检测课件(第九章)2013-3-19

1、第九章第九章 热电偶传感器热电偶传感器 本章介绍本章介绍温度和温标温度和温标的的基本概念、基本概念、温度温度测量的基本方法测量的基本方法、热电偶热电偶的基本的基本工作原理工作原理、热电偶的热电偶的分类、特点及使用分类、特点及使用、冷端延长的、冷端延长的方法、冷端温度补偿的方法和技术、控温方法、冷端温度补偿的方法和技术、控温仪表的仪表的使用等使用等。 9.1 9.1 温度测量的基本概念温度测量的基本概念9.2 9.2 热电偶传感器的工作原理热电偶传感器的工作原理9.3 9.3 热电偶的种类及结构热电偶的种类及结构9.4 9.4 热电偶冷端的延长热电偶冷端的延长9.5 9.5 热电偶的冷端温度补偿

2、与热电偶的冷端温度补偿与 集成温度传感器集成温度传感器9.6 9.6 热电偶的应用及配套仪表热电偶的应用及配套仪表第九章第九章 热电偶传感器热电偶传感器 目录目录进入进入进入进入进入进入低温低温高温高温第一节第一节 温度测量的基本概念温度测量的基本概念 一、一、温度测量的温度测量的基本概念基本概念 温度标志着物质温度标志着物质内部大量内部大量分子无规则分子无规则运动的剧烈程度运动的剧烈程度。温。温度越高，表示物体内度越高，表示物体内部分子热运动越剧烈。部分子热运动越剧烈。 模拟图模拟图：在一个密闭的空间里，在一个密闭的空间里，气体分子在高温时的气体分子在高温时的运动速度比低温时快运动速度比低温

3、时快！温度从微观上看，是物体分子运！温度从微观上看，是物体分子运动平均动能大小的标志。动平均动能大小的标志。温度是表征物体的冷热程度的物理量温度是表征物体的冷热程度的物理量。为了定量分。为了定量分析，要给给物体的冷热程度一个定量的描述。温标就析，要给给物体的冷热程度一个定量的描述。温标就是以此目的而建立的。是以此目的而建立的。温标是温度数值化的标尺温标是温度数值化的标尺，它给出了温度数值化的，它给出了温度数值化的一套规则和方法，并明确了温度的测量单位和温度起一套规则和方法，并明确了温度的测量单位和温度起点。点。温标的建立方法：温标的建立方法：借助于随温度变化而变化的物理借助于随温度变化而变化的

4、物理量（体积、压力、电阻和热电动势等）来定义温度数量（体积、压力、电阻和热电动势等）来定义温度数值、建立温标。值、建立温标。二、温标二、温标二、温标二、温标 （续）（续）1. 温度的数值表示方法称为温标。温度的数值表示方法称为温标。温标规定了温度的读数的起点温标规定了温度的读数的起点（即零点）以及（即零点）以及温度的单位温度的单位。各类温度计的刻度均由温标确定。各类温度计的刻度均由温标确定。2. 国际上规定的温标有：国际上规定的温标有：摄氏温标摄氏温标、华氏温标华氏温标、热力学温标热力学温标等。等。 发展阶段：发展阶段：华氏温标华氏温标摄氏温标摄氏温标开氏温标开氏温标 华氏温标规定：标准大气压

5、下冰融点为华氏温标规定：标准大气压下冰融点为32度，水沸点度，水沸点为为212度，两者中间分度，两者中间分180格，每格为华氏格，每格为华氏1度，符号为度，符号为 。摄氏温标规定，标准大气压下冰融点为。摄氏温标规定，标准大气压下冰融点为0度，水沸度，水沸点为点为100度，两者中间分度，两者中间分100格，每格为摄氏格，每格为摄氏1度，符号度，符号为为。华氏温标与摄氏温标的换算关系是：。华氏温标与摄氏温标的换算关系是：CFtt5932 例例：摄氏温度：摄氏温度为为20时，华氏温度为时，华氏温度为32+36=68 开氏温标规定，温度不能为负值，起点为绝对零度，开氏温标规定，温度不能为负值，起点为绝

6、对零度，冰融点为冰融点为273.15度，水沸点为度，水沸点为373.15度，两者中间分度，两者中间分100格，每格为格，每格为1开，符号为开，符号为K。 各种温标均有局限性，华氏温标和摄氏温标只能标各种温标均有局限性，华氏温标和摄氏温标只能标定定0100 的温度，而开氏温标的起点只是理论上的温度，而开氏温标的起点只是理论上存在，无法达到。存在，无法达到。温标的发展温标的发展国际实用温标是一种协议温标，用来统一各国之间国际实用温标是一种协议温标，用来统一各国之间的温度计量。的温度计量。尽可能地尽可能地接近热力学（开氏）温度接近热力学（开氏）温度； 各国均能各国均能以很高的准确度复现同样的温标以很

7、高的准确度复现同样的温标；用于用于复现温标的标准温度计使用方便、性能稳定复现温标的标准温度计使用方便、性能稳定。第一个国际温标是第一个国际温标是1927年国际计量大会决定采用的，年国际计量大会决定采用的，“1927国际温标国际温标”,后来又不断改进修订，相继有后来又不断改进修订，相继有1948国际温标、国际温标、 1968国际实用温标和国际实用温标和1990国际实用温标。国际实用温标。 目前推行的是目前推行的是1990年国际实用温标年国际实用温标ITS-90： 热力学热力学温度用符号温度用符号T90表示表示,单位为开尔文，符号为单位为开尔文，符号为K。 摄氏温度的符号为摄氏温度的符号为t90，

8、单位是摄氏度，单位是摄氏度,符号为符号为。国际实用温标国际实用温标 T90和和t90的关系为的关系为：t90=T90-273.15 ，或或 t /=T /K-273.15 例如例如:摄氏温度为摄氏温度为0时，开尔文温度为时，开尔文温度为273.15K ITS-90国际实用温标由三部分组成国际实用温标由三部分组成： 定义固定点、内插标准仪器及内插公式。定义固定点、内插标准仪器及内插公式。 定义的固定点是指：定义的固定点是指： 某些纯物质的三相点（气、液、固共存）、熔点或某些纯物质的三相点（气、液、固共存）、熔点或凝固点、沸点这些固定点的指定温度值凝固点、沸点这些固定点的指定温度值。 固定点间的温

