熱電偶傳感器

熱電偶傳感器第一頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三第一節(jié)溫度測量的基本概念

一、溫度測量的基本概念

溫度標志著物質(zhì)內(nèi)部大量分子無規(guī)則運動的劇烈程度。溫度越高，表示物體內(nèi)部分子熱運動越劇烈。

模擬圖：在一個密閉的空間里，氣體分子在高溫時的運動速度比低溫時快！低溫高溫第二頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三二、溫標

1、溫度的數(shù)值表示方法稱為溫標。它規(guī)定了溫度的讀數(shù)的起點（即零點）以及溫度的單位。各類溫度計的刻度均由溫標確定。

2、國際上規(guī)定的溫標有：攝氏溫標、華氏溫標、熱力學溫標等。

第一節(jié)溫度測量的基本概念

第三頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三幾種溫標的對比

正常體溫為37C，相當于華氏溫度多少度？二、溫標

第一節(jié)溫度測量的基本概念

第四頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三熱力學溫標（K）

熱力學溫標是建立在熱力學第二定律基礎上的最科學的溫標，是由開爾文（Kelvin）根據(jù)熱力學定律提出來的，因此又稱開氏溫標。它的符號是T，單位是開爾文（K）。威廉·湯姆遜·開爾文勛爵像二、溫標

第一節(jié)溫度測量的基本概念

第五頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三1990國際溫標(ITS-90)

從1990年1月1日開始在全世界范圍內(nèi)采用1990年國際溫標，簡稱ITS-90。它定義了一系列溫度的固定點，測量和重現(xiàn)這些固定點的標準儀器以及計算公式，例如水的三相點為273.16K（0.01C）等。

二、溫標

第一節(jié)溫度測量的基本概念

第六頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三按照用途可分為基準溫度計和工業(yè)溫度計；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。

三、溫度測量及傳感器分類第一節(jié)溫度測量的基本概念

第七頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三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三、溫度測量及傳感器分類第一節(jié)溫度測量的基本概念

第八頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三變色涂料在電腦內(nèi)部溫度中的示溫作用CPU散熱風扇低溫時顯示藍色溫度升高后變?yōu)榧t色三、溫度測量及傳感器分類第一節(jié)溫度測量的基本概念

第九頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三不需要電源，耐用；但感溫部件體積較大。

氣體的體積與熱力學溫度成正比介紹幾種溫度測量方法體積熱膨脹式三、溫度測量及傳感器分類第一節(jié)溫度測量的基本概念

第十頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三介紹幾種溫度測量方法紅外溫度計三、溫度測量及傳感器分類第一節(jié)溫度測量的基本概念

第十一頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三熱電偶測溫的主要優(yōu)點:1、它屬于自發(fā)電型傳感器：測量時可以不需外加電源，可直接驅(qū)動動圈式儀表；2、測溫范圍廣：下限可達-270C，上限可達1800C以上；3、各溫區(qū)中的熱電勢均符合國際計量委員會的標準。三、溫度測量及傳感器分類第一節(jié)溫度測量的基本概念

第十二頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三熱電極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

左端稱為：測量端（工作端、熱端）

熱電極B熱電勢AB先看一個實驗——熱電偶工作原理演示結(jié)論：

當兩個結(jié)點溫度不相同時，回路中將產(chǎn)生電動勢。一、熱電效應

第十三頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三1821年，德國物理學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接觸點（稱為結(jié)點），發(fā)現(xiàn)放在回路中的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)（說明什么？），如果用兩盞酒精燈對兩個結(jié)點同時加熱，指針的偏轉(zhuǎn)角反而減?。ㄓ终f明什么？）。顯然，指針的偏轉(zhuǎn)說明回路中有電動勢產(chǎn)生并有電流在回路中流動，電流的強弱與兩個結(jié)點的溫差有關。

