第9章 熱電偶傳感器

1檢測技術(shù)與故障診斷第9章熱電偶傳感器2第9章熱電偶傳感器熱電偶傳感器熱能電能測量：溫度、與溫度有關(guān)的參量——

熱電偶溫度電勢PN結(jié)型溫度傳感器3本章主要內(nèi)容：9.1溫度測量的基本概念9.2熱電偶傳感器的工作原理9.3熱電偶的種類及結(jié)構(gòu)9.4熱電偶冷端煩人延長9.5熱電偶的冷端補(bǔ)償與集成溫度傳感器9.6熱電偶的應(yīng)用及配套儀表9.7熱電偶在熱力學(xué)測量水泵效率中的應(yīng)用

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溫度是諸多物理現(xiàn)象中具有代表性的物理量，是現(xiàn)代生活中不可缺少的信息內(nèi)容，更是科學(xué)實(shí)驗(yàn)與工業(yè)過程控制中檢測的重要參數(shù)。許多生產(chǎn)過程和日常生活都是在一定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，需要溫度參數(shù)和溫度控制。如電飯煲、電冰箱、空調(diào)、微波爐這些家用電器中都少不了溫度傳感器。隨著測溫技術(shù)的發(fā)展，測溫范圍和精度都有很大的提高，新型溫度傳感器不斷出現(xiàn)，如光纖、微波、超聲波、核磁共振（NQR）等都獲得廣泛應(yīng)用。測溫系統(tǒng)主要由兩部分組成：傳感器及轉(zhuǎn)換電路?，F(xiàn)場控制室感溫元件轉(zhuǎn)換顯示EtRtT9.1溫度測量的基本概念5溫度:表征物體冷熱程度的物理量，以熱平衡為基礎(chǔ)。一、溫度Temperature9.1溫度測量的基本概念二、溫標(biāo)Temperature

scale溫標(biāo):溫度的數(shù)值表示。攝氏溫標(biāo)華氏溫標(biāo)熱力學(xué)溫標(biāo)國際溫標(biāo)6

把在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下冰的熔點(diǎn)定為0°C，把水的沸點(diǎn)定為100°C，這另個(gè)固定點(diǎn)間劃分為一百等分，每一等分為攝氏一度，符號為t。1.攝氏溫標(biāo)Degreecelsius,°C9.1溫度測量的基本概念2.華氏溫標(biāo)Fahrenheitcelsius,°FF

把在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下冰的熔點(diǎn)為32°F，把水的沸點(diǎn)定為212°F，這另個(gè)固定點(diǎn)間劃分為一百八十等分，每一等分為華氏一度，符號為F。3.熱力學(xué)溫標(biāo)（Thermodynamiccelsius）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8

熱力學(xué)溫度是國際上公認(rèn)的最基本溫度，我國目前實(shí)行的是1990年國際溫標(biāo)(ITS—90）(ITS—90）定義:

國際開爾文溫度（T90）：單位，開爾文（符號K）國際攝氏溫度（t90）：單位，攝氏（符號C）兩者關(guān)系為：

t90/℃=T90/K–273.15或表示為

T/K=t/℃+273.15

3.熱力學(xué)溫標(biāo)：開式溫標(biāo)4.1990國際溫標(biāo)（ITS-90）

國際溫度咨詢委員會于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)”代表熱力學(xué)溫度,其單位用K表示。我國的國家法定測溫標(biāo)準(zhǔn)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（0.01℃）等。ITS-90定義固定點(diǎn)11

溫度傳感器按工作原理主要有以下幾類：

熱電偶，利用金屬的溫差電動勢測溫，特點(diǎn)：耐高溫、精度高，可測量上千度；

熱電阻，利用金屬導(dǎo)體電阻隨溫度變化，可測溫幾百度；

熱敏電阻，利用半導(dǎo)體材料電阻隨溫度變化測溫，特點(diǎn)：體積小、靈敏度高、使用方便，穩(wěn)定性差；

集成溫度傳感器，利用晶體管P-N結(jié)的電流、電壓隨溫度變化，有專用集成電路，特點(diǎn)：體積小、響應(yīng)快、價(jià)廉，測量150℃以下溫度。

