檢測(cè)技術(shù)與智能儀表設(shè)計(jì)第三專題2課件

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(guó)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。9/27/20231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)的幾種溫標(biāo)的對(duì)比正常體溫為37

C，相當(dāng)于華氏溫度多少度？9/27/20232幾種溫標(biāo)的對(duì)比正常體溫為37C，8/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(hào)是T，單位是開爾文（K）。威廉·湯姆遜·開爾文勛爵像9/27/20233熱力學(xué)溫標(biāo)（K）熱力學(xué)溫標(biāo)是建立在熱力學(xué)第二定三、溫度測(cè)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(cè)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(cè)型等。9/27/20234三、溫度測(cè)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)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9/27/20235體積熱膨脹式不需要電源，耐用；但感溫部件體積較大。紅外溫度計(jì)激光瞄準(zhǔn)9/27/20236紅外溫度計(jì)激光瞄準(zhǔn)8/6/20236熱電偶測(cè)溫的主要優(yōu)點(diǎn)

1、它屬于自發(fā)電型傳感器：測(cè)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(cè)溫范圍廣：下限可達(dá)-180

C，上限可達(dá)2800

C以上；3、各溫區(qū)中的熱電勢(shì)均符合國(guó)際計(jì)量委員會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)。9/27/20237熱電偶測(cè)溫的主要優(yōu)點(diǎn)1、它屬于自發(fā)電先看一個(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(shì)。

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(cè)量端（工作端、熱端）

熱電極B熱電勢(shì)AB9/27/20238先看一個(gè)實(shí)驗(yàn)——熱電偶工作原理演示結(jié)論：熱電極A右端從實(shí)驗(yàn)到理論：熱電效應(yīng)

1821年，德國(guó)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

9/27/20239從實(shí)驗(yàn)到理論：熱電效應(yīng)1821年，德動(dòng)畫3：“結(jié)點(diǎn)”產(chǎn)生熱電勢(shì)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(shì)。

自由電子＋ABeAB（

T）T熱電偶的圖形符號(hào)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9/27/202310動(dòng)畫3：“結(jié)點(diǎn)”產(chǎn)生熱電勢(shì)的微觀解釋兩種不同的金以上演示得出的結(jié)論：

——有關(guān)熱電偶熱電勢(shì)的討論熱電偶兩結(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的總的熱電勢(shì)等于熱端熱電勢(shì)與冷端熱電勢(shì)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(shì)大致與兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫差ΔT或Δt

成正比9/27/202311以上演示得出的結(jié)論：

——有關(guān)熱電偶熱電勢(shì)的討論熱電從實(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(shì)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。9/27/202312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)加熱兩熱電偶的種類及結(jié)構(gòu)

八種國(guó)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9/27/202313熱電偶的種類及結(jié)構(gòu)八種國(guó)際通用熱電偶：用于制造鉑熱電偶幾種常用熱電偶的測(cè)溫范圍及熱電勢(shì)

5種熱電偶的測(cè)溫范圍與熱電勢(shì)各有什么特點(diǎn)？9/27/202314幾種常用熱電偶的測(cè)溫范圍及熱電勢(shì)5種熱電偶的測(cè)溫范圍與熱電幾種常用熱電偶的熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系曲線分析

哪幾種熱電偶的測(cè)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)）？9/27/202315幾種常用熱電偶的熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系曲線分析熱電偶的分度表

——熱電偶的線性較差，多數(shù)情況下采用查表法我國(guó)從1991年開始采用國(guó)際計(jì)量委員會(huì)規(guī)定的“1990年國(guó)際溫標(biāo)”（簡(jiǎn)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(duì)應(yīng)。

直接從熱電偶的分度表查溫度與熱電勢(shì)的關(guān)系時(shí)的約束條件是：自由端（冷端）溫度必須為0

C。

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。9/27/202316熱電偶的分度表——熱電偶的線性較差，多數(shù)情況下采用如何利用熱電偶的分度表

假設(shè)熱電偶的冷端溫度為0

C，請(qǐng)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(shì)。數(shù)字式溫度表溫度上限設(shè)定值溫度上限值設(shè)定鍵9/27/202317如何利用熱電偶的分度表假設(shè)熱電偶的冷端溫度為0CK熱電偶的分度表

比較查出的3個(gè)熱電勢(shì)，可以看出熱電勢(shì)是否線性？9/27/202318K熱電偶的分度表比較查出的3個(gè)熱電勢(shì)，可以看出熱電如何由熱電偶的熱電勢(shì)查熱端溫度值

設(shè)冷端為0

C，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。9/27/202319如何由熱電偶的熱電勢(shì)查熱端溫度值設(shè)冷端為0C，根裝配型熱電偶的外形安裝螺紋安裝法蘭9/27/202320裝配型熱電偶的外形安裝螺紋安裝法蘭8/6/202320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

9/27/202321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(zhǎng)度、將工作端焊接密封、配置接線盒即成為柔軟、細(xì)長(zhǎng)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(chǎng)合的測(cè)溫問題，且具有抗震、可彎曲、超長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

9/27/202322鎧裝型熱電偶鎧裝熱電偶的制造工藝：把熱電極材料與鎧裝型熱電偶外形法蘭鎧裝型熱電偶可長(zhǎng)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9/27/202323鎧裝型熱電偶外形法蘭鎧裝型熱電偶可長(zhǎng)達(dá)上百米薄壁金屬隔爆型熱電偶