9、度用规定的内插标准仪器和内插公式固定点间的温度用规定的内插标准仪器和内插公式来分度。来分度。 热力学温标就是通过这种方法在标准仪器上来实现热力学温标就是通过这种方法在标准仪器上来实现的。的。几种温标的对比几种温标的对比 正常体温正常体温为为37 ，相当于华相当于华氏温度多氏温度多少度？少度？1990国际温标（国际温标（ITS-90） 国际温度咨询委员会于国际温度咨询委员会于1989年年9月通过了月通过了1990年新的国际温标年新的国际温标(ITS-90),并上报国际计量委员会并上报国际计量委员会批准。批准。这个新国际温标于这个新国际温标于1990年年1月月1日起在全世日起在全世界各国开始执行界

10、各国开始执行。新温标用新温标用“T(90)”代表热力学代表热力学温度温度,其单位用其单位用 K 表示表示。我国的国家法定测温标。我国的国家法定测温标准统一采用新的国际温，简称准统一采用新的国际温，简称ITS-90。ITS-90定义了一系列温度的固定点，测量和重定义了一系列温度的固定点，测量和重现这些固定点的标准仪器以及计算公式现这些固定点的标准仪器以及计算公式，例如水，例如水的三相点为的三相点为273.16K（0.01）等。等。 热力学温标热力学温标（K） 热力学温标是建立在热力学温标是建立在热力学第二定律热力学第二定律基础上基础上的的最科学的温标最科学的温标，是由，是由开尔文（开尔文（Kel

11、vin）根据根据热力学定律提来的，因热力学定律提来的，因此又称此又称开氏温标开氏温标。它的。它的符号是符号是T，单位是开尔单位是开尔文（文（K） 。威廉威廉汤姆逊汤姆逊开尔文勋爵像开尔文勋爵像国际实用温标是由各国计量部门按规定分别国际实用温标是由各国计量部门按规定分别保持和传递。保持和传递。各类温度计在使用前均要进行检定。一般采各类温度计在使用前均要进行检定。一般采用比较法进行检定，即：用比较法进行检定，即：将标准温度计和被校将标准温度计和被校温度计同时放入检定装置（如各种恒温槽和管温度计同时放入检定装置（如各种恒温槽和管式电炉），以标准温度计测定的温度为已知，式电炉），以标准温度计测定的温度

12、为已知，将被校温度计的测量值与其比较将被校温度计的测量值与其比较，从而确定，从而确定被被校温度计的准确度校温度计的准确度和和修正值修正值。三、温标的传递三、温标的传递表表9-1 ITS-90定义固定点定义固定点四、温度测量及传感器分类四、温度测量及传感器分类 温度传感器按照温度传感器按照用途用途可分为基准温度计和工可分为基准温度计和工业温度计；按照测量方法又可分为业温度计；按照测量方法又可分为接触式接触式和和非非接触式接触式；按工作原理又可分为；按工作原理又可分为膨胀式膨胀式、电阻式电阻式、热电式热电式、辐射式辐射式等等；按输出方式分，有自发等等；按输出方式分，有自发电型、机械非电测型等。电型

13、、机械非电测型等。 物物理理现现象象体积热膨胀体积热膨胀电阻变化电阻变化温差电动势温差电动势导磁率变化导磁率变化电容变化电容变化压电效应压电效应超声波传播速度变化超声波传播速度变化物质物质 颜色颜色PN结电动势结电动势晶体管特性变化晶体管特性变化晶闸管动作点变化晶闸管动作点变化热、光辐射热、光辐射种种类类铂测温电阻、热敏电阻铂测温电阻、热敏电阻热电偶热电偶BaSrTiO3陶瓷陶瓷石英晶体振动器石英晶体振动器超声波温度计超声波温度计示温涂料示温涂料 液晶液晶半导体二极管半导体二极管晶体管半导体集成电路温度传感器晶体管半导体集成电路温度传感器热敏晶闸管热敏晶闸管辐射温度传感器辐射温度传感器 光学高

14、温计光学高温计1.气体温度计气体温度计 2. 玻璃制水银温度计玻璃制水银温度计3.玻璃制有机液体温度计玻璃制有机液体温度计 4.双金属温度计双金属温度计5.液体压力温度计液体压力温度计 6. 气体压力温度计气体压力温度计1 热铁氧体热铁氧体 2 Fe-Ni-Cu合金合金 温度测量及传感器分类温度测量及传感器分类 表表9-2 9-2 温度传感器的种类及特点温度传感器的种类及特点所利用的物理现象所利用的物理现象传传 感感 器器 类类 型型测测 温温 范范 围围/特特 点点体体 积积热热 膨膨 胀胀气体温度计气体温度计液体压力温度计液体压力温度计玻璃水银温度计玻璃水银温度计双金属片温度计双金属片温度

15、计- -2501000- -200350- -50350- -50300 不需要电源，耐用；但不需要电源，耐用；但感温部件体积较大感温部件体积较大接触热电动势接触热电动势钨铼热电偶钨铼热电偶铂铑热电偶铂铑热电偶其他热电偶其他热电偶100021002001800- -2001200 自发电型，标准化程度高，自发电型，标准化程度高，品种多；须进行冷端温度补品种多；须进行冷端温度补偿偿电电 阻阻 的的 变变 化化铂热电阻铂热电阻热敏电阻热敏电阻- -200900- -50300 标准化程度高；但需要接标准化程度高；但需要接入桥路才能得到电压输出入桥路才能得到电压输出PN 结结 结结 电电 压压硅半导

