第3章 温度传感器

1、12 掌握温度的概念、温度的测量方法了解温度的测量原理、温度传感器 的种类及应用学习目的学习目的33.1 温标及温度的测量方法3.2 膨胀式温度计 3.3 电阻式温度传感器 3.4 热电偶温度传感器 3.5 集成温度传感器 3.6 辐射式温度传感器 本章小结主要内容返回主目录返回主目录43.1 温标及温度的测量方法温度测量的基温度测量的基本概念本概念: 温度是表征物温度是表征物体冷热程度的物理体冷热程度的物理量，是物体内部分量，是物体内部分子无规则剧烈运动子无规则剧烈运动程度的标志程度的标志,分子分子运动越剧烈，温度运动越剧烈，温度就越高。就越高。 模拟图：模拟图：在一个密闭的空间里，气体分在

2、一个密闭的空间里，气体分子在高温时的运动速度比低温时快！子在高温时的运动速度比低温时快！53.1.1 3.1.1 温标温标*用来用来量度物体温度数值的标尺量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了叫温标。它规定了温度的读数温度的读数起点（零点）起点（零点）和测量温度的和测量温度的基本单位基本单位。273.15cKtT9325FCtt华氏温标华氏温标（ ）在标准大气压下，冰的在标准大气压下，冰的熔点熔点为为3232度，水的度，水的沸沸点点为为212212度，中间划分度，中间划分180180等分，每等分为华氏等分，每等分为华氏1 1度，符号为度，符号为F F。摄氏温标摄氏温标()()在标准大气压下，冰

3、的在标准大气压下，冰的熔点熔点为为0 0度，水的度，水的沸点沸点为为100100度，中间划分度，中间划分100100等分，每等分为摄氏等分，每等分为摄氏1 1度度，符号为，符号为t t。热力学温标热力学温标（K K）规定分子运动停止时的温度为规定分子运动停止时的温度为绝对零度绝对零度（0K0K），符号为），符号为T T。热力学温标的零点。热力学温标的零点绝对零度，是宇宙低温的绝对零度，是宇宙低温的极限，宇宙间一切物体的温度可以无限地接近绝对零度但不能达极限，宇宙间一切物体的温度可以无限地接近绝对零度但不能达到绝对零度（如宇宙空间的温度为到绝对零度（如宇宙空间的温度为0.2K0.2K）。）。温温

4、标标3 3 种温标的换算关系为种温标的换算关系为63.1.2 温度的测量方法* 温度温度不能直接测量不能直接测量，需要借助于某种物体的物，需要借助于某种物体的物理参数理参数随温度冷热不同随温度冷热不同而明显变化的特性进行间接而明显变化的特性进行间接测量。温度传感器就是通过测量某些物理量参数随测量。温度传感器就是通过测量某些物理量参数随温度的变化而间接测量温度的。温度的变化而间接测量温度的。* 温度传感器是由温度传感器是由温度敏感元件温度敏感元件（感温元件）和（感温元件）和转换电路组成转换电路组成的，如下图所示。的，如下图所示。温度感温元件转换电路温度显示图3-1 温度传感器的组成框图7温度测量

5、方法温度测量方法接触式接触式感温元件与被测对象感温元件与被测对象接触接触，彼此进行热量交彼此进行热量交换换，使感温元件与被测对象处于，使感温元件与被测对象处于同一环境温度同一环境温度下，感温下，感温元件感受到的冷热变化即是被测对象的温度。元件感受到的冷热变化即是被测对象的温度。 常用的接触式测温的温度传感器主要有常用的接触式测温的温度传感器主要有热膨胀式热膨胀式温温度传感器、度传感器、热电偶、热电阻、热敏电阻、半导体温度传热电偶、热电阻、热敏电阻、半导体温度传感器感器等。等。 非接触式非接触式利用物体表面的利用物体表面的热辐射强度与温度的关系热辐射强度与温度的关系来测量温度的。通过来测量温度的

6、。通过测量一定距离处被测物体发出的热测量一定距离处被测物体发出的热辐射强度辐射强度来确定被测物的温度。来确定被测物的温度。 常见的非接触式测温传感器有：常见的非接触式测温传感器有：辐射高温计、光学辐射高温计、光学高温计、比色高温计、热红外辐射温度传感器高温计、比色高温计、热红外辐射温度传感器等。等。8接触测量9非接触测量红外线测温10 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可分为基准温度计和工业温度计；计和工业温度计； 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；等等； 按输出方式分，有自发电型、非电测按输出方式分，有自发电型、非

7、电测型等。型等。 11介绍几种温度测量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12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显示低温时显示蓝色蓝色温度升高后变为红色温度升高后变为红色13红外温度计红外温度计143.2 膨胀式温度计 工作原理工作原理利用物体利用物体受热体积膨胀受热体积膨胀的原理而制成的，多的原理而制成的，多用于现场测量及显示。用于现场测量及显示。 分类分类按选用的物质不同，可分为按选用的物质不同，可分为液体膨胀式温度计液体膨胀式温度计、固体膨胀式温