從實驗到理論：熱電效應第二節(jié)熱電偶的工作原理

一、熱電效應

第十四頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三自由電子＋ABeAB（

T）T結(jié)點產(chǎn)生熱電勢的微觀解釋及圖形符號兩種不同的金屬互相接觸時，由于不同金屬內(nèi)自由電子的密度不同，在兩金屬A和B的接觸點處會發(fā)生自由電子的擴散現(xiàn)象。自由電子將從密度大的金屬A擴散到密度小的金屬B，使A失去電子帶正電，B得到電子帶負電，從而產(chǎn)生熱電勢。

從實驗到理論：熱電效應第二節(jié)熱電偶的工作原理

一、熱電效應

第十五頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三熱電效應的定義：將兩種不同材料的導體A和B串接成一個閉合回路，當兩個接點溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生熱電勢，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電效應。第二節(jié)熱電偶的工作原理

一、熱電效應

第十六頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三ABTT0k——玻耳茲曼常數(shù)，e——電子電荷量，T——接觸處的溫度，NA，NB——分別為導體A和B的自由電子密度。

接觸電動勢不同材料之間:節(jié)點處電子的擴散所致第二節(jié)熱電偶的工作原理

二、熱電勢（接觸電動勢和溫差電動勢）第十七頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三

溫差電動勢σA，σB——湯姆遜溫度系數(shù)。同種材料：兩端溫度不同電子運動速度不同第二節(jié)熱電偶的工作原理

二、熱電勢（接觸電動勢和溫差電動勢）ABTT0第十八頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三由導體材料A、B組成的閉合回路，其接點溫度分別為T、T0,如果T＞T0，則必存在著兩個接觸電勢和兩個溫差電勢，回路總電勢：T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB回路總電勢NAT、NAT0——導體A在結(jié)點溫度為T和T0時的電子密度；NBT、NBT0——導體B在結(jié)點溫度為T和T0時的電子密度；σA、σB——導體A和B的湯姆遜系數(shù)。第十九頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三實驗和理論均以證明：熱電偶回路的熱電動勢主要是由接觸電勢引起的。又由于EAB（T）和EAB（T0）的極性相反，所以回路總電勢為：第二十頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三結(jié)論：①如果熱電偶兩材料相同，則無論接點處的溫度如何，總電勢為零；②如果兩接點處的溫度相同，盡管A、B材料不同，總熱電勢為零；③熱電偶產(chǎn)生的熱電勢只與材料、接點處的溫度有關，而與材料的尺寸、幾何形狀無關；第二十一頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三④若A、B材料確定，熱電勢EAB(T,T0)是兩接點溫度T和T0的函數(shù)差,即如果T0保持恒定,則f(T0)=C(常數(shù))熱電勢EAB(T,T0)只是工作端溫度T的單值函數(shù)。第二十二頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三2)中間導體定律在熱電偶回路中接入第三種材料的導體，只要其兩端的溫度相等，該導體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。TT0V1)均質(zhì)導體定律由一種均質(zhì)導體組成的閉合回路，不論導體的橫截面積、長度以及溫度分布如何均不產(chǎn)生熱電動勢。第二節(jié)熱電偶的工作原理

三、熱電偶測溫基本定律第二十三頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三若三個接點的溫度均為T0，則回路的總熱電勢為

EABC（T0）=EAB(T0)+EBC(T0)+ECA(T0)=0若A、B接點溫度為T，其余接點溫度為T0，且T>T0，則回路的總熱電勢為

EABC（T，T0）=EAB(T)+EBC(T0)+ECA(T0)因為EAB(T0)=-[EBC(T0)+ECA(T0)]所以

EABC（T，T0）=EAB(T)-EAB(T0)第二十四頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三3)中間溫度定律熱電偶在兩接點溫度t、t0時的熱電動勢等于該熱電偶在接點溫度為t、tn和tn、t0時的相應熱電動勢的代數(shù)和。中間溫度定律可以用下式表示：中間溫度定律為補償導線的使用提供了理論依據(jù)。第二節(jié)熱電偶的工作原理

三、熱電偶測溫基本定律第二十五頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三根據(jù)金屬的熱電效應原理，任意兩種不同材料的導體都可以作為熱電極組成熱電偶。在實際應用中，用作熱電極的材料應具備如下幾方面的條件：(1)在同樣的溫差下產(chǎn)生的熱電勢要大，且其熱電勢與溫度之間呈線性或近似線性的單值函數(shù)關系；(2)耐高溫、抗輻射性能好，在較寬的溫度范圍內(nèi)其化學、物理性能穩(wěn)定；

