3.2模塊三、溫度檢測（中）

機、電類

《傳感器與檢測技術項目教程》

模塊三、溫度檢測（中）課件

項目三、熱電偶【項目教學目標】?知識目標1）掌握鉑熱電阻的測溫原理與方法。2）熟悉熱電阻的型號。?技能目標1．熟悉鉑熱電阻的組橋方法及與顯示儀表的連接方法。2．學會查鉑熱電阻分度表。

回目錄現(xiàn)在時間是：14:52熱電偶測溫的主要優(yōu)點

1.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-270℃

，上限可達1800℃以上。

3.各溫區(qū)中的各種熱電偶的熱電動勢均符合國際計量委員會的標準。

4.已形成系列化、標準化的一種測溫傳感器，可以選用標準的顯示儀表和記錄儀表（二次儀表）來進行顯示和記錄，由二次儀表中的微處理器判斷被測溫度的上下限，從而控制交流接觸器的通斷。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。

熱電極A右端稱為：自由端（參考端、冷端）

任務一認識熱電偶左端稱為：測量端（工作端、熱端）

熱電極B熱電動勢AB回目錄從實驗到理論：熱電效應

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)放在回路中的指南針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。說明回路中產(chǎn)生了什么？1－工作端2－熱電極A2－熱電極B4－指南針5－參考端“結(jié)點”產(chǎn)生熱電動勢的微觀動畫

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)生自由電子的相互擴散現(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)生熱電動勢。

自由電子＋ABeAB（

T）T熱電偶的圖形符號上圖中的接觸電動勢eAB(T)可用下式表示式中eAB(T)

——A、B兩種材料在溫度為T時的接觸電動勢；T——接觸處的熱力學溫度；k

——玻爾茲曼常數(shù)（k=1.38

10-23J/K）；e

——電子電荷（e=1.6

10-19C）；nA、nB——熱電極材料A、B的自由電子密度?，F(xiàn)在時間是：14:52如果取eAB(T)的方向為正方向，如圖所示，則有有關熱電動勢的幾個結(jié)論1）如果熱電偶兩根電極材料相同，即使兩端溫度不同（t≠t0），但總輸出熱電動勢仍為零。因此必須由兩種不同材料才能構(gòu)成熱電偶。

2）如果熱電偶兩結(jié)點溫度相同，則回路總的熱電動勢必然等于零。兩結(jié)點溫差越大，熱電動勢越大。

3）式中未包含與熱電偶的尺寸形狀有關的參數(shù)，所以熱電動勢的大小只與材料和結(jié)點溫度有關。如果以攝氏溫度為單位，EAB(T，T0)也可以寫成EAB(t，t0)，其物理意義雖然有所不同，但電動勢的數(shù)值是相同的。從實驗到理論的討論如果用兩盞酒精燈同時加熱兩個結(jié)點，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)說明回路中有電動勢產(chǎn)生，并有電流在回路中流動。熱電流的強弱與兩個結(jié)點的溫差有關，而不是與“單一的一端結(jié)點的溫度”成正比。中間導體定律若在熱電偶回路中插入“中間導體”(A、B熱電極之外的其他導體),只要中間導體兩端溫度相同,則對熱電偶回路的總熱電動勢無影響。1－鎳銅表棒2－磷銅接插件3－銅漆包線動圈表頭Cu－純銅導線

HNi－鎳黃銅QSn－錫磷青銅Sn－焊錫NiMn－鎳錳銅電阻絲中間導體定律的意義利用熱電偶來實際測溫時，連接導線、顯示儀表和接插件等均可看成是中間導體，只要保證這些中間導體兩端的溫度各自相同，則對熱電偶的熱電動勢沒有影響。在使用熱電偶時，應盡量使上述元器件兩端的溫度相同，才能減少測量誤差。

在放大器中，若某個電阻或集成電路引腳兩端的溫度不相同，將產(chǎn)生熱電動勢。為了盡量減小由此產(chǎn)生的電動勢，可以用銅質(zhì)屏蔽罩將放大電路與熱源隔離，并使罩內(nèi)各個元件兩端的溫度相同。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熱電偶絲回目錄幾種國標熱電偶的測溫范圍及熱電動勢

分度號

名稱

測量溫度范圍

1000℃熱電動勢/mVB鉑銠30－鉑銠650～1820℃4.834R鉑銠13—鉑-50～1768℃10.506S鉑銠10—鉑-50～1768℃9.587K鎳鉻－鎳硅