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(chǎng)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(chǎng)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）。9/27/202324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)隔爆型熱電偶外形厚壁保護(hù)管壓鑄的接線盒電纜線9/27/202325隔爆型熱電偶外形厚壁保護(hù)管壓鑄的接線盒電纜線8/6/2023其他熱電偶外形小形K型熱電偶9/27/202326其他熱電偶外形小形K型熱電偶8/6/202326第三節(jié)熱電偶冷端的延長(zhǎng)

采用相對(duì)廉價(jià)的補(bǔ)償導(dǎo)線，可延長(zhǎng)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)。

補(bǔ)償導(dǎo)線在0～100

C范圍內(nèi)的熱電勢(shì)與配套的熱電偶的熱電勢(shì)相等，所以不影響測(cè)量精度。9/27/202327第三節(jié)熱電偶冷端的延長(zhǎng)采用相對(duì)廉價(jià)的補(bǔ)償補(bǔ)償導(dǎo)線型號(hào)（續(xù)）9/27/202328補(bǔ)償導(dǎo)線型號(hào)（續(xù)）8/6/202328補(bǔ)償導(dǎo)線外形

A’B’屏蔽層保護(hù)層9/27/202329補(bǔ)償導(dǎo)線外形A’B’屏蔽層保護(hù)層8/6/202329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(cè)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(shì)總是偏小。應(yīng)想辦法消除或補(bǔ)償熱電偶的冷端損失。9/27/202330第四節(jié)熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償必要性冷端溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄒ?、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。

9/27/202331冷端溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄒ弧⒗涠撕銣胤ǎ?/6/冰浴法在冰瓶中，冰水混合物的溫度能較長(zhǎng)時(shí)間地保持在0℃不變。9/27/202332冰浴法在冰瓶中，冰水混合物的溫度能較長(zhǎng)時(shí)間地保持在0冰浴法接線圖

1—被測(cè)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

9/27/202333冰浴法接線圖1—被測(cè)流體管道2—熱電偶二、計(jì)算修正法當(dāng)熱電偶的冷端溫度t0

0

C時(shí)，由于熱端與冷端的溫差隨冷端的變化而變化，所以測(cè)得的熱電勢(shì)EAB（t，t0）與冷端為0℃時(shí)所測(cè)得的熱電勢(shì)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(cè)量誤差：

EAB（t，0℃）=EAB（t，t0）+EAB（t0，0℃）9/27/202334二、計(jì)算修正法當(dāng)熱電偶的冷端溫度t00C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40

C）的刻度上。機(jī)械零點(diǎn)指針被預(yù)調(diào)到室溫（40

C）可補(bǔ)償冷端損失9/27/202335三、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(shì)變化值，可購買與被補(bǔ)償熱電偶對(duì)應(yīng)型號(hào)的補(bǔ)償電橋。

9/27/202336四、電橋補(bǔ)償法XT-WBC熱電偶冷端補(bǔ)償器電半導(dǎo)體集成溫度傳感器及熱電偶冷端溫度的測(cè)量

PN結(jié)是集成溫度傳感器的最基礎(chǔ)的測(cè)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(shì)變化

9/27/202337半導(dǎo)體集成溫度傳感器及熱電偶冷端溫度的測(cè)量PN結(jié)是集成溫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(hào)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(duì)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。

9/27/202338集成溫度傳感器的類型集成溫度傳感器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(duì)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。

9/27/202339模擬型集成溫度傳感器電流輸出型集成溫度傳感器電流AD590封裝示意圖空腳（接地）9/27/202340AD590封裝示意圖空腳（接地）8/6/202340AD590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。9/27/202341AD590的基本轉(zhuǎn)換電路電流-電壓轉(zhuǎn)換電路（10mV/K）電壓輸出型集成溫度傳感器——

LM35/45LM35/45的外形及引腳圖

9/27/202342電壓輸出型集成溫度傳感器——LM35/45LM35/45的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(cè)量電路及組裝成的測(cè)溫傳感器9/27/202343電壓輸出型集成溫度傳感器

——LM35/45LM35/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9/27/202344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?cái)?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(cè)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(hào)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。9/27/202345數(shù)字輸出型集成溫度傳感器單片集成溫度傳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(duì)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(shì)轉(zhuǎn)換為代表溫度的數(shù)字脈沖，從SPI串行接口輸出。

9/27/202346專用熱電偶冷端溫度補(bǔ)償芯片MAX6第六節(jié)熱電偶的應(yīng)用及配套儀表

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

9/27/202347第六節(jié)熱電偶的應(yīng)用及配套儀表由XCZ系列指針式顯示儀表

XC系列動(dòng)圈式儀表測(cè)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(cè)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

9/27/202348XCZ系列指針式顯示儀表XC系列動(dòng)圈式XMZ系列智能數(shù)字顯示儀表

特點(diǎn)：

1、帶冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償；

2、單片機(jī)智能化設(shè)計(jì)，儀表零點(diǎn)、量程等全部參數(shù)可按鍵設(shè)定；

3、具有軟件校驗(yàn)功能，可通過按鍵對(duì)儀表進(jìn)行校準(zhǔn)；

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(guān)電源，電壓適應(yīng)范圍寬，儀表體積小、重量輕。

6、220VAC或24VDC供電電源。9/27/202349XMZ系列智能數(shù)字顯示儀表特點(diǎn)：8/6/202349XMZ系列智能數(shù)字顯示儀表外形

9/27/202350XMZ系列智能數(shù)字顯示儀表外形8/6/XMT系列熱電偶智能數(shù)字顯示控制儀表的特點(diǎn)帶冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)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