(3)電阻溫度系數(shù)小，電導率要高；第三節(jié)熱電偶的材料、結(jié)構(gòu)及種類1、熱電偶的材料(4)易于復制，工藝性與互換性好，便于制度統(tǒng)一的分度表，材料要有一定的韌性，焊接性能好，以利于制作。第二十六頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三

1)鉑—鉑銠熱電偶(S型)工業(yè)用熱電偶絲：Φ0.5mm，實驗室用可更細些。正極：鉑銠合金絲,用90％鉑和10％銠(重量比)冶煉而成。負極：鉑絲。測量溫度：長期：1300℃、短期：1600℃。特點：材料性能穩(wěn)定，測量準確度較高；可做成標準熱電偶或基準熱電偶。用途：實驗室或校驗其它熱電偶。測量溫度較高，一般用來測量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，需要用保護套管。材料屬貴金屬，成本較高。熱電勢較弱。熱電偶常用材料第二十七頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三2)鉑銠30—鉑銠6熱電偶(B型)正極：鉑銠合金（用70％鉑，30％銠冶煉而成）。負極：鉑銠合金（用94％鉑，6％銠冶煉而成）。測量溫度：長期可到1600℃，短期可達1800℃。特點：材料性能穩(wěn)定，測量精度高。還原性氣體中易被侵蝕。低溫熱電勢極小，冷端溫度在50℃以下可不加補償。成本高。第二十八頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三3)鎳鉻—鎳硅(鎳鋁)熱電偶(K型)工業(yè)用熱電偶絲：Φ1.2~2.5mm，實驗室用可細些。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)。負極：鎳硅合金(用95.7～97％鎳,2～3％硅,0.4～0.7％鈷冶煉而成)。測量溫度：長期1000℃，短期1300℃。特點：價格比較便宜，在工業(yè)上廣泛應用。高溫下抗氧化能力強，在還原性氣體和含有SO2，H2S等氣體中易被侵蝕。復現(xiàn)性好，熱電勢大，但精度不如WRLB。第二十九頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三4)鎳鉻—考銅熱電偶(E型)工業(yè)用熱電偶絲:Ф1.2～2mm，實驗室用可更細些。正極：鎳鉻合金負極：考銅合金（用56％銅，44％鎳冶煉而成）。測量溫度：長期600℃，短期800℃。特點：價格比較便宜，工業(yè)上廣泛應用。在常用熱電偶中它產(chǎn)生的熱電勢最大。氣體硫化物對熱電偶有腐蝕作用。考銅易氧化變質(zhì)，適于在還原性或中性介質(zhì)中使用。第三十頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三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量高達2100℃的高溫。（2）鎢錸熱電偶是60年代發(fā)展起來的，是目前一種較好的高溫熱電偶，可使用在真空惰性氣體介質(zhì)或氫氣介質(zhì)中，但高溫抗氧能力差。國產(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℃時的熱電勢為47.255mV，比鉑—鉑銠10熱電偶在同樣溫度下的熱電勢高出3倍，因而可配用靈敏度較低的指示儀表，常應用于航空工業(yè)。第三十一頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三（6）銅—康銅熱電偶，分度號MK

熱電偶的熱電勢略高于鎳鉻-鎳硅熱電偶，約為43μV/℃。復現(xiàn)性好，穩(wěn)定性好，精度高，價格便宜。缺點是銅易氧化，廣泛用于20K～473K的低溫實驗室測量中。（5）鐵—康銅熱電偶，分度號TK

靈敏度高，約為53μV/℃，線性度好，價格便宜，可在800℃以下的還原介質(zhì)中使用。主要缺點是鐵極易氧化，采用發(fā)藍處理后可提高抗銹蝕能力。第三十二頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三1）普通工業(yè)裝配式熱電偶的結(jié)構(gòu)熱電偶通常由熱電極、絕緣管、保護套管和接線盒等幾個主要部分組成。2、熱電偶的結(jié)構(gòu)第三節(jié)熱電偶的材料、結(jié)構(gòu)及種類第三十三頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三工業(yè)熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖1－接線盒；2－保險套管3―絕緣套管4―熱電偶絲1234