8、度计固体膨胀式温度计、气体膨胀式温度计气体膨胀式温度计3 3种类型。种类型。 测温范围测温范围膨胀式温度计可以测量膨胀式温度计可以测量-200-200700700范围的温范围的温度。在机械热处理测温中，常用于测量度。在机械热处理测温中，常用于测量碱槽、油槽、法兰碱槽、油槽、法兰槽、淬火槽槽、淬火槽及及低温干燥箱低温干燥箱的温度，也广泛用于测量设备、的温度，也广泛用于测量设备、管道和容器的温度。管道和容器的温度。 特点特点这种温度计结构简单，制造和使用方便，价格低，这种温度计结构简单，制造和使用方便，价格低，但外壳薄脆、易损坏，大部分不适于远距离测温，必须但外壳薄脆、易损坏，大部分不适于远距离测

9、温，必须接接触测量。触测量。153.2.1 玻璃液体温度计 将酒精、水银、煤油等液体充入到透明将酒精、水银、煤油等液体充入到透明有刻度的玻璃吸管中，两端密封，就制成有刻度的玻璃吸管中，两端密封，就制成玻璃液体温度计。玻璃液体温度计。 它是利用玻璃感温泡内的它是利用玻璃感温泡内的液体受热体液体受热体积膨胀与玻璃体积膨胀之差积膨胀与玻璃体积膨胀之差来测量温度的。来测量温度的。 16酒精温度计酒精温度计量度范围约为量度范围约为-114-11478 78 水银温度计水银温度计大多用于液体、气体及粉状固体大多用于液体、气体及粉状固体温度的测量，测温范围为温度的测量，测温范围为-30-30+300 +30

10、0 玻璃液体温度计玻璃液体温度计煤油温度计煤油温度计量度范围约为量度范围约为-30-30150150。 平常看到装有平常看到装有红红色色工作物质的温度工作物质的温度计，温度计的刻度计，温度计的刻度在在100100以下，一般以下，一般都是都是煤油温度计煤油温度计，而不是酒精温度计。而不是酒精温度计。173.2.2 固体膨胀式温度计工作原理工作原理利用膨胀系数不同的两种金属材料牢利用膨胀系数不同的两种金属材料牢固地粘贴在一起制成的。典型的固体膨胀式温度计固地粘贴在一起制成的。典型的固体膨胀式温度计是是双金属温度传感器双金属温度传感器，如图，如图3-33-3所示。所示。图图3-3 3-3 双金属片工

11、作原理双金属片工作原理图图3-43-4 双金属温度计双金属温度计 双金属温度计测温范围为双金属温度计测温范围为-100-100+600+600，探头长度可，探头长度可 以达到以达到1 1米长，可用于测量液体、蒸汽及气体介质温度。米长，可用于测量液体、蒸汽及气体介质温度。 特点：现场显示温度，直观方便，抗震性能好，结构简特点：现场显示温度，直观方便，抗震性能好，结构简 单，牢固可靠，使用寿命长，但精度不高。单，牢固可靠，使用寿命长，但精度不高。 18结构图图3-5 3-5 双金属温度计的结构双金属温度计的结构 可以做成轴可以做成轴向型、径向型、向型、径向型、135135型及万向型。型及万向型。

12、连接方式有：连接方式有：可动外螺纹、可可动外螺纹、可动内螺纹、固定动内螺纹、固定螺纹、固定法兰、螺纹、固定法兰、卡套螺纹、卡套卡套螺纹、卡套法兰、无固定安法兰、无固定安装等连接装等连接 19双金属温度传感器双金属温度传感器常用于恒温箱、加常用于恒温箱、加热炉、电饭锅（电热炉、电饭锅（电饭煲）、电熨斗等饭煲）、电熨斗等温度控制温度控制. . 图图3-6 3-6 双金属温度传感器用于控制温度示意图双金属温度传感器用于控制温度示意图图图3-7 3-7 双金属控制电饭锅温度双金属控制电饭锅温度203.2.3 气体膨胀式温度计图图3-8 3-8 气体膨胀式温度计气体膨胀式温度计 气体膨胀式温度计是气体膨

13、胀式温度计是基于密封在容器中的基于密封在容器中的气体气体或液体受热后体积膨胀或液体受热后体积膨胀，压力压力随随温度温度变化而变化的变化而变化的原理测温的，所以该温度原理测温的，所以该温度计又称为计又称为压力式温度计压力式温度计。 当温包受热后，其内部的工作当温包受热后，其内部的工作介质温度升高，体积膨胀，压力介质温度升高，体积膨胀，压力增大，此增大，此压力经毛细管传到弹簧压力经毛细管传到弹簧管内管内，使弹簧管产生变形，并由，使弹簧管产生变形，并由传动机构带动指针偏转，指示相传动机构带动指针偏转，指示相应的温度值。应的温度值。21气体膨胀式温度计根据填充物的不同氮气、氯甲气体膨胀式温度计根据填充

14、物的不同氮气、氯甲烷、水银），可分为烷、水银），可分为: : 气体压力式温度计气体压力式温度计、蒸汽压力式温度计蒸汽压力式温度计和和液体液体压力式温度计压力式温度计。 测温范围为测温范围为-100-100+700+700。主要用于远距离设备的气体、液体、蒸汽的温度主要用于远距离设备的气体、液体、蒸汽的温度测量，也能用于温度控制和有爆炸危险场所的温度测量，也能用于温度控制和有爆炸危险场所的温度测量。测量。22体积体积热膨胀式热膨胀式 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。 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233.3 电阻式温度传感器