16、体二极管硅半导体二极管（半导体集成温度（半导体集成温度传感器）传感器）- -50150 体积小，线性好，体积小，线性好，- -2mV/；但测温范围小；但测温范围小温度温度-颜色颜色示温涂料示温涂料示温液晶示温液晶- -5013000100 面积大，可得到温度图象；面积大，可得到温度图象；但易衰老，准确度低但易衰老，准确度低光光 辐辐 射射热热 辐辐 射射红外辐射温度计红外辐射温度计光学高温温度计光学高温温度计热释电温度计热释电温度计- -501500500300001000 非接触式测量，反应快；非接触式测量，反应快；但易受环境及被测体表面状但易受环境及被测体表面状态影响态影响介绍几种温度测量

17、方法介绍几种温度测量方法 示温涂料（变色涂料）示温涂料（变色涂料）装满热水后图案装满热水后图案变得清晰可辨变得清晰可辨变色变色陶瓷陶瓷 示温变色贴示温变色贴变色涂料在电脑内部温度中的示温作用变色涂料在电脑内部温度中的示温作用CPU散散热风扇热风扇低温时低温时显示蓝色显示蓝色温度升高后变为红色温度升高后变为红色体积体积热膨胀式热膨胀式 不需要电源，寿命长；不需要电源，寿命长；但感温部件体积较大，但感温部件体积较大，只能抵近测量。只能抵近测量。 气体的体积与气体的体积与热力学温度成正比热力学温度成正比红外温度计红外温度计热电偶测温的主要优点热电偶测温的主要优点 1. 属于属于自发电型自发电型传感器

18、：测量时可以不需外传感器：测量时可以不需外加电源，可直接驱动动圈式仪表；加电源，可直接驱动动圈式仪表； 2. 测温范围广测温范围广：下限可达下限可达-270 ，上限可，上限可达达18001800以上；以上； 3.3.各温区中的各种热电偶的热电动势均符合各温区中的各种热电偶的热电动势均符合国际计量委员会国际计量委员会的标准。的标准。热电偶工作原理演示热电偶工作原理演示 结论：结论： 当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。热电极热电极A A右端称为：右端称为：自由端自由端（参考（参考端、端、冷冷端端）第二节第二节 热电偶的工作原理热电偶的工作原理

19、左端称为：左端称为：测量端测量端（工作（工作端、端、热热端端）热电极热电极B B热电动热电动势势AB回目录回目录从实验到理论：从实验到理论：热电效应热电效应 1821年，德国物理学家年，德国物理学家赛贝克赛贝克用两种不同用两种不同金属组成金属组成闭合回路闭合回路，并用酒精灯，并用酒精灯加热其中一个加热其中一个接触点（称为结点），接触点（称为结点），发现放在回路中的发现放在回路中的指南指南针发生偏转针发生偏转。说明回路中产生了什么？。说明回路中产生了什么？ 1工作端工作端 2热电极热电极A 2热电极热电极B 4指南针指南针 5参考端参考端 “结点结点”产生热电动势的产生热电动势的微观微观动画动画

20、 两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属自由电子的密度不同，在两金属A和和B的接触点处会的接触点处会发生自由电子的相互发生自由电子的相互扩散现象扩散现象。自由电子将从密度大。自由电子将从密度大的金属的金属A扩散到密度小的金属扩散到密度小的金属B，使，使A失去电子带正失去电子带正电电，B得到电子带负电得到电子带负电，从而产生，从而产生热电动势热电动势。 自由自由电子电子ABeAB（ T T ）T T热电偶的热电偶的图形符号图形符号上图中的上图中的接触电动势接触电动势eAB(T )可用可用下式表示下式表示式中式中 eAB(T)

21、A、B两种材料在温度为两种材料在温度为T时的时的 接触电动势；接触电动势；T接触处的热力学温度；接触处的热力学温度；k 玻尔兹曼常数（玻尔兹曼常数（k=1.38 10-23J/K）；）；e 电子电荷（电子电荷（e =1.6 10-19C）；）；nA、nB热电极材料热电极材料A、B的自由电子密度。的自由电子密度。 AABBlnnkTeTen如果取如果取e eABAB( (T T) )的方向为正方向，如图所示，则有的方向为正方向，如图所示，则有 0AAAA B0A BA B00BBB,lnlnlnkTnnnkTkE TTe T e TT Tenenen有关热电动势的几个结论有关热电动势的几个结论

22、1）如果）如果热电偶两根电极材料相同热电偶两根电极材料相同，即使两端温度，即使两端温度不同（不同（tt0），但），但总输出热电动势仍为零总输出热电动势仍为零。因此。因此必须由必须由两种不同材料才能构成热电偶两种不同材料才能构成热电偶。 2）如果）如果热电偶两结点温度相同热电偶两结点温度相同，则，则回路总的热电回路总的热电动势必然等于零动势必然等于零。两结点温差越大，热电动势越大两结点温差越大，热电动势越大。 3）式中未包含与热电偶的尺寸形状有关的参数，）式中未包含与热电偶的尺寸形状有关的参数，所以热电动势的大小只与材料和结点温度有关。所以热电动势的大小只与材料和结点温度有关。 如果如果以摄氏温

23、度为单位，以摄氏温度为单位，EAB(T，T0)也可以写成也可以写成EAB(t，t0)，其物理意义虽然有所不同，但电动势的数其物理意义虽然有所不同，但电动势的数值是相同的。值是相同的。 有关热电偶热电动势的讨论有关热电偶热电动势的讨论 热电偶两结点所产生的总的热电偶两结点所产生的总的热电动势热电动势等于热端热电等于热端热电动势与冷端热电动势动势与冷端热电动势之差之差，是两个结点的，是两个结点的温差温差tt 的的函数：函数： EAB( (T，T0) )=eAB ( ( T T ) )- - eAB ( ( T T0 ) ) 结论：热电动势大致与结论：热电动势大致与两个结点的两个结点的温差温差T或或