其它溫度傳感器三、溫度傳感器分類12測溫方法測溫原理溫度傳感器接觸式

固體熱膨脹體積變化—

液體熱膨脹氣體熱膨脹雙金屬溫度計(jì)玻璃管液體溫度計(jì)氣體溫度計(jì)、壓力溫度計(jì)電阻變化金屬電阻溫度傳感器半導(dǎo)體熱敏電阻熱電效應(yīng)貴金屬熱電偶普通金屬熱電偶非金屬熱電偶頻率變化石英晶體溫度傳感器光學(xué)特性光纖溫度傳感器；液晶溫度傳感器聲學(xué)特性超聲波溫度傳感器非接觸式

亮度法熱輻射—

全輻射法比色法紅外法光學(xué)高溫計(jì)全輻射高溫計(jì)比色高溫計(jì)紅外溫度傳感器氣流變化射流溫度傳感器按測溫方式溫度傳感器的種類及特點(diǎn)所利用的物理現(xiàn)象傳感器類型測溫范圍/℃特點(diǎn)體積熱膨脹氣體溫度計(jì)液體壓力溫度計(jì)玻璃水銀溫度計(jì)雙金屬片溫度計(jì)-250～1000-200～350-50～350-50～300

不需要電源，耐用；但感溫部件體積較大接觸熱電動勢鎢錸熱電偶鉑銠熱電偶其他熱電偶1000～2100200～1800-200～1200

自發(fā)電型，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，品種多；須進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償電阻的變化鉑熱電阻熱敏電阻-200～900-50～300

標(biāo)準(zhǔn)化程度高；但需要接入橋路才能得到電壓輸出PN結(jié)結(jié)電壓硅半導(dǎo)體二極管（半導(dǎo)體集成溫度傳感器）-50~150

體積小，線性好，-2mV/℃；但測溫范圍小溫度-顏色示溫涂料示溫液晶-50～13000～100

面積大，可得到溫度圖象；但易衰老，準(zhǔn)確度低光輻射熱輻射紅外輻射溫度計(jì)光學(xué)高溫溫度計(jì)熱釋電溫度計(jì)-50～1500500～30000～1000

非接觸式測量，反應(yīng)快；但易受環(huán)境及被測體表面狀態(tài)影響149.2熱電偶傳感器的工作原理一、熱電效應(yīng)1、定義II偏轉(zhuǎn)熱電勢熱電偶、熱電極、熱端、冷端2、熱電勢產(chǎn)生的原因（1）接觸電勢擴(kuò)散擴(kuò)散電場漂移——自由電子密度15——

溫差系數(shù)——

熱端和冷端的絕對溫度（3）回路的總熱電勢（2）溫差電勢I熱端冷端16產(chǎn)生熱電勢的條件：熱電偶不同電極材料兩端溫度不同試驗(yàn)方法求解忽略溫差電勢：17結(jié)論1.若熱電偶兩電極材料相同（NA=NB、σA=σB），無論兩端點(diǎn)溫度如何，總熱電勢為零；2.如果熱電偶兩接點(diǎn)溫度相同（T=T0）時(shí)，A、B材料不同，回路總電勢為零；3.因此，熱電偶必須用不同材料做電極，在T、T0

兩端必須有溫差梯度，這是熱電偶產(chǎn)生熱電勢的必要條件。4008001200160070

5030100溫度℃熱電勢（mV）鐵-考銅鎳鉻-考銅EA2鎳鉻-鎳硅EV2鉑銠-鉑LB-318二、熱電偶基本定律1、中間導(dǎo)體定律導(dǎo)體A、B組成的熱電偶中插入第三種導(dǎo)體C，只要導(dǎo)體C兩端溫度相同，則對熱點(diǎn)偶總熱電勢無影響。意義：可用電器測量儀表直接測量熱電勢192、連接導(dǎo)體定律熱電偶導(dǎo)體A、B分別與連接導(dǎo)線C、D相接，總熱電勢為兩部分的代數(shù)和。意義：運(yùn)用補(bǔ)償導(dǎo)線法進(jìn)行溫度測量的理論基礎(chǔ)203、中間溫度定律若導(dǎo)體A與C、B與D的材料分別相同，則：意義：為制定分度表奠定了理論基礎(chǔ)已知溫度T0=0℃時(shí)的熱電勢-溫度關(guān)系，可求得參考溫度不為0℃時(shí)的熱電勢。214、參考電極定律若兩種導(dǎo)體A、B分別與第三種導(dǎo)體C組成熱電偶的熱電勢已知，則A、B組成的熱電偶也已知。標(biāo)準(zhǔn)電極：鉑例：已知求：229.3熱電偶的結(jié)構(gòu)種類一、熱電偶的種類