15、电阻式温度传感器是利用导体或半导体材料的电阻式温度传感器是利用导体或半导体材料的电阻电阻值值随随温度温度变化而变化的原理来测量温度的，即材料的变化而变化的原理来测量温度的，即材料的电电阻率阻率随温度的变化而变化，这种现象称为热电阻效应。随温度的变化而变化，这种现象称为热电阻效应。 温度升高，金属温度升高，金属内部原子晶格内部原子晶格的振动加剧，从而使的振动加剧，从而使金属内部的金属内部的自由电子自由电子通过金属导体时的通过金属导体时的阻碍增大阻碍增大，宏观，宏观上表现出上表现出电阻率变大电阻率变大，电阻值增加，我们称其为，电阻值增加，我们称其为正温度正温度系数系数，即电阻值与温度的变化趋势相同

16、。，即电阻值与温度的变化趋势相同。 24把由金属导体把由金属导体铂、铜、镍铂、铜、镍等制成的测温元件等制成的测温元件称为称为金属热电阻金属热电阻，分类简称热电阻传感器；，分类简称热电阻传感器；把由半导体材料制成的测温元件称为把由半导体材料制成的测温元件称为热敏电阻热敏电阻。253.3.1 金属热电阻传感 器 工作原理工作原理 利用金属导体的利用金属导体的电阻值电阻值随随温度温度的变化而的变化而变化的原理进行测温的变化的原理进行测温的。Rt显示 仪表图图 3-9 3-9 金属热电阻传感器测量示意图金属热电阻传感器测量示意图 主要材料主要材料 铂和铜。铂和铜。测温范围测温范围 -220-220 8

17、50850范围内的温度，少数情况下，范围内的温度，少数情况下，低温可测量至低温可测量至-272-272，高温可测量至，高温可测量至10001000。26易提纯、复制性好的金属材料才可用于制作热电阻易提纯、复制性好的金属材料才可用于制作热电阻 271 . 铂热电阻1 .1 . 铂热电阻的电阻铂热电阻的电阻- -温度特性温度特性 铂电阻的特点是测温精度高，稳定性好，所铂电阻的特点是测温精度高，稳定性好，所以在温度传感器中得到了广泛应用。以在温度传感器中得到了广泛应用。 铂电阻的测量范围为铂电阻的测量范围为 -200-200850850。28薄膜型及普通型铂热电阻薄膜型及普通型铂热电阻 29小型铂热

18、电阻小型铂热电阻 30防爆型铂热电阻防爆型铂热电阻 31 -200 -200 0 0 的温度范围内为：的温度范围内为： R Rt t=R=R0 01+At+Bt1+At+Bt2 2+Ct+Ct3 3(t-100) (t-100) 0 0 850850的温度范围内为：的温度范围内为： R Rt t=R=R0 0(1+At+Bt(1+At+Bt2 2) ) 式中式中R Rt t和和R R0 0分别为分别为t t和和00时的铂电阻值；时的铂电阻值；A A、B B、和、和C C为为常数，其数值为常数，其数值为 A = 3.9684A = 3.96841010-3-3/ B = - 5.847 B =

19、- 5.8471010-7-7/ C = - 4.22 C = - 4.221010-12-12/0001050100RRR、分度号分别为分度号分别为Pt10Pt10、Pt50Pt50、Pt100Pt100，其，其中中Pt100Pt100最常用。最常用。铂热电阻不同分度铂热电阻不同分度号对应有相应分度号对应有相应分度表，即表，即RtRt t t 的的关系关系 3233铂热电阻纯度用用R R100100/R/R0 0= =（1.3851.385）表示铂丝的纯度，比值越）表示铂丝的纯度，比值越大，纯度越高，测量越精确。大，纯度越高，测量越精确。我国工业用铂电阻我国工业用铂电阻R R100100/R

20、/R0 0=1.391=1.3911.3891.389，国际上规定国际上规定R R100100/R/R0 01.3921.392 书中的书中的A A、B B、C C的值是分度号为的值是分度号为Pt100Pt1001000R1.391R342. 铜热电阻的电阻-温度特性 由于铂是贵金属，在测量精度要求不高，温度由于铂是贵金属，在测量精度要求不高，温度范围在范围在- -5050 150150时普遍采用时普遍采用铜电阻铜电阻。 铜电阻与温度间的关系为：铜电阻与温度间的关系为： R Rt t=R=R0 0(1+a(1+a1 1t+at+a2 2t t2 2+a+a3 3t t3 3) ) 由于由于a

21、a2,2,a a3 3比比a a1 1小得多，所以可以简化为：小得多，所以可以简化为： R Rt tRR0 0 (1+a (1+a1 1t)t) 式中，式中，R Rt t是温度为是温度为t t时铜电阻值；时铜电阻值；R R0 0是温度为是温度为00时铜电时铜电阻值；阻值； a a1 1是常数；是常数；a a1 1=4.28=4.281010-3-3-1-1 铜电阻的铜电阻的R R0 0常取常取100100、5050两种，两种，分度号为分度号为Cu100Cu100、Cu50Cu50。35 特点：铜易于提纯，价格低廉，电阻特点：铜易于提纯，价格低廉，电阻-温度特温度特性线性较好。但电阻率仅为铂的几