24、t t 成正比。成正比。从实验到理论的讨论从实验到理论的讨论如果用两盏酒精灯如果用两盏酒精灯同时加热同时加热两个结点两个结点，指，指南针的偏转角反而减小南针的偏转角反而减小。这又说明什么？。这又说明什么？ 结论：结论：指南针的偏转说明回路中有电动势产生，并指南针的偏转说明回路中有电动势产生，并有电流在回路中流动。有电流在回路中流动。热电流的强弱与两个结点的温差有关，而不热电流的强弱与两个结点的温差有关，而不是与单一的一端结点的温度成正比。是与单一的一端结点的温度成正比。 中间导体定律中间导体定律若在若在热电偶回路中插入热电偶回路中插入“中间导体中间导体”(A、B热电极之外的其他导体热电极之外的

25、其他导体),只要中间导体两端温只要中间导体两端温度相同度相同,则则对热电偶回路的总热电动势无影响对热电偶回路的总热电动势无影响 。1镍铜表棒镍铜表棒 2磷铜接插件磷铜接插件 3铜漆包线动圈表头铜漆包线动圈表头Cu纯铜导线纯铜导线 HNi镍黄铜镍黄铜 QSn锡磷青铜锡磷青铜 Sn焊锡焊锡 NiMn镍锰铜电阻丝镍锰铜电阻丝热电偶热电偶A、B回路插入中间导体回路插入中间导体C后，后，总的热电动势为：总的热电动势为：总的热电动势与总的热电动势与C无关。同理，热无关。同理，热电偶回路中插入多电偶回路中插入多种导体（种导体（D、E、F），只要保），只要保证插入的每种导体证插入的每种导体的两端温度相同，的两

26、端温度相同，则对热电偶的热电则对热电偶的热电动势也无影响。动势也无影响。 ABC0ABBC0CA000CBABCA0CBABCA0BCABCA0BABA,lnlnlnlnlnlnET TeTeTeTkTkTnneTenenkTnneTennkTn neTen nkTneTen 0AABBABAB0AB0ln,kTneTeneTeTET T中间导体定律的意义中间导体定律的意义利用热电偶来实际测温时，利用热电偶来实际测温时，连接导线、显连接导线、显示仪表和接插件等均可看成是中间导体示仪表和接插件等均可看成是中间导体，只要只要保证这些中间导体两端的温度各自相同保证这些中间导体两端的温度各自相同，则，

27、则对对热电偶的热电动势没有影响热电偶的热电动势没有影响。在使用热电偶时，应尽量使上述元器件两在使用热电偶时，应尽量使上述元器件两端的温度相同，才能减少测量误差。端的温度相同，才能减少测量误差。 在放大器中，在放大器中，若某个电阻或集成电路引脚若某个电阻或集成电路引脚两端的温度不相同，将产生热电动势两端的温度不相同，将产生热电动势。为了尽。为了尽量减小由此产生的电动势，可以用铜质屏蔽罩量减小由此产生的电动势，可以用铜质屏蔽罩将放大电路与热源隔离，并使罩内各个元件两将放大电路与热源隔离，并使罩内各个元件两端的温度相同。端的温度相同。参考电极定律参考电极定律已知热电极已知热电极A、B与参考电极与参考

28、电极C 组成的热电偶在结点温组成的热电偶在结点温度为（度为（t,t0）时的热电动势分别为）时的热电动势分别为EAC(t,t0)，EBC(t,t0)，则在相同温度下，由则在相同温度下，由A、B两种热电极配对后的热电动两种热电极配对后的热电动势势EAB(t,t0)： EAB（t,t0）=EAC(t，t0) EBC(t,t0)参考电极定律简化了热电偶的选配工作参考电极定律简化了热电偶的选配工作。只要获得有。只要获得有关热电极与参考电极配对的热电动势，那么任何两种关热电极与参考电极配对的热电动势，那么任何两种热电极配对时的热电动势均可求得，就能较快地筛选热电极配对时的热电动势均可求得，就能较快地筛选出

29、适合需要的、出适合需要的、性能良好的热电偶。性能良好的热电偶。目前常用纯铂丝作为目前常用纯铂丝作为标准电极标准电极。第三节第三节 热电偶的种类及结构热电偶的种类及结构 八种八种国际通用热电偶：国际通用热电偶： B:B:铂铑铂铑3030铂铑铂铑6 6 、R:R:铂铑铂铑1313铂铂 S:S:铂铑铂铑1010铂铂 、 K:K:镍铬镍铬镍硅镍硅 N:N:镍铬硅镍铬硅镍硅镍硅 、E:E:镍铬镍铬铜镍铜镍 J:J:铁铁铜镍铜镍 T:T:铜铜铜镍铜镍 用于制造用于制造铂铂热电偶热电偶的各种的各种热电偶丝热电偶丝回目录回目录几种国标热电偶的测温范围及热电动势几种国标热电偶的测温范围及热电动势 分度号分度号

30、名称名称 测量温度范围测量温度范围 1000热电动势热电动势/ mVB铂铑铂铑30铂铑铂铑65018204.834R铂铑铂铑13铂铂-501768 10.506S铂铑铂铑10铂铂-501768 9.587K镍铬镍硅镍铬镍硅 (铝铝) -2701370 41.276E镍铬铜镍镍铬铜镍 (康康 铜铜)- 270800 5种热电偶的种热电偶的测温范围测温范围与与热电动势热电动势各有什么特点？用途？各有什么特点？用途？几种常用热电偶的热电动势与温度几种常用热电偶的热电动势与温度的关系曲线分析的关系曲线分析 哪几种热电哪几种热电偶的测温上限较偶的测温上限较高？高？ 哪几种热电哪几种热电偶的线性较差？偶的

31、线性较差？ 哪一种热电哪一种热电偶的灵敏度较高？偶的灵敏度较高？ 哪一种热电哪一种热电偶的灵敏度较低？偶的灵敏度较低？为什么所有的曲线均过原点（为什么所有的曲线均过原点（0点）？点）？ 为贵金属热电偶。正极是铂铑丝（铂为贵金属热电偶。正极是铂铑丝（铂70%，铑铑30%），负极也是铂铑丝（铂），负极也是铂铑丝（铂94%，铑，铑6%），），俗称双铂铑。俗称双铂铑。 测量温度最高长期可达测量温度最高长期可达1600，短期可达短期可达1800。 优点：材料性能稳定，优点：材料性能稳定，测量准确度高测量准确度高，测温，测温上限高。上限高。 缺点：在还原性气体中易被侵蚀，价昂缺点：在还原性气体中易被侵蚀，