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ITS-90標(biāo)準(zhǔn)：8種國際通用熱電偶：8種國標(biāo)熱電偶的測溫范圍及熱電動勢分度號

名稱測量溫度范圍100℃熱電動勢/mV1000℃熱電動勢/mVB鉑銠30－鉑銠650～1820℃0.0334.834R鉑銠13—鉑-50～1768℃0.64710.506S鉑銠10—鉑-50～1768℃0.6469.587K鎳鉻－鎳硅(鋁)-270～1370℃4.09641.276N鎳鉻硅－鎳硅-270～1370℃2.74436.256E鎳鉻－銅鎳(康銅)-270～800℃6.319--J

鐵－銅鎳-210～760℃5.269--T銅－銅鎳-270～400℃4.279--23常用熱電偶的熱電動勢與溫度關(guān)系24259.3熱電偶的種類(按結(jié)構(gòu)形式分)269.3熱電偶的結(jié)構(gòu)種類二、熱電偶的結(jié)構(gòu)1.裝配式熱電偶（1）熱電極（2）絕緣瓷珠（3）保護(hù)套管（4）接線盒與介質(zhì)隔離，優(yōu)良傳熱性能防止電極間短路：氧化鋁管、耐火陶瓷鋁合金熱電性質(zhì)穩(wěn)定物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定電阻溫度系數(shù)小、電阻率高輸出熱電勢大、輸出呈線性復(fù)制性好、工藝簡單、價(jià)格低

貴金屬普通金屬（5）接線端子27二、熱電偶的結(jié)構(gòu)接線盒保險(xiǎn)套管絕緣套管熱電偶絲1.裝配式熱電偶28裝配式熱電偶的常用保護(hù)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）40060090090012001300130014001500160016001800200022002.鎧裝式熱電偶29鎧裝式熱電偶是由金屬保護(hù)套管、絕緣材料和熱電極三者組合成一體的特殊結(jié)構(gòu)的熱電偶。二、熱電偶的結(jié)構(gòu)二、熱電偶的結(jié)構(gòu)303.薄膜式熱電偶薄膜式熱電偶：用真空蒸鍍、離子鍍或磁控濺射的方法，把熱電極材料蒸鍍在很薄的絕緣基板上（陶瓷片或云母片），兩種不同的金屬薄膜形成了熱電偶。如所用電極鉑銠－鉑

鎳鉻－鎳硅(鋁)鎳鉻硅－鎳硅

鎳鉻－銅鎳(康銅)鐵－銅鎳4123快速反應(yīng)薄膜熱電偶1—熱電極2—熱接點(diǎn)3—絕緣基板4—引出線9.4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)。32熱電偶的冷端延長電路

33用A‘、B’與A及B連接后，測溫回路的總的熱電勢僅取決于A、B、T及T0（T0為新的自由端，它是穩(wěn)定的），而與A、A‘及B、B’連接處的溫度Tn（中間溫度，它是不穩(wěn)定的）無關(guān)，在T0處測得的總的熱電勢與直接將熱電偶延伸到T0無異。A'B'屏蔽層保護(hù)層根據(jù)中間導(dǎo)體定律34補(bǔ)償導(dǎo)線型號型號配用熱電偶正-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4.279359.5熱電偶冷端補(bǔ)償與集成溫度傳感器冷端補(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，冷端溫度高于0℃，熱電動勢總是偏小。應(yīng)想辦法消除或補(bǔ)償熱電偶的冷端損失。369.5熱電偶冷端補(bǔ)償與集成溫度傳感器1、0℃恒溫法標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冰水混合物2、計(jì)算修正法3、儀表零點(diǎn)調(diào)整法冷端保持恒定溫度T0：T0=50℃4、電橋補(bǔ)償法一、冷端補(bǔ)償方法：371.冷端恒溫法（實(shí)驗(yàn)室）

2.計(jì)算修正法當(dāng)熱電偶的冷端溫度t0

0℃時(shí)，由于熱端與冷端的溫差隨冷端的變化而變化，所以測得的熱電動勢EAB(t,t0)與冷端為0℃時(shí)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?jì)算并修正測量誤差：

EAB(t,0℃)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0℃)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2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=29.97mV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減小到28.36mV，再求tx。解：1）接線盒1是熱電極與補(bǔ)償導(dǎo)線（延長導(dǎo)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(bǔ)償導(dǎo)線（冷端）與銅導(dǎo)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(yīng)用了熱電偶的中間導(dǎo)體定律。