22、分之一。性线性较好。但电阻率仅为铂的几分之一。 铜电阻所用阻丝细而且长，机械强度较差，热铜电阻所用阻丝细而且长，机械强度较差，热惯性较大，在温度高于惯性较大，在温度高于100100以上或腐蚀性介质中使以上或腐蚀性介质中使用时，易氧化，稳定性较差。用时，易氧化，稳定性较差。 只能用于低温及无腐蚀性的介质中。只能用于低温及无腐蚀性的介质中。36汽车用水温传感器及水温表汽车用水温传感器及水温表 铜热电阻铜热电阻373 . 热电阻传感器的结构热电阻传感器的结构热电阻传感器的结构 电阻体由电阻丝和电阻支架组成。由于铂的电阻率大，电阻体由电阻丝和电阻支架组成。由于铂的电阻率大，而且相对机械强度较大，通常铂

23、丝直径在而且相对机械强度较大，通常铂丝直径在0.030.03（0.07mm0.07mm0.0050.005）mmmm之间，可单层绕制，电阻体可做得之间，可单层绕制，电阻体可做得很小。很小。 铜的机械强度较低，电阻丝的直径较大铜的机械强度较低，电阻丝的直径较大，一般为一般为（0.10.10.0050.005）mmmm 的漆包铜线或丝包线分层绕在骨架的漆包铜线或丝包线分层绕在骨架上，并涂上绝缘漆而成。上，并涂上绝缘漆而成。图图3-10 3-10 热电阻传感器的结构热电阻传感器的结构38 由于铜电阻测量的温度低，一般多用双绕法，即由于铜电阻测量的温度低，一般多用双绕法，即先将铜丝对折，两根丝平行绕制

24、，两个端头处于支先将铜丝对折，两根丝平行绕制，两个端头处于支架的同一端。架的同一端。 这样工作电流从一根热电阻丝进入，从另一根丝这样工作电流从一根热电阻丝进入，从另一根丝反向出来，形成两个电流方向相反的线圈，其磁场反向出来，形成两个电流方向相反的线圈，其磁场方向相反，产生的电感就互相抵消，故又称无感绕方向相反，产生的电感就互相抵消，故又称无感绕法。这种双绕法也有利于引线的引出。法。这种双绕法也有利于引线的引出。394. 热电阻传感器的测量电路 热电阻传感器外接引线如果较长时，引线电阻的变化使热电阻传感器外接引线如果较长时，引线电阻的变化使测量结果有较大误差，为减小误差，可采用测量结果有较大误差

25、，为减小误差，可采用三线制三线制电桥连接电桥连接法测量电路或法测量电路或四线电阻四线电阻测量电路测量电路。图图3-123-12 两线制测量两线制测量图图3-133-13 三线制电桥测量电路三线制电桥测量电路图图3-14 3-14 四线制恒流源测量电路四线制恒流源测量电路213()()tRr RR Rr21RR3tRR213(2 )tRr RR R21RR32tRrRtUIR40图图3-153-15热电阻引线方式热电阻引线方式 无论三线制或四线制测量电路，都必须从无论三线制或四线制测量电路，都必须从热电阻感温体的根部引出导线，不能从热电阻热电阻感温体的根部引出导线，不能从热电阻的接线端子上分出，

26、如下图所示。否则同样会的接线端子上分出，如下图所示。否则同样会存在引线误差。存在引线误差。413.3.2 半导体热敏电阻 半导体热敏电阻简称半导体热敏电阻简称热敏电阻热敏电阻，是一，是一种新型的半导体测温元件，热敏电阻是利种新型的半导体测温元件，热敏电阻是利用某些用某些金属氧化物或单晶锗、硅金属氧化物或单晶锗、硅等材料，等材料，按特定工艺制成的感温元件。按特定工艺制成的感温元件。 Rt热敏电阻在电路热敏电阻在电路中的符号：中的符号： 42热敏电阻分类热敏电阻分类正温度系数（正温度系数（PTCPTC）热敏电阻热敏电阻; ;负温度系数（负温度系数（NTCNTC）热敏电阻热敏电阻; ; 临界温度电阻

27、器（临界温度电阻器（CTRCTR） ( (在某一特定温度下电阻值会发生突变在某一特定温度下电阻值会发生突变) )各种热敏电阻的特性曲各种热敏电阻的特性曲线线 1 1突变型突变型NTC NTC 2 2负指数型负指数型NTC NTC 3 3线性型线性型PTC PTC 4 4突变型突变型PTCPTC温度的测量温度的测量温控开关电路温控开关电路43热敏电阻结构MF12型NTC热敏电阻聚酯塑料封装热敏电阻44玻璃封装玻璃封装NTC热敏电阻热敏电阻MF58型热敏电阻45464. 热敏电阻的应用 没有外保护层的热敏电阻只能用于没有外保护层的热敏电阻只能用于干燥的环境中，在潮湿、腐蚀性等恶干燥的环境中，在潮湿