32、价昂。 为贵金属热电偶。为贵金属热电偶。为贵金属热电偶。为贵金属热电偶。 。镍铬镍铬-镍硅的正极为含铬镍硅的正极为含铬10%的镍铬合金（的镍铬合金（KP），负），负极为含硅极为含硅3%的镍硅合金（的镍硅合金（KN）。国已经基本上用镍铬）。国已经基本上用镍铬-镍硅镍硅取代镍铬取代镍铬-镍铝镍铝热电偶热电偶,两者分度表是相同的。两者分度表是相同的。测温范围：测温范围：-200+1370。优点：优点：测温范围较宽测温范围较宽、热电动势与温度关系近似、热电动势与温度关系近似线性，线性，热电动势较大热电动势较大、价廉。、价廉。是目前工业中应用最为广泛的热是目前工业中应用最为广泛的热电偶。电偶。测量温度长

33、期可达测量温度长期可达1000，短期可达，短期可达1300。缺点：缺点：在在300500及及800左右时，短期热循环稳左右时，短期热循环稳定性不好，热电动势不够稳定，且定性不好，热电动势不够稳定，且不能用于核辐射场合不能用于核辐射场合。裸丝在还原性气体和含有裸丝在还原性气体和含有SO2、H2S等气体中易被侵蚀。等气体中易被侵蚀。当氧分压较低时，镍铬电极中的铬将被氧化当氧分压较低时，镍铬电极中的铬将被氧化(也称绿蚀也称绿蚀)，使热电动势发生很大变化。因此多采用金属制热电偶保使热电动势发生很大变化。因此多采用金属制热电偶保护管。护管。正极（正极（NP）为名义值）为名义值13.714.7%的铬和的铬

34、和1.21.6%的硅，及的硅，及0.01%的镁与镍的合金，负极（的镁与镍的合金，负极（NN）为）为名义值名义值4.24.6%的硅和的硅和0.51.5%的镁及的镁及0.02%的的铬与镍的合金。铬与镍的合金。优点：线性度好优点：线性度好,热电动势较大热电动势较大,稳定性和均匀性比稳定性和均匀性比K热电偶好热电偶好。不会因磁性变化造成热电动势偏离分度表，不会因磁性变化造成热电动势偏离分度表，耐核辐射耐核辐射，价廉价廉，是一种新的国际标准化热电偶是一种新的国际标准化热电偶,其综其综合性能优于合性能优于K型热电偶型热电偶 。缺点：缺点：不能直接在高温下用于氧化气氛不能直接在高温下用于氧化气氛中，中，不适

35、合用不适合用于真空中于真空中。 正极是镍铬合金，负极是铜镍合金（铜正极是镍铬合金，负极是铜镍合金（铜55%，镍镍45%）。测温范围为）。测温范围为-200+800。可制作。可制作热电堆。热电堆。 优点：热电动势较其他常用热电偶大优点：热电动势较其他常用热电偶大。适宜。适宜在氧化性或惰性气氛中工作。多用于在氧化性或惰性气氛中工作。多用于300左左右温度的测量。右温度的测量。 缺点：测温上限较低。缺点：测温上限较低。 正极是铁，负极是铜镍合金。正极是铁，负极是铜镍合金。测温范围为测温范围为-200+760。 优点：价廉、热电动势较大优点：价廉、热电动势较大（仅次于（仅次于E型热型热电偶，约为电偶，

36、约为53V/）、线性度好，可在）、线性度好，可在800以下的还原介质中使用。以下的还原介质中使用。 缺点：铁电极易氧化。缺点：铁电极易氧化。 正极是铜，负极是铜镍合金，测温范围为正极是铜，负极是铜镍合金，测温范围为-200+400，热电动势高于镍铬，热电动势高于镍铬-镍硅热电偶，镍硅热电偶，约为约为43V/。 优点：准确高、复现性好、稳定性好、价廉优点：准确高、复现性好、稳定性好、价廉。 缺点：铜电易氧化缺点：铜电易氧化，故在氧化性气氛中使用时，故在氧化性气氛中使用时，一般不能超过一般不能超过300。 在在0-100范围内，铜范围内，铜-铜镍热电偶已被定为三铜镍热电偶已被定为三级标准热电偶级标

37、准热电偶，用以检测低温仪表的准确度，误，用以检测低温仪表的准确度，误差不超过差不超过 0.1，年稳定性可小于，年稳定性可小于3V。热电偶的分度表热电偶的分度表 热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法 我国从我国从1991年开始采用国际计量委员会规定年开始采用国际计量委员会规定的的“1990年国际温标年国际温标”( (简称简称ITS-90) )的新标准。的新标准。按此标准按此标准, ,制定了制定了相应的分度表相应的分度表, ,并且有相应的并且有相应的线性化集成电路与之对应线性化集成电路与之对应，并由计算机查表。，并由计算机查表。 直接从热电偶的分度表查温度与

38、热电动势的直接从热电偶的分度表查温度与热电动势的关系时的约束条件是：关系时的约束条件是：自由端（冷端）温度必自由端（冷端）温度必须为须为0 0。 本教材的本教材的附录附录D D仅仅列出列出工业中常用的工业中常用的镍铬镍铬-镍镍硅（硅（K）热电偶）热电偶的的分度表分度表。 使用分度表时，冷端必须为使用分度表时，冷端必须为0 。冷端置于冷端置于00的方法之一的方法之一 1被测流体管道被测流体管道 2热电偶热电偶 3接线盒接线盒 4补偿导线补偿导线 5铜质导线铜质导线 6毫伏表毫伏表 7冰瓶冰瓶 8冰水混合物冰水混合物 9试管试管 10新的冷端新的冷端 查热电偶分度表（温度查热电偶分度表（温度/ /

