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)。目前十三頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)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。

熱電極A右端稱為：自由端（參考端、冷端）

第二節(jié)熱電偶的工作原理及分類

左端稱為：測量端（工作端、熱端）

熱電極B熱電勢AB目前十四頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)從實(shí)驗(yàn)到理論：熱電效應(yīng)

1821年，德國物理學(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)。這說明什么？1－工作端2－熱電極

3－指南針4－參考端

目前十五頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)動(dòng)畫3：“結(jié)點(diǎn)”產(chǎn)生熱電勢的微觀解釋

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。

自由電子＋ABeAB（

T）T熱電偶的圖形符號自由電子濃度高，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)電目前十六頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)以上演示得出的結(jié)論：

——有關(guān)熱電偶熱電勢的討論

熱電偶兩結(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的總的熱電勢等于熱端熱電勢與冷端熱電勢之差，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：熱電勢大致與兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫差ΔT或Δt

成正比目前十七頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)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。這又說明什么？

結(jié)論：指南針的偏轉(zhuǎn)說明回路中有電動(dòng)勢產(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。目前十八頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)熱電偶的種類及結(jié)構(gòu)

八種國際通用熱電偶：

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目前十九頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)幾種常用熱電偶的測溫范圍及熱電勢

分度號

名稱

測量溫度范圍

1000C熱電勢/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種熱電偶的測溫范圍與熱電勢各有什么特點(diǎn)？目前二十頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)幾種常用熱電偶的熱電勢與溫度的關(guān)系曲線分析

哪幾種熱電偶的測溫上限較高？

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原點(diǎn)（零度點(diǎn)）？目前二十一頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)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

我國從1991年開始采用國際計(jì)量委員會(huì)規(guī)定的“1990年國際溫標(biāo)”（簡稱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應(yīng)。

直接從熱電偶的分度表查溫度與熱電勢的關(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。目前二十二頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)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。數(shù)字式溫度表溫度上限設(shè)定值溫度上限值設(shè)定鍵目前二十三頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)K熱電偶的分度表

比較查出的3個(gè)熱電勢，可以看出熱電勢是否線性？目前二十四頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)如何由熱電偶的熱電勢查熱端溫度值

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

。目前二十五頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)裝配型熱電偶的外形安裝螺紋安裝法蘭目前二十六頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)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

目前二十七頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)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)長度、將工作端焊接密封、配置接線盒即成為柔軟、細(xì)長的鎧裝熱電偶。

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、狹窄場合的測溫問題，且具有抗震、可彎曲、超長等優(yōu)點(diǎn)。

目前二十八頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)鎧裝型熱電偶外形法蘭鎧裝型熱電偶可長達(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目前二十九頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)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）。目前三十頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)隔爆型熱電偶外形厚壁保護(hù)管壓鑄的接線盒電纜線目前三十一頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)其他熱電偶外形小形K型熱電偶目前三十二頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)第三節(jié)熱電偶冷端的延長

采用相對廉價(jià)的補(bǔ)償導(dǎo)線，可延長熱電偶的冷端，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)的熱電勢與配套的熱電偶的熱電勢相等，所以不影響測量精度。目前三十三頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)補(bǔ)償導(dǎo)線型號（續(xù)）型號配用熱電偶正-負(fù)型號導(dǎo)線外皮顏色正-負(fù)100℃時(shí)的熱電勢/mVRCR（鉑銠13—鉑）RC紅-綠0.647NCN（鎳鉻硅—鎳硅）NC紅-黃2.744EXE（鎳鉻—銅鎳）EX紅-棕6.319JXJ（鐵—銅鎳）JX紅-紫5.264TXT（銅—銅鎳）

TX紅-白4.279目前三十四頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)補(bǔ)償導(dǎo)線外形

A’B’屏蔽層保護(hù)層目前三十五頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)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)，必須滿足t0=0℃的條件。在實(shí)際測溫中，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℃，熱電勢總是偏小。應(yīng)想辦法消除或補(bǔ)償熱電偶的冷端損失。目前三十六頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)冷端溫度補(bǔ)償?shù)姆椒?/p>

一、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。

目前三十七頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)冰浴法

在冰瓶中，冰水混合物的溫度能較長時(shí)間地保持在0℃不變。目前三十八頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)冰浴法接線圖

1—被測流體管道

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

目前三十九頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)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，所以測得的熱電勢EAB（t，t0）與冷端為0℃時(shí)所測得的熱電勢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)算并修正測量誤差：

EAB（t，0℃）=EAB（t，t0）+EAB（t0，0℃）目前四十頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)計(jì)算修正法舉例K熱電偶測溫電路中，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。目前四十一頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)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)償冷端損失目前四十二頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)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)生的不平衡電壓來自動(dòng)補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢變化值，可購買與被補(bǔ)償熱電偶對應(yīng)型號的補(bǔ)償電橋。

目前四十三頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)半導(dǎo)體集成溫度傳感器及熱電偶冷端溫度的測量

PN結(jié)是集成溫度傳感器的最基礎(chǔ)的測溫原件

PN結(jié)的溫度特性

結(jié)論：二極管的正向電壓降UD以

-2mV/℃的趨勢變化

目前四十四頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)集成溫度傳感器的類型

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（以絕對溫度0K作為電流的零點(diǎn)）；數(shù)字型又可以分為開關(guān)輸出型、并行輸出型、串行輸出型等幾種不同的形式。

目前四十五頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)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。

目前四十六頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)AD590封裝示意圖空腳（接地）目前四十七頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)AD590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。目前四十八頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)電壓輸出型集成溫度傳感器——

LM35/45LM35/45的外形及引腳圖

目前四十九頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)電壓輸出型集成溫度傳感器

——

LM35/45

LM35/45構(gòu)成的攝氏溫度測量電路及組裝成的測溫傳感器目前五十頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)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散熱片目前五十一頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)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)上萬個(gè)晶體管，能將測溫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。目前五十二頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)專用熱電偶冷端溫度補(bǔ)償芯片

MAX6675是基于SPI總線、專門用于對工業(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)償后的熱電勢轉(zhuǎn)換為代表溫度的數(shù)字脈沖，從SPI串行接口輸出。

目前五十三頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)第六節(jié)熱電偶的應(yīng)用及配套儀表

由于我國生產(chǎn)的熱電偶均符合ITS-90國際溫標(biāo)所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，其一致性非常好，所以國家又規(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。

目前五十四頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)XCZ系列指針式顯示儀表

XC系列動(dòng)圈式儀表測量機(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

目前五十五頁\總數(shù)六十三頁\編于八點(diǎn)XMZ系列智能數(shù)字顯示儀表

特點(diǎn)：

1、帶冷端溫度自