28、、腐蚀性等恶劣环境下只能用密封的热敏电阻。劣环境下只能用密封的热敏电阻。 测量时先对仪表进行标定。将绝缘测量时先对仪表进行标定。将绝缘的热敏电阻放入的热敏电阻放入3232（表头的零位）（表头的零位）的温水中，待热量平衡后，调节的温水中，待热量平衡后，调节RPRP1 1，使指针在使指针在3232上。上。 再加热水，用更高一级的温度计再加热水，用更高一级的温度计监测水温，使其上升到监测水温，使其上升到4545。待热量。待热量平衡后，调节平衡后，调节RPRP2 2，使指针指在，使指针指在4545上。上。再加入冷水，逐渐降温，反复检查再加入冷水，逐渐降温，反复检查32324545范围内刻度的准确性。范

29、围内刻度的准确性。 热敏电阻体温表原理图热敏电阻体温表原理图47返回本章目录返回本章目录48热敏电阻温度面板热敏电阻温度面板表表 热敏电阻热敏电阻 LCD49热敏电阻体温表热敏电阻体温表 503.4 热电偶温度传感器 热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器。热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器。其结构简单、使用方便、测温点小、准确度高、其结构简单、使用方便、测温点小、准确度高、热惯性小、响应速度快、便于维修、复现性好；热惯性小、响应速度快、便于维修、复现性好；测温范围广，一般为测温范围广，一般为-270-270+2800+2800；直接输出电信号，不需要转换电路。适于远距直接输出电信号，不需要转

30、换电路。适于远距离测量、自动记录、集中控制等优点。在温度离测量、自动记录、集中控制等优点。在温度测量中占有很重要的地位。测量中占有很重要的地位。缺点是存在冷端温度补偿问题。缺点是存在冷端温度补偿问题。513.4.1 3.4.1 热电偶温度传感器的工作热电偶温度传感器的工作原理原理 1. 热电效应热电效应 两种不同材料的导体两种不同材料的导体A A和和B B组成一个组成一个闭合电路闭合电路时，若两接时，若两接点温度不同，则在该电路中会产生电动势，这种现象称点温度不同，则在该电路中会产生电动势，这种现象称为为热电效应热电效应。该电动势称为热电动势。该电动势称为热电动势。图图3-20 3-20 热电

31、偶测温原理图热电偶测温原理图52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金用两种不同金属组成属组成闭合回路闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在回路中的点（称为结点），发现放在回路中的指南针发生指南针发生偏转偏转（说明什么？）（说明什么？），如果用两盏酒精灯对两个，如果用两盏酒精灯对两个结点结点同时加热，指南针的偏转角反而减小同时加热，指南针的偏转角反而减小（又说（又说明什么？）明什么？） 。 显然，指南针的偏转说明回路中有电动势产显然，指南针的偏转说明回路中有电动势产生并有电

32、流在回路中流动，电流的强弱与两个结生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。点的温差有关。 53热电偶工作原理演示热电偶工作原理演示 结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。结论：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） 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热电势热电势AB54结点产生热电势的结点产生热电势的微观微观解释及解释及图形符号图形符号 两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电

33、子的密度不同，在两金属密度不同，在两金属A和和B的接触点处会发生自由电子的的接触点处会发生自由电子的扩散扩散现象现象。自由电子将从密度大的金属。自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属扩散到密度小的金属B，使使A失去电子带正电失去电子带正电，B得到电子带负电得到电子带负电，从而产生，从而产生热电势。热电势。 自由自由电子电子ABeAB（ T T ）T T552. 热电动势的组成图图3-233-23 热电偶回路总热电势热电偶回路总热电势0000( , )( )( , )( )( , )ABABBABAEt tetet tetet t两种导体的两种导体的接触电势接触电势 图图3-21 两种导体

34、的接触电势两种导体的接触电势图图3-22 单一导体的温差电势单一导体的温差电势温差电温差电势很小势很小单一导体的单一导体的温差电动势温差电动势 接触电动势接触电动势的数值取决的数值取决于两种导体于两种导体的的性质性质和和接接触点的温度，触点的温度，而与导体的而与导体的形状及尺寸形状及尺寸无关无关56总热电动势表达式则总的热电动势就只与热端温度则总的热电动势就只与热端温度t t 成成单值函数关系，即单值函数关系，即 0( ,)( )( )ABABEt tetCf t00( , )( )( )ABABABEt tetet0000( , )( )( , )( )( , )ABABBABAEt tet

35、et tetet t温差电势温差电势很小，可很小，可忽略不计忽略不计 总热电总热电势表达势表达式式t to o 恒定恒定e eABAB（t to o）= = C C热端接热端接触电势触电势 冷端接冷端接触电势触电势 A A导体的导体的温差电势温差电势 B B导体的导体的温差电势温差电势 57附录附录C KC K型热电偶分度表型热电偶分度表K型（镍铬型（镍铬镍硅）镍硅） 热电偶温度范围（热电偶温度范围（-90 01300） （参考端温度为（参考端温度为00）热电势 mV 0 0101020203030404050506060707080809090-0-0-0.000-0.000-0.392-0

36、.392-0.777-0.777-1.156-1.156-1.527-1.527-1.889-1.889-2.243-2.243-2.586-2.586-2.920-2.920-3.242-3.242+0+00.0000.0000.3970.3970.7980.7981.2031.2031.6111.6112.0222.0222.4362.4362.8502.8503.2663.2663.6813.6811001004.0954.0954.5084.5084.9194.9195.3275.3275.7335.7336.1376.1376.5396.5396.9396.9397.387.387.