39、毫伏数）毫伏数） 设热电偶的冷端温度为设热电偶的冷端温度为0 0，请根据本教材请根据本教材的附录的附录D D工工业中常用的业中常用的镍铬镍铬-镍硅（镍硅（K）热电偶的热电偶的分度表分度表，查出，查出- -100100、0 0 、 100100 时的时的热电动势。热电动势。数字式温度表数字式温度表温度上限温度上限设定值设定值温度上限值温度上限值设定键设定键单片机自动查分度表，并单片机自动查分度表，并显示被测温度值显示被测温度值K热电偶热电偶的分度表的分度表 分别查出分别查出-100-100、+100+100时的时的2 2个热电动个热电动势。势。 计算与计算与0之差，之差，体会热电动体会热电动势的

40、势的非线性。非线性。如何由热电偶的热电动势查热端温度值如何由热电偶的热电动势查热端温度值 设设冷端为冷端为0 0，根据以下电路中的毫伏表的根据以下电路中的毫伏表的示示值值及及K热电偶的热电偶的分度表，分度表，查出查出热端的温度热端的温度tx 。装配式装配式热电偶的外形热电偶的外形安装安装螺纹螺纹安装安装法兰法兰普通普通装配式装配式热电偶的热电偶的结构结构图图 接线盒接线盒引出线套管引出线套管 固定螺纹固定螺纹 （出厂时用塑料包裹）（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）热电偶工作端（热端） 不锈钢不锈钢保护管保护管装配式装配式热电偶在管道中的安装热电偶在管道中的安装1装配式热电偶装配式热电偶

41、2管道管道 3绝热层绝热层锅炉烟道中的锅炉烟道中的密封安装密封安装装配式装配式热电偶在热电偶在锅炉中的安装锅炉中的安装2022-2-1965端面式端面式热电偶及其在测温面的安装热电偶及其在测温面的安装能更快速地反映被测端能更快速地反映被测端面的实际温度。面的实际温度。铠装式热电偶铠装式热电偶 铠装热电偶的制造工艺：铠装热电偶的制造工艺：把热电极材料与高温绝缘把热电极材料与高温绝缘材料预置在材料预置在金属保护管金属保护管中、运用同比例压缩延伸工艺、中、运用同比例压缩延伸工艺、将这三者合为一体，制成各种直径、规格的铠装偶体，将这三者合为一体，制成各种直径、规格的铠装偶体，再截取适当长度、将再截取适

42、当长度、将工作端焊接密封工作端焊接密封、配置、配置接线盒接线盒即即成为成为柔软、细长柔软、细长的铠装热电偶。的铠装热电偶。 铠装热电偶特点：铠装热电偶特点：内部的热电偶丝与外界空气隔绝，内部的热电偶丝与外界空气隔绝，有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力冲击的特性。铠装热电偶可以制作得很细，能解外力冲击的特性。铠装热电偶可以制作得很细，能解决决微小、狭窄场合微小、狭窄场合的测温问题，且具有抗震、可弯的测温问题，且具有抗震、可弯曲、曲、超长超长等优点。等优点。 铠装式热电偶铠装式热电偶铠装型热电偶外形铠装型热电偶外形法兰法兰铠装型热电偶可

43、铠装型热电偶可 长达上百米长达上百米薄壁金属薄壁金属 保护套管保护套管（铠体）（铠体） BA绝缘绝缘 材料材料铠装型热电偶铠装型热电偶横截面横截面铠装型热电偶外形铠装型热电偶外形接线卡接线卡屏蔽层屏蔽层测量端测量端（热端）（热端）铠装式铠装式热电偶在设备中的安装热电偶在设备中的安装薄膜式薄膜式热电偶的外形热电偶的外形1热电极热电极A 2结点（热端）结点（热端） 3热电极热电极B 4引脚接头引脚接头 5相同材质的引脚（冷端）相同材质的引脚（冷端）用真空蒸镀等方法使两种热电极材料蒸镀到绝缘板用真空蒸镀等方法使两种热电极材料蒸镀到绝缘板上而形成薄膜装热电偶，热接点约上而形成薄膜装热电偶，热接点约0.

44、010.lm。特别适用于对壁面温度的特别适用于对壁面温度的快速测量。安装时，用粘结快速测量。安装时，用粘结剂将它粘结在被测物体壁面剂将它粘结在被测物体壁面上。上。尺寸约为尺寸约为 6060.2mm; 测温范围在测温范围在300以下；反以下；反应时间仅为几应时间仅为几ms。 隔爆隔爆式热电偶式热电偶结构特点结构特点：隔爆热电偶的接线盒在设计时采用防爆：隔爆热电偶的接线盒在设计时采用防爆的特殊结构，它的接线盒是经过的特殊结构，它的接线盒是经过压铸压铸而成的，而成的，有一定有一定的厚度的厚度、隔爆空间，、隔爆空间，机构强度机构强度较高；采用螺纹隔爆接较高；采用螺纹隔爆接合面，并合面，并采用密封圈进行

45、密封采用密封圈进行密封，因此，当接线盒内一，因此，当接线盒内一旦放弧时，旦放弧时，不会与外界环境的危险气体传爆不会与外界环境的危险气体传爆，能达到，能达到预期的防爆、隔爆效果。预期的防爆、隔爆效果。 使用场合：使用场合：工业用的隔爆型热电偶多用于工业用的隔爆型热电偶多用于化学工业化学工业自控系统中（由于在化工生产厂、生产现场常伴有各自控系统中（由于在化工生产厂、生产现场常伴有各种易燃、易爆等化学气体或蒸汽，如果用普通热电偶种易燃、易爆等化学气体或蒸汽，如果用普通热电偶则非常不安全、很容易引起则非常不安全、很容易引起环境气体爆炸环境气体爆炸）。）。隔爆隔爆式热电偶外形式热电偶外形厚壁保护管厚壁保