3）當(dāng)Ux=29.97mV時(shí)，直接查分度表得到被測點(diǎn)溫度tx=720℃

。注:接線盒2的溫度t3不是冷端溫度,屬于中間溫度,與測量結(jié)果無關(guān).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(shí)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t

x

=720℃。423.儀表機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整法將動圈儀表的機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整到熱電偶冷端所處的t0處，這就相當(dāng)于在輸入熱電偶的熱電勢前就給儀表輸入一個(gè)熱電勢E（t0,0）,這樣，在使用時(shí)所指示的值約為E（t,t0）+E（t0,0）4243434.電橋補(bǔ)償法冷端T=20 ℃T升高不變錳銅絲銅導(dǎo)線冷端補(bǔ)償器測溫電阻R4置于與冷端相同的溫度場中。當(dāng)冷端溫度升高后，熱電偶的輸出電勢EX有所減小，而熱電阻補(bǔ)償點(diǎn)錢的輸出電壓Uab有所增大，兩個(gè)輸出電壓疊加，熱電偶的測量誤差得到補(bǔ)償。補(bǔ)償電橋與熱電偶型號相對應(yīng)。44二、半導(dǎo)體集成溫度傳感器測溫及熱電偶冷端溫度的測量

使用半導(dǎo)體集成溫度傳感器（溫度IC）來測量室溫。將溫度IC置于熱電偶冷端附近，溫度IC的輸出電壓作簡單的換算，就能得到熱電偶的冷端溫度。溫度IC的基礎(chǔ)是PN結(jié)的溫度系數(shù)。當(dāng)流過PN結(jié)的正向電流固定時(shí)，正向電壓降與絕對溫度呈線性關(guān)系。半導(dǎo)體硅材料的PN結(jié)正向?qū)妷号c溫度變化呈線性關(guān)系，所以可以將感受到溫度變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化。二、半導(dǎo)體集成溫度傳感器測溫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)的測溫元件。

PN結(jié)的溫度特性演示二極管的正向電壓降UD以-2mV/℃的趨勢變化。1.PN結(jié)的溫度系數(shù)2.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Ｔ?°C-125℃范圍內(nèi)，它將產(chǎn)生與分度表對應(yīng)的4.096μV/100℃的補(bǔ)償電壓。MAX6675工作原理熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線A’,B’接到MAX6675SWT+,T_端，經(jīng)內(nèi)部加法電路，將K型熱電偶補(bǔ)償后的熱電動勢轉(zhuǎn)換為代表溫度的數(shù)字脈沖，從SPI串行接口輸出到單片機(jī)。MAX6675工作時(shí)，必須與熱電偶冷端或補(bǔ)償導(dǎo)線A’,B’的末端處于相同的溫度場中。9.6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或XCT系列。

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。一、與熱電偶配套的儀表

XCZ系列指針式顯示儀表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—動圈7—張絲8—磁鋼（極靴）

9—指針

10—刻度面板

XMZ系列智能數(shù)字顯示儀表特點(diǎn)（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(shè)定：測量量程和顯示分辨力由按鍵設(shè)定。（3）控制設(shè)定：上限、下限或“上上限”、“下下限”等各控制點(diǎn)值可在全量程范圍內(nèi)設(shè)定,上下限控制回差值也可分別設(shè)定.（4）繼電器功能設(shè)定：內(nèi)部的數(shù)個(gè)繼電器可根據(jù)需要設(shè)定成上限控制（報(bào)警）方式或下限控制（報(bào)警）方式。（5）斷線保護(hù)輸出：可預(yù)先設(shè)定各繼電器在傳感器輸入斷線時(shí)的保護(hù)輸出狀態(tài)（ON/OFF/KEEP）。掉電數(shù)據(jù)保護(hù)。（6）冷端補(bǔ)償范圍：0～60℃。帶有計(jì)算機(jī)、打印機(jī)接口.與熱電偶配套的標(biāo)準(zhǔn)儀表接線圖右上角的三個(gè)接線端子分別為：儀表內(nèi)繼電器的常開（動合）觸點(diǎn)、動觸點(diǎn)和常閉（動斷）觸點(diǎn)。當(dāng)被測溫度低于設(shè)定的上限值時(shí)，“高-總”端子接