37、7377.7372002008.1378.1378.5368.5368.9388.9389.3419.3419.7459.74510.15110.15110.56110.56110.96910.96911.38111.38111.79311.79330030012.20712.20712.62312.62313.03913.03913.45613.45613.87413.87414.29214.29214.72114.72115.13215.13215.55215.55215.97415.97440040016.39516.39516.81816.81817.24117.24117.66417

38、.66418.08818.08818.51318.51318.93818.93819.36319.36319.78819.78820.21420.21450050020.64020.64021.06621.06621.49321.49321.91921.91922.34622.34622.77222.77223.19823.19823.62423.62424.05024.05024.47624.47660060024.90224.90225.32725.32725.75125.75126.17626.17626.59926.59927.02227.02227.44527.44527.86727

39、.86728.28828.28828.70928.70970070029.12829.12829.54729.54729.96529.96530.38330.38330.79930.79931.21431.21431.62931.62932.04232.04232.45532.45532.86632.86680080033.27733.27733.68633.68634.09534.09534.50234.50234.90934.90935.31435.31435.71835.71836.12136.12136.52436.52436.92536.92590090037.32537.32537

40、.72437.72438.12238.12238.51938.51938.81738.81739.31039.31039.70339.70340.09640.09640.48840.48840.89740.8971000100041.29641.29641.65741.65742.04542.04542.43242.43242.81742.81743.20243.20243.58543.58543.96843.96844.34944.34944.72944.7291100110045.10845.10845.48645.48645.86345.86346.23846.23846.61246.6

41、1246.98546.98547.35647.35647.72647.72648.09548.09548.46248.4621200120048.82848.82849.19249.19249.5549.5549.91649.91650.27650.27650.63350.63350.99050.99051.34451.34451.69751.69752.04952.0491300130052.39852.39858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年开始采用国际计量委员会规

42、定的定的“1990年国际温标年国际温标”（简称（简称ITS-90）的新）的新标准。按此标准，制定了相应的分度表，并且标准。按此标准，制定了相应的分度表，并且有相应的线性化集成电路与之对应。有相应的线性化集成电路与之对应。 直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是：的约束条件是：自由端（冷端）温度必须为自由端（冷端）温度必须为0 0 C C。附录附录C C列出了列出了工业中常用的工业中常用的镍铬镍铬-镍硅（镍硅（K）热电偶）热电偶的的分度表。分度表。59如何利用热电偶的分度表如何利用热电偶的分度表 假设热电偶的冷端温度为假设热电偶的冷端温度

43、为0 0 C C，工业中常工业中常用的用的镍铬镍铬-镍硅（镍硅（K）热电偶的热电偶的分度表分度表，查出查出1010 C、 110110 C 时的热电势时的热电势? ?60如何由热电偶的热电势查热端温度值如何由热电偶的热电势查热端温度值 设设冷端为冷端为0 0 C C，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 。613. 热电偶的基本定律 （1 1） 中间导体定律中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种导在热电偶回路中接入第三种导体，只要该导体体，只要该导体两端温度相等两端温度相等，则对热电偶回路总，则对热电偶回路

44、总的热电动势无影响的热电动势无影响 。同样加入第四、第五种导体后，。同样加入第四、第五种导体后，只要其两端温度相同，同样不影响电路中的总热电只要其两端温度相同，同样不影响电路中的总热电动势。动势。EABC(t,to)= EAB(t，to)图图3-24 中间导体定律中间导体定律 第三第三种导种导体体62证明中间导体定律00000( , )( )( )( )0ABCABBCCAEt tetetet000( )( )( )ABBCCAetetet 图图3-243-24 中间导体定律中间导体定律000( , )( )( )( )ABCABBCCAEt tetetet0000( , )( )( )( )

45、( )( )ABCABBCCAABABEt tetetetetet当当t=t0时时所以所以63中间导体定律的意义 根据这个定律，我们可采取任何方式焊接导线，可以将热根据这个定律，我们可采取任何方式焊接导线，可以将热电动势通过导线接至测量仪表进行测量电动势通过导线接至测量仪表进行测量, ,且不影响测量精且不影响测量精度。可采用度。可采用开路热电偶开路热电偶对对液态金属液态金属和和金属壁面金属壁面进行温度测进行温度测量，只要保证两热电极插入地方的量，只要保证两热电极插入地方的温度相同温度相同即可。即可。图图3-253-25 连接仪表的热电偶测量回路连接仪表的热电偶测量回路图图3-26 3-26 开

46、路热电偶测温开路热电偶测温64（2）中间温度定律 在热电偶测量电路中，测量端温度为在热电偶测量电路中，测量端温度为t t，自由端为，自由端为t to o，中间温，中间温度为度为tt， 则（则（t t，t to o）的热电势等于（）的热电势等于（t t，tt）与（）与（tt，t to o）热电势）热电势代数和。即代数和。即 tt0ttABtt0ttABAB+图图3-27 中间温度定律中间温度定律00( , )( , )( , )ABABABEt tEt tEt t( , )( )( )ABABABEt tetet00( ,)( )( )ABABABEt tetet000( , )( ,)( )(