46、护管压铸的接线盒压铸的接线盒电缆线电缆线法兰盘法兰盘装配式热电偶的常用保护管材料装配式热电偶的常用保护管材料材料名称材料名称使用温度使用温度/ CH62黄铜黄铜12CrMOV钢钢1Cr18Ni9Ti不锈钢不锈钢Cr18Ni12MO2TiGH39高温不锈钢高温不锈钢石英石英高铝质管（高铝质管（85% 90%Al2 2O O3 3）高级耐火陶瓷高级耐火陶瓷再结晶氧化铝再结晶氧化铝碳化硅碳化硅钢玉质管（钢玉质管（99.5%Al99.5%Al2 2O O3 3）硼化锆硼化锆石墨石墨氧化钍（氧化钍（ThOThO）4006009009001200130013001400150016001600180020

47、002200其他其他热电偶外形热电偶外形小形小形K型热电偶型热电偶XCXC系列陶瓷纤维柔性热电偶系列陶瓷纤维柔性热电偶K、E、J分度分度号备选，陶瓷绝号备选，陶瓷绝缘温度可达缘温度可达2000(2200 ).300 mm (12“) 长带绝缘，长带绝缘，13 mm (0.5”)长的标准剥离引长的标准剥离引线端线端.用消耗式热电用消耗式热电偶测量熔融金偶测量熔融金属温度的属温度的示意图示意图适合不同被测壁面的热电偶安装方法适合不同被测壁面的热电偶安装方法1发热元件发热元件 2散热片散热片 3薄膜热电偶薄膜热电偶 4绝热保护层绝热保护层 5硬质车刀硬质车刀 6用激光加工的斜孔用激光加工的斜孔 7露

48、头式铠装热电偶的露头式铠装热电偶的测量端测量端 8薄壁金属保护管薄壁金属保护管 9冷端冷端 10工件工件 a）薄膜热电偶测量表面温度）薄膜热电偶测量表面温度 b）铠装式热电偶测量车刀的核心温度）铠装式热电偶测量车刀的核心温度 c）铠装式热电偶测量电动机外壳温度）铠装式热电偶测量电动机外壳温度用两根热电偶测量水泵的效率用两根热电偶测量水泵的效率热电偶丝与被测温度金属板的热电偶丝与被测温度金属板的3 3种焊接方式种焊接方式热电偶丝的冲击焊电路热电偶丝的冲击焊电路热电偶丝的接触焊电路热电偶丝的接触焊电路第四节第四节 热电偶冷端的延长热电偶冷端的延长 采用相对采用相对廉价廉价的补偿导线，可的补偿导线，

49、可延长热电偶的延长热电偶的冷端冷端，使之远离高温区；可节约大量贵金属；易弯曲，便使之远离高温区；可节约大量贵金属；易弯曲，便于敷设。于敷设。 补偿导线在补偿导线在0 0100100范围内的热电动势与配套的范围内的热电动势与配套的热电偶的热电动势热电偶的热电动势相等相等，所以，所以不影响不影响测量准确度。测量准确度。回目录回目录热电偶冷端延长热电偶冷端延长 用用A、B与与A及及B连接后，测温回路的总的热电势连接后，测温回路的总的热电势仅取决于仅取决于A、B、T及及T0（T0为新的自由端，它是稳定为新的自由端，它是稳定的），而与的），而与A、A2 2 ABBBB Cu0CuA0A AABBBA A

50、B A0ABAB0BBAAABAB0BBAAAA0BBElnlnlnlnlnlnlnlnln1lnnnnnnnnnETETETETETTETETETnnnnkTTTTennnnnnnnkTTTennnnnnkTTTenn 中间导体定律AABBAA0BA0BAB0lnlnln,BnnnnnnkTTennnkTTenET T已知及及B、B连接处的连接处的温度温度Tn（中间温（中间温度，它是不稳定度，它是不稳定的）无关，在的）无关，在T0处测得的总的热处测得的总的热电势与直接将热电势与直接将热电偶延伸到电偶延伸到T0无无异。异。补偿导线型号（续）补偿导线型号（续）型号型号 配用热电偶配用热电偶正正-

51、负负型型号号导线外皮导线外皮颜色颜色 正正-负负100时的时的热电动势热电动势/ mVRC R （铂铑（铂铑13-铂）铂）RC红红-绿绿 0.647NC N（镍铬硅镍铬硅-镍镍硅硅）NC 红红-黄黄2.744EX E （镍铬镍铬-铜镍铜镍）EX红红-棕棕6.319JXJ（铁铁-铜镍铜镍）JX红红-紫紫5.264TX T （铜铜-铜镍铜镍 ） TX红红-白白4.279补偿导线外形补偿导线外形 AB屏蔽层屏蔽层保护层保护层热电偶的冷端延长电路热电偶的冷端延长电路 第五节第五节 热电偶的冷端温度补偿热电偶的冷端温度补偿必要性必要性：1. 用热电偶的用热电偶的分度表查毫伏数分度表查毫伏数-温度时温度时

52、，必必须满足须满足t0=0的条件的条件。在实际测温中，冷端温。在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化，这样度常随环境温度而变化，这样t0不但不但不是不是0 ，而且也而且也不恒定不恒定， 因此因此将产生误差将产生误差。2. 一般情况下，一般情况下，冷端温度高于冷端温度高于0 ，热电动热电动势总是偏小势总是偏小。应想办法。应想办法消除或补偿消除或补偿热电偶的热电偶的冷冷端损失端损失 。回目录回目录冷端温度补偿的方法冷端温度补偿的方法 一、一、冷端恒温法冷端恒温法： 将热电偶的将热电偶的冷端冷端置于装有置于装有冰水混合物冰水混合物的的恒温容器中，使冷端的温度保持在恒温容器中，使冷端的温度保持在0不