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、保護套管以及接線盒等部分組成。實驗室用時，也可不裝保護套管，以減小熱慣性。

第三十四頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三2）鎧裝熱電偶的結(jié)構(gòu)2、熱電偶的結(jié)構(gòu)

鎧裝熱電偶的制造工藝：把熱電極材料與高溫絕緣材料預置在金屬保護管中、運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，再截取適當長度、將工作端焊接密封、配置接線盒即成為柔軟、細長的鎧裝熱電偶。

鎧裝熱電偶特點：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、抗機械外力沖擊的特性。鎧裝熱電偶可以制作得很細，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。第三節(jié)熱電偶的材料、結(jié)構(gòu)及種類第三十五頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三鎧裝熱電偶結(jié)構(gòu)第三十六頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三鎧裝型熱電偶外形法蘭鎧裝型熱電偶可長達上百米薄壁金屬保護套管（鎧體）

BA絕緣材料鎧裝型熱電偶橫截面第三十七頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三3)快速反應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，其熱接點極薄(0.01～0.lμm)4123快速反應薄膜熱電偶1—熱電極;2—熱接點;3—絕緣基板;4—引出線因此，特別適用于對壁面溫度的快速測量。安裝時,用粘結(jié)劑將它粘結(jié)在被測物體壁面上。目前我國試制的有鐵—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；測溫范圍在300℃以下；反應時間僅為幾ms。第三十八頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三

設冷端為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。如何由熱電偶的熱電勢查熱端溫度值第三十九頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三K熱電偶的分度表比較查出的3個熱電勢，可以看出熱電勢是否線性？第四十頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三4.型號表示第四十一頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三第四節(jié)熱電偶的冷端溫度補償

由于熱電偶產(chǎn)生的電勢與兩端溫度有關，只有將冷端溫度保持恒定才能使熱電勢正確反映熱端的被測溫度。由于很難保證冷端溫度在恒定0℃故常采取一些冷端補償措施，主要有：

冷端恒溫法、

補償導線法、

計算修正法、

橋補償法等幾種。第四十二頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三1.冷端恒溫法0℃恒溫器將熱電偶的冷端置于溫度為0℃的恒溫器內(nèi)。用于實驗室或精密的溫度測量。（冰浴法）其他恒溫器將熱電偶的冷端置于各種恒溫器內(nèi)，使之保持溫度恒定，避免由于環(huán)境溫度的波動而引入誤差。這類恒溫器的溫度不為0℃，需對熱電偶進行冷端溫度修正。第四節(jié)熱電偶的冷端溫度補償?shù)谒氖?，共六十二頁，編輯?023年，星期三冰浴法接線圖

1—被測流體管道2—熱電偶3—接線盒4—補償導線5—銅質(zhì)導線6—毫伏表7—冰瓶8—冰水混合物9—試管10—新的冷端第四十四頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三2.補償導線法

由于受到材料價格的限制不可能做很長，而要使其冷端不受測溫對象的溫度影響，必須使冷端遠離溫度對象，采用補償導線可以做到這一點。所謂補償導線，實際上是一對材料化學成分不同的導線，在0～150℃溫度范圍內(nèi)與配接的熱電偶有一致的熱電特性，但價格相對要便宜。型號配用熱電偶正-負導線外皮顏色正-負SC鉑銠10-鉑紅-綠KC鎳鉻-鎳硅紅-藍WC5/26鎢錸5-鎢錸26

紅-橙補償導線在0～150C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。第四節(jié)熱電偶的冷端溫度補償?shù)谒氖屙摚擦?，編輯?023年，星期三2.補償導線法