(鋁)-270～1370℃41.276E鎳鉻－銅鎳(康銅)-270～800℃—5種熱電偶的測溫范圍與熱電動勢各有什么特點？用途？幾種舊國標熱電偶的分度號測溫范圍熱電偶類別舊代號舊分度號測溫范圍允許誤差鉑銠30-鉑銠6WRRLL-2或B0～1820℃≤800℃，±4.0℃>800℃±0.5%t鉑銠10-鉑WRPLB-3或S0～1768℃≤600℃，±3.0℃>600℃±0.5%t鎳鉻-鎳硅WRNEU-2或K0～1370℃≤400℃，±3.0℃>400℃±0.75%t鎳鉻-考銅

鎳鉻-銅鎳WRK

WREEA-2或E0～800℃

≤300℃，±3.0℃>300℃±1.0%t幾種常用熱電偶的熱電動勢與溫度的關系曲線分析（冷端溫度為0℃）

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（0℃點）？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年開始采用國際計量委員會規(guī)定的“1990年國際溫標”(簡稱ITS-90)的新標準。按此標準,制定了相應的分度表,并且有相應的線性化集成電路與之對應，并由計算機查表。

直接從熱電偶的分度表查溫度與熱電動勢的關系時的約束條件是：自由端（冷端）溫度必須為0℃。

本教材的附錄D僅列出工業(yè)中常用的鎳鉻-鎳硅（K）熱電偶的分度表。使用分度表時，冷端必須為0℃

。冷端置于0℃的方法之一

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

查熱電偶分度表（溫度/毫伏數(shù)）

設熱電偶的冷端溫度為0℃，請根據(jù)本教材的附錄D——工業(yè)中常用的鎳鉻-鎳硅（K）熱電偶的分度表，查出-100℃、0℃

、

100℃

時的熱電動勢。數(shù)字式溫度表溫度上限設定值溫度上限值設定鍵單片機自動查分度表，并顯示被測溫度值K熱電偶的分度表

分別查出-100℃、+100℃時的2個熱電動勢。計算與0℃之差，體會熱電動勢的非線性。【查K熱電偶分度表（自由端為0℃）訓練】

（查附錄2）溫度/℃-100-500780熱電動勢/mV-6.45824.90552.410如何由熱電偶的熱電動勢查熱端溫度值

設冷端為0℃，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

。冷端為0℃時，可以直接查分度表裝配式熱電偶的外形安裝螺紋安裝法蘭普通裝配式熱電偶的

結(jié)構(gòu)圖接線盒引出線套管

固定螺紋

（出廠時用塑料包裹）熱電偶工作端（熱端）

不銹鋼保護管

普通工業(yè)用裝配式熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖接線盒保險套管絕緣套管熱電偶絲WR系列裝配式熱電偶型號的含義端面式熱電偶及其在測溫面的安裝能更快速地反映被測端面的實際溫度。鎧裝式熱電偶

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。

鎧裝式熱電偶右圖紅色的絕緣材料是氧化鎂粉末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鎧裝型熱電偶外形接線卡屏蔽層測量端（熱端）鎧裝式熱電偶在設備中的安裝薄膜式熱電偶的外形

1—熱電極A2—結(jié)點（熱端）3—熱電極B4—引腳接頭5—相同材質(zhì)的引腳（冷端）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，熱接點約0.01～0.lμm。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。尺寸約為60×6×0.2mm;測溫范圍在300℃以下；反應時間僅為幾ms。

4123快速反應薄膜熱電偶1—熱電極2—熱接點3—絕緣基板4—引出線隔爆式熱電偶結(jié)構(gòu)特點：隔爆熱電偶的接線盒在設計時采用防爆的特殊結(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，機構(gòu)強度較高；采用螺紋隔爆接合面，并采用密封圈進行密封，因此，當接線盒內(nèi)一旦放弧時，不會與外界環(huán)境的危險氣體傳爆，能達到預期的防爆、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）。隔爆式熱電偶外形厚壁保護管壓鑄的接線盒電纜線法蘭盤裝配式熱電偶的常用保護管材料材料名稱使用溫度/

CH62黃銅12CrMOV鋼1Cr18Ni9Ti不銹鋼Cr18Ni12MO2TiGH39高溫不銹鋼石英高鋁質(zhì)管（85%

90%Al2O3）高級耐火陶瓷再結(jié)晶氧化鋁碳化硅鋼玉質(zhì)管（99.5%Al2O3）硼化鋯石墨氧化釷（ThO）4006009009001200130013001400150016001600180020002200其他熱電偶外形小形K型熱電偶XC系列陶瓷纖維柔性熱電偶K、E、J分度號備選，陶瓷絕緣溫度可達2000℃(2200℉)。300mm(12“)長帶絕緣，13mm(0.5”)長的標準剝離引線端。用消耗式熱電偶測量熔融金屬溫度的