47、 )( ,)ABABABABABEt tEt tetetEt t两式相加得两式相加得 65中间温度定律的意义中间温度定律的意义 利用该定律，可对利用该定律，可对参考端温度不为参考端温度不为00的热电势进行修的热电势进行修正。另外，可以选用廉价的热电偶正。另外，可以选用廉价的热电偶AA、BB代替代替tt到到t0t0段段的热电偶的热电偶A A、B B，只要，只要在在 tt、t0t0温度范围内温度范围内AA、BB与与A A、B B热电偶具有相近的热电势特性热电偶具有相近的热电势特性，便可将热电偶冷端延长到，便可将热电偶冷端延长到温度恒定的地方再进行测量，增加测量距离，降低测量成温度恒定的地方再进行测

48、量，增加测量距离，降低测量成本。本。 热电势只取决于热电势只取决于冷、热接点的温度冷、热接点的温度，而与热电极上的，而与热电极上的温度分布无关。温度分布无关。 在实际测量中，对冷端温度进行修正，常运用在实际测量中，对冷端温度进行修正，常运用补偿导补偿导线线延长测温距离，消除热电偶自由端温度变化影响。延长测温距离，消除热电偶自由端温度变化影响。 66（3）参考电极定律 如图如图3-283-28所示，已知热电极所示，已知热电极A A、B B与参考电极与参考电极C C 组成的热组成的热电偶在接点温度为（电偶在接点温度为（t t，t0t0）时的热电动势分别为）时的热电动势分别为E EACAC（t t，

49、t0t0），），E EBCBC（t t，t0t0），则相同温度下，由），则相同温度下，由A A，B B两种热电极两种热电极配对后的热电动势配对后的热电动势E EABAB可按下面公式计算为可按下面公式计算为 000( , )( , )( , )ABACBCEt tEt tEt t图图3-28 3-28 参考电极定律参考电极定律67参考电极定律举例 例例1 1 已知铂铑已知铂铑3030铂热电偶的铂热电偶的E E（1084.51084.5，00）= = 13.937mV13.937mV，铂铑，铂铑6 6铂热电偶的铂热电偶的 E E（1084.51084.5，00）= 8.354mV= 8.354mV

50、，求：铂铑，求：铂铑3030铂铑铂铑6 6热电偶在同样温度条热电偶在同样温度条件下的热电动势。件下的热电动势。解解: : 设设A A 为铂铑为铂铑3030电极，电极，B B 为铂铑为铂铑6 6电极，电极，C C 为纯铂电极为纯铂电极E EABAB（1084.51084.5，00）= = E EACAC（1084.51084.5，0 0 ）- - E EBCBC（1084.51084.5，00）= 13.937mV- 8.354mV= 13.937mV- 8.354mV= 5.622mV= 5.622mV68参考电极定律的意义 参考电极定律大大简化了热电偶选配电极的工参考电极定律大大简化了热电偶

51、选配电极的工作，只要获得有关电极与参考电极配对的热电势，作，只要获得有关电极与参考电极配对的热电势，那么任何两种电极配对后的热电势均可利用该定理那么任何两种电极配对后的热电势均可利用该定理计算，而不需要逐个进行测定。计算，而不需要逐个进行测定。 由于纯由于纯铂丝铂丝的物理化学性能稳定，熔点较高，的物理化学性能稳定，熔点较高，易提纯，所以目前常用纯铂丝作为标准电极。易提纯，所以目前常用纯铂丝作为标准电极。69起主要作用的是两个接点的起主要作用的是两个接点的接触电势接触电势热电偶具有以下性质：热电偶具有以下性质：（1 1）当两热电极）当两热电极材料相同材料相同时，不论接点温度相同与否，回时，不论接

52、点温度相同与否，回 路总热电势均为路总热电势均为零。零。（2 2）当热电偶两个）当热电偶两个接点温度相同接点温度相同时，不论电极材料相同与时，不论电极材料相同与 否，回路总热电势均为否，回路总热电势均为零零。（3 3）只有当电极材料不同，两接点温度不同时，热电偶回）只有当电极材料不同，两接点温度不同时，热电偶回 路才有热电势。当电极材料选定后，两接点的温差越路才有热电势。当电极材料选定后，两接点的温差越 大，热电势也就越大。大，热电势也就越大。（4 4）回路中热电势的方向取决于热端的接触电势方向或回）回路中热电势的方向取决于热端的接触电势方向或回 路电流流过冷端的方向。路电流流过冷端的方向。7

53、03.4.2 热电极的材料及常用热电偶 根据热电偶的测量原理，理论上根据热电偶的测量原理，理论上任何两种不同材料的导任何两种不同材料的导体体都可以作为热电极组成热电偶，但实际应用中，但为了都可以作为热电极组成热电偶，但实际应用中，但为了准确可靠地进行温度测量，必须对热电偶组成材料严格选准确可靠地进行温度测量，必须对热电偶组成材料严格选择。组成热电偶材料要满足以下条件：择。组成热电偶材料要满足以下条件：1 1） 在测量温度范围内，热电性能稳定，不随时间和被测介质变化，物在测量温度范围内，热电性能稳定，不随时间和被测介质变化，物 理化学性能稳定，能耐高温，在高温下不易氧化或腐蚀等。理化学性能稳定，