實質(zhì)是相當于將熱電極延長。根據(jù)中間溫度定律，只要熱電偶和補償導線的二個接點溫度一致，是不會影響熱電動勢輸出的。下面以爐溫測量為例說明補償導線的作用。如采用鎳鉻-鎳硅熱電偶測爐溫，熱端為800℃，冷端為50℃，儀表室為20℃。先分別查表得：E（800,0）=33.277mV、E(50,0)=2.022mV、E(20,0)=0.798mV。則不補償時輸入儀表的熱電勢為：E(800,50)=33.277-2.022=31.255mV（相當于751℃），采用補償導線后則為：E(800,20)=33.277-0.798=32.479mV（相當于781℃），

第四節(jié)熱電偶的冷端溫度補償?shù)谒氖?，共六十二頁，編輯?023年，星期三3.計算修正法實際中，冷端溫度高于0℃，但恒定于Tn，則測量值再加上冷端溫度Tn到0℃的熱電勢，如下式所示第四節(jié)熱電偶的冷端溫度補償例用Ｋ型熱電偶測溫度，冷端為40℃，測得的熱電勢為29.188(mV)，求被測溫度T。解：已知e(t,40)=29.188(mV)查E(40,0)=1.611(mV)故E(t,0)=29.188+1.611=30.799(mV)查K型分度表得：T=740℃第四十七頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三4.溫度修正法第四節(jié)熱電偶的冷端溫度補償5.冷端溫度自動補償法第四十八頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三第五節(jié)熱電偶的應用及配套儀表

由于我國生產(chǎn)的熱電偶均符合ITS-90國際溫標所規(guī)定的標準，其一致性非常好，所以國家又規(guī)定了與每一種標準熱電偶配套的儀表，它們的顯示值為溫度，而且均已線性化。國家標準的動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。

第四十九頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三XCZ系列指針式顯示儀表

XC系列動圈式儀表測量機構(gòu)的核心部件是一個磁電式毫伏計。動圈式儀表與熱電偶配套測溫時，熱電偶、連接導線（補償導線）、調(diào)整電阻和顯示儀表組成了一個閉合回路。

1—熱電偶2—補償導線3—冷端補償器4—外接調(diào)整電阻5—銅導線6—動圈7—張絲8—磁鋼（極靴）9—指針10—刻度面板

第五十頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三XMZ系列智能數(shù)字顯示儀表

特點：

1、帶冷端溫度自動補償；2、單片機智能化設計，儀表零點、量程等全部參數(shù)可按鍵設定；3、具有軟件校驗功能，可通過按鍵對儀表進行校準；4、具有超量程指示、斷線指示等故障自診斷功能；5、采用開關電源，電壓適應范圍寬，儀表體積小、重量輕。6、220VAC或24VDC供電電源。第五十一頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三XMT系列熱電偶智能數(shù)字顯示控制儀表的特點帶冷端溫度自動補償；具有超量程指示、斷線指示等故障自診斷功能；雙屏顯示、副屏顯示內(nèi)容可設定；最多可帶4路報警控制繼電器輸出；每個報警控制點的回差可設定；每個報警控制點的報警方式（上限報警或下限報警）可分別設定。第五十二頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三DDZ－Ⅲ型電動單元組合

儀表中的變送單元之一：軌裝式溫度變送器它能將熱電偶（或熱電阻）的輸入信號線性地轉(zhuǎn)換成與溫度成比例的電流（電壓）信號，供給顯示、控制儀表及計算機集散系統(tǒng)，廣泛用于冶金、石油化工、熱電站、紡織、造紙等行業(yè)的測溫控制系統(tǒng)中。第五十三頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三熱電偶的測量線路1.測量單點溫度的基本測溫線路2.測量兩點之間溫差的測溫線路3.熱點偶并聯(lián)測量線路4.熱點偶串聯(lián)測量線路第五十四頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期三應用實例(補充)鹽浴爐溫度控制系統(tǒng)用S型熱電偶檢測溫度信號，有冷端補償，溫度信號通過放大、采樣保持、模數(shù)轉(zhuǎn)換再送單片機保存，采用分段查表法獲取各點溫度。選用可控硅過零觸發(fā)自動控制鹽浴爐溫度，控制周期為2s?？砂搭A設溫度曲線進行加熱，并可實時顯示加