53、变。不变。此法也称此法也称冰浴法冰浴法，它消除了，它消除了t0不等于不等于0而而引入的误差，由于冰融化较快，所以一般引入的误差，由于冰融化较快，所以一般只适用于只适用于实验室实验室中。中。 冰浴法：冰浴法： 在冰瓶中，冰水混合物的温度在冰瓶中，冰水混合物的温度能较长时间地保持在能较长时间地保持在0 0不变。不变。冰浴法接线图冰浴法接线图冷端至于冷端至于00环境中环境中 二、计算修正法二、计算修正法 当热电偶的冷端温度当热电偶的冷端温度t0 0时，由于时，由于热端热端与冷端的温差随冷端的变化而变化与冷端的温差随冷端的变化而变化，所以测，所以测得的热电动势得的热电动势EAB( (t, ,t0) )

54、与冷端为与冷端为0时所测得时所测得的热电动势的热电动势EAB( (t, ,0)不等。若冷端温度高于不等。若冷端温度高于0，则，则EAB( (t, ,t0) )EAB( (t, ,0 ) )。可以利用下。可以利用下式计算并修正测量误差：式计算并修正测量误差： EAB( (t, ,0 ) )=EAB( (t, ,t0) )+EAB( (t0, ,0 ) )计算修正法举例计算修正法举例K热电偶测温电热电偶测温电路中，路中，热电极热电极 A、B直接焊接在钢板直接焊接在钢板上上，A 、B 为补为补偿导线偿导线，Cu为铜导为铜导线，线，已知接线盒已知接线盒1 的温度的温度t1=40，冰，冰瓶中为冰水混合物

55、，瓶中为冰水混合物，接线盒接线盒 3 的温度的温度t3=20.0。求求：1）冰瓶的温度）冰瓶的温度t 2；2）将热电极）将热电极直接焊在钢板上是应用了热电偶的什么直接焊在钢板上是应用了热电偶的什么定律？定律？3）当）当Ux=29.97mV时，估算被测时，估算被测点温度点温度t x ；4）如果冰瓶中的冰完全融化，）如果冰瓶中的冰完全融化，温度上升到与接线盒温度上升到与接线盒1的温度相同，此时的温度相同，此时的的Ux减小到减小到28.36mV，再求，再求t x。 解：解：1）接线盒接线盒1 是热是热电极与补偿导线电极与补偿导线（延长导线）的接（延长导线）的接线位置，不影响测线位置，不影响测量结果量

56、结果，不必考虑不必考虑t 1温度的大小和波动温度的大小和波动。冰瓶的温度为冰瓶的温度为:0 ,是补偿导线是补偿导线（冷端）与铜导线（冷端）与铜导线的接线位置的接线位置,所以可所以可以直接查分度表。以直接查分度表。 2）将热电极直接焊在钢板上将热电极直接焊在钢板上是是应用了热电偶的应用了热电偶的中间导体定律中间导体定律。 3）当）当Ux=29.97mV时，时，直接查分直接查分度表得到被测点温度度表得到被测点温度t x=720 。 注注:接线盒接线盒 3 的温度的温度t3不是冷端温不是冷端温度度,属于中间温度属于中间温度,与测量结果无关与测量结果无关.解（续）解（续）4）如果冰瓶中的冰完全融化，温

57、度上升到与接线盒）如果冰瓶中的冰完全融化，温度上升到与接线盒1的温度相同，即：的温度相同，即：冷端温度不再是冷端温度不再是0 ，而为，而为40 。此时的此时的Ux=28.36mV，再求，再求t x。EAB(t,0)=EAB(t,40)+EAB(40,0) =(28.36+1.61)mV=29.97mV反查反查K型热电的偶分度表型热电的偶分度表，仍然得到仍然得到t x =720。三、仪表机械零点调整法三、仪表机械零点调整法 用螺用螺丝刀调节丝刀调节仪表面板仪表面板上的上的“机机械零点械零点”，使指针指使指针指到气温到气温t0（图中为图中为40 40 ）的的刻度上。刻度上。机械零点机械零点指针被预

58、调到室温（指针被预调到室温（40 ） 可补偿冷端损失可补偿冷端损失半导体集成温度传感器测温半导体集成温度传感器测温及热电偶冷端温度的测量及热电偶冷端温度的测量 PN结是集成温度结是集成温度传感器的最基础的传感器的最基础的测温元件。测温元件。 PN结的温度结的温度特性演示特性演示 二极管的二极管的正向电正向电压降压降UD以以-2mV/ 的趋势变化的趋势变化。集成温度传感器的测温原理集成温度传感器的测温原理 集成温度传感器内部多将一个集成温度传感器内部多将一个三极管的集电极与基极短接，还三极管的集电极与基极短接，还有恒流源有恒流源（VT3、VT4）、放大器、放大器、输出级等电路。输出级等电路。在集

59、成温度传感器内部，两只在集成温度传感器内部，两只测温晶体管（测温晶体管（VT1、VT2）的）的b-e结结压降的不饱和值压降的不饱和值Ube之差之差Ube，（R1上的压降）与热力学温度上的压降）与热力学温度T、成正比：成正比：)ln(2C2CbeJJqKTUq:电子电荷电子电荷,Jc1、Jc2:两只晶体管的集电极电流密度。两只晶体管的集电极电流密度。集成温度传感器的类型集成温度传感器的类型 集成温度传感器可分为：集成温度传感器可分为：模拟型模拟型集成温度传集成温度传感器和感器和数字型数字型集成温度传感器。模拟型的输出集成温度传感器。模拟型的输出信号形式有信号形式有电压型电压型和和电流型电流型两种

60、。两种。电压型的灵敏度多为电压型的灵敏度多为10mV/（以摄氏温度以摄氏温度0作为电压的零点作为电压的零点），），电流型的灵敏度多为电流型的灵敏度多为1A/K（以绝对温度以绝对温度0K作为电流的零点作为电流的零点）；）；数字型又可以分为数字型又可以分为开关输出型、开关输出型、并行输出型并行输出型、串行输出型串行输出型等几种不同的形式。等几种不同的形式。 模拟型集成温度传感器模拟型集成温度传感器 电流输出型集成温度传感器电流输出型集成温度传感器 电流输出型温度传电流输出型温度传感器能产生一个感器能产生一个与绝与绝对温度成正比的电流对温度成正比的电流作为输出作为输出，AD590是是电流输出型温度传