54、能耐高温，在高温下不易氧化或腐蚀等。2 2） 导电率要高，电阻温度系数小。导电率要高，电阻温度系数小。3 3） 热电势随温度的变化率要大，并希望该变化率最好是常数。热电势随温度的变化率要大，并希望该变化率最好是常数。4 4） 组成热电偶的两电极材料应具有组成热电偶的两电极材料应具有相近的熔点和特性稳定的温度相近的熔点和特性稳定的温度范围。范围。5 5） 材料的机械强度高，来源充足，复制性好，复制工艺简单，价格便材料的机械强度高，来源充足，复制性好，复制工艺简单，价格便 宜。宜。71 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

55、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的各种热电偶的各种铂铂热电偶丝热电偶丝S、R、B属于贵金属热电偶。 N、K、E、J、T属于廉金属热电偶。S分度号的精确度等级最高。R分度号与S分度号相比除热电动势大15%左右。B分度号在室温下热电动势极小。N分度号的特点是1300下高温抗氧化能力强。72几种常用热电偶的测温范围及热电势几种常用热电偶的测温范围及热电势 分度号分度号 名称名称 测量温度范围测量

56、温度范围 1000 C热电势热电势/ mVB铂铑铂铑3030铂铑铂铑6 6501820 C C4.8344.834R铂铑铂铑1313铂铂-501768 C C 10.50610.506S铂铑铂铑1010铂铂-501768 C C9.5879.587K镍铬镍铬镍铬镍铬 (铝铝) -2701370 C C41.27641.276E镍铬铜镍镍铬铜镍 (康康 铜铜)-270800 C C?733.4.3 热电偶传感器的结构根据安装连接形根据安装连接形式可分为式可分为:固定螺纹固定螺纹连接，连接，固定法兰固定法兰连接，连接，活动法兰活动法兰连接，连接，无固定无固定装置等形装置等形式式图图3-30 铠装热

57、电偶铠装热电偶也称缆式热电偶，它是将热电偶丝与电也称缆式热电偶，它是将热电偶丝与电熔氧化镁绝缘物熔铸在一起，外套不锈熔氧化镁绝缘物熔铸在一起，外套不锈钢管等钢管等. .热电偶耐高压、反应时间短、坚热电偶耐高压、反应时间短、坚固耐用固耐用 74图图3-31 薄膜热电偶薄膜热电偶用真空镀膜技术等方用真空镀膜技术等方法，将热电偶材料沉法，将热电偶材料沉积在绝缘片表面而构积在绝缘片表面而构成的热电偶成的热电偶薄膜热电偶：测量范围为薄膜热电偶：测量范围为-200-200500500，热电极材料，热电极材料多采用铜多采用铜康铜、镍铬康铜、镍铬铜、镍铬铜、镍铬镍硅等，用云母镍硅等，用云母作绝缘基片，主要适用

58、于各种表面温度的测量。作绝缘基片，主要适用于各种表面温度的测量。当测量范围为当测量范围为50050018001800时，热电极材料多用镍铬时，热电极材料多用镍铬镍硅、铂铑镍硅、铂铑铂等，用陶瓷做基片。铂等，用陶瓷做基片。75普通装配型普通装配型热电偶的热电偶的外形外形安装安装螺纹螺纹安装安装法兰法兰76普通普通装配型装配型热热电偶的电偶的结构结构放大图放大图 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 77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铠装型热电偶可 长达

59、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78隔爆隔爆型热电偶外形型热电偶外形厚壁保护管厚壁保护管压铸的接线盒压铸的接线盒电缆线电缆线79其他其他热电偶外形热电偶外形小形小形K K型热电偶型热电偶803.4.4 热电偶冷端温度补偿 由于热电偶的分度表是在冷端温度为由于热电偶的分度表是在冷端温度为0时测得时测得的，如果冷端温度不为零，测得的热电势就不能的，如果冷端温度不为零，测得的热电势就不能直接去查相应的分度表。直接去查相应的分度表。 根据热电偶的测温原理，热电偶回路的热电势只根据热电偶的测温原理，热电偶回路的

60、热电势只与冷端和热端的温度与冷端和热端的温度有关，当冷端温度保持不变时，有关，当冷端温度保持不变时，热电势才与测量端温度成单值对应关系。热电势才与测量端温度成单值对应关系。 但在实际测量时，冷端温度常随环境温度变化而但在实际测量时，冷端温度常随环境温度变化而变化，变化， 不能保持恒定，因而会产生测量误差。为了不能保持恒定，因而会产生测量误差。为了消除或补偿冷端温度的影响，常采用以下几种方法。消除或补偿冷端温度的影响，常采用以下几种方法。0t8110冷端恒温法（冰浴法）将热电偶的冷端置于将热电偶的冷端置于00的恒温器内，保持为的恒温器内，保持为00。此时测得的热电势可以准确的反映热端温度变化此时