示意圖任務二、熱電偶的冷端延長

采用相對廉價的補償導線，可延長熱電偶的冷端，使之遠離高溫區(qū)；可節(jié)約大量貴金屬；易彎曲，便于敷設。

補償導線在0～100℃范圍內(nèi)的熱電動勢與配套的熱電偶的熱電動勢相等，所以不影響測量準確度。回目錄補償導線型號（續(xù)）型號配用熱電偶正-負型號導線外皮顏色正-負100℃時的熱電動勢/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補償導線外形

A'B'屏蔽層保護層熱電偶的冷端延長電路

任務三、熱電偶的冷端溫度補償必要性：1.用熱電偶的分度表查毫伏數(shù)-溫度時，必須滿足t0=0℃的條件。在實際測溫中，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，冷端溫度高于0℃，熱電動勢總是偏小。應想辦法消除或補償熱電偶的冷端損失?；啬夸浝涠藴囟妊a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驗室中。

冰浴法：

在冰瓶中，冰水混合物的溫度能較長時間地保持在0℃不變。冰浴法接線圖——冷端至于0℃環(huán)境中

二、計算修正法當熱電偶的冷端溫度t0

0℃時，由于熱端與冷端的溫差隨冷端的變化而變化，所以測得的熱電動勢EAB(t,t0)與冷端為0℃時所測得的熱電動勢EAB(t,0℃)不等。若冷端溫度高于0℃，則EAB(t,t0)<EAB(t,0℃)?？梢岳孟率接嬎悴⑿拚郎y量誤差：

EAB(t,0℃)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0℃)計算修正法舉例K型熱電偶測溫電路中，熱電極A、B直接焊接在鋼板上，A'、B'為補償導線，Cu為銅導線，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用了熱電偶的什么定律？3）當Ux=29.97mV時，估算被測點溫度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，此時的Ux減小到28.36mV，再求tx。

解：1）接線盒1是熱電極與補償導線（延長導線）的接線位置，不影響測量結(jié)果，不必考慮t1溫度的大小和波動。冰瓶的溫度為:0℃,是補償導線（冷端）與銅導線的接線位置,所以可以直接查分度表。2）將熱電極直接焊在鋼板上是應用了熱電偶的中間導體定律。

3）當Ux=29.97mV時，直接查分度表得到被測點溫度tx=720℃

。

注:接線盒3的溫度t3不是冷端溫度,屬于中間溫度,與測量結(jié)果無關。解（續(xù)）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，即：冷端溫度不再是0℃，而為40℃。此時的Ux=28.36mV，再求tx。EAB(t,0℃)=EAB(t,40℃)+EAB(40℃,0℃)=(28.36+1.61)mV=29.97mV反查K型熱電的偶分度表，仍然得到tx=720℃。三、儀表機械零點調(diào)整法

用螺絲刀調(diào)節(jié)儀表面板上的“機械零點”，使指針指到氣溫t0（圖中為40℃）的刻度上。機械零點指針被預調(diào)到室溫（40℃

）可補償冷端損失任務四熱電偶的安裝與應用

為了使管道的氣流充分與熱電偶產(chǎn)生熱交換,裝配式熱電偶應盡可能垂直向下插入管道中。熱電偶高出管道的部分必須包扎保溫材料,否則將產(chǎn)生3~5℃的誤差。

a）在肘管（彎管）上的安裝

b）在擴展管上的安裝1－管道2－絕熱層3－熱電偶4－安裝螺栓5－墊片6－接線盒7－補償導線8－焊臺9－擴大管鍋爐煙道中的密封安裝

帶有保護套管的工業(yè)爐熱電偶有傳熱和散熱損失。為了減少測量誤差，熱電偶和熱電阻應該有足夠的插入深度。測量管道中心流體溫度時，一般應將熱電偶的測量端插入到管道中心處。裝配式熱電偶在

鍋爐中的安裝適合不同被測壁面的熱電偶安裝方法

1—發(fā)熱元件2—散熱片3—薄膜熱電偶4—絕熱保護層

5—硬質(zhì)車刀6—用激光加工的斜孔7—露頭式鎧裝熱電偶的測量端8—薄壁金屬保護管9—冷端10—工件

a）薄膜熱電偶測量表面溫度

b）鎧裝式熱電偶測量車刀的核心溫度

c）鎧裝式熱電偶測量電動機外殼溫度熱電偶絲與被測溫度金屬板的3種焊接方式熱電偶絲的沖擊焊電路熱電偶絲的接觸焊電路與熱電偶配套的儀表

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。

回目錄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

XCZ系列指針式顯示儀表XMZ系列智能數(shù)字顯示儀表特點（1）輸入分度號切換：儀表的輸入分度號可按鍵切換（如K、R、S、B、N、E型等）。（2）量程設定：測量量程和顯示分辨力由按鍵設定。（3）控制設定：上限、下限或“上上限”、“下下限”等各控制點