梁森-热电偶传感器

机械工业出版社

中等职业教育电气类规划教材

《自动检测与转换技术》

第九章

多媒体课件

2009－5－1更新2/4/20231第九章热电偶传感器在这一章里，卡卡要给大家介绍有关温度、温标、测温方法等一些基本概念和方法，着重介绍热电偶传感器的原理、分类、特性及其应用。热电偶传感器属于自发电型传感器。开尔文是英国著名的物理学家。一百多年前，他建立了热力学温度标度，也称为绝对温标。它的零度，即物质世界可能的最低温度，相当于摄氏零下273度，称为绝对零度。2/4/20232第一节温度测量的基本概念

一、温度测量的基本概念

温度标志着物质内部大量分子无规则运动的剧烈程度。温度越高，表示物体内部分子热运动越剧烈。

模拟图：在一个密闭的空间里，气体分子在高温时的运动速度比低温时快！低温高温2/4/20233二、温标

1、温度的数值表示方法称为温标。它规定了温度的读数的起点（即零点）以及温度的单位。各类温度计的刻度均由温标确定。

2、国际上规定的温标有：摄氏温标、华氏温标、热力学温标等。2/4/20234几种温标的对比正常体温为37C

，相当于华氏温度多少度？2/4/20235热力学温标（K）

热力学温标是建立在热力学第二定律基础上的最科学的温标，是由开尔文（Kelvin）根据热力学定律提出来的，因此又称开氏温标。它的符号是T，单位是开尔文（K）。威廉·汤姆逊·开尔文勋爵像2/4/202361990国际温标(ITS-90)

国际温度咨询委员会于1989年9月通过了1990年新的国际温标(ITS-90),并上报国际计量委员会批准。这个新国际温标于1990年1月1日起在全世界各国开始执行。新温标用“T_(90)”代表势力学温度,其单位仍用K表示。我国的国家法定测温标准将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，测量和重现这些固定点的标准仪器以及计算公式，例如水的三相点为273.16K（0.01C）等。

2/4/20237三、温度测量及传感器分类温度传感器按照用途可分为基准温度计和工业温度计；按照测量方法又可分为接触式和非接触式；按工作原理又可分为膨胀式、电阻式、热电式、辐射式等等；按输出方式分，有自发电型、非电测型等。

2/4/20238介绍几种温度测量方法

示温涂料（变色涂料）装满热水后图案变得清晰可辨2/4/20239变色涂料在电脑内部温度中的示温作用CPU散热风扇低温时显示蓝色温度升高后变为红色2/4/202310体积热膨胀式

不需要电源，耐用；但感温部件体积较大。

气体的体积与热力学温度成正比2/4/202311红外温度计激光瞄准2/4/202312热电偶测温的主要优点

1、它属于自发电型传感器：测量时可以不需外加电源，可直接驱动动圈式仪表；

2、测温范围广：下限可达-270C

，上限可达1800C以上；

3、各温区中的热电势均符合国际计量委员会的标准。2/4/202313先看一个实验——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。

热电极A右端称为：自由端（参考端、冷端）

第二节热电偶的工作原理及分类

左端称为：测量端（工作端、热端）

热电极B热电势AB2/4/202314从实验到理论：热电效应

1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在回路中的指南针发生偏转。这说明什么？

1－工作端2－热电极

3－指南针4－参考端

2/4/202315动画3：“结点”产生热电势的微观解释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A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，从而产生热电势。

自由电子＋ABeAB（

T）T热电偶的图形符号自由电子浓度高，失去电子多，带正电自由电子浓度低，失去电子少得到电子多，带负电2/4/202316以上演示得出的结论：

——有关热电偶热电势的讨论热电偶两结点所产生的总的热电势等于热端热电势与冷端热电势之差，是两个结点的温差Δt

的函数：

EAB(T，T0)=eAB

(

T)-eAB

(

T0

)结论：热电势大致与两个结点的温差ΔT或Δt

成正比2/4/202317从实验到理论得到有关热电效应的结论如果用两盏酒精灯同时加热两个结点，指南针的偏转角反而减小。这又说明什么？

结论：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。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。2/4/202318热电偶的种类及结构

八种国际通用热电偶：

B:铂铑30—铂铑6

、R:铂铑13—铂、S:铂铑10—铂

、

K:镍铬—镍硅、

N:镍铬硅—镍硅、E:镍铬—铜镍、

J:铁—铜镍、

T:铜—铜镍

用于制造铂热电偶的各种铂热电偶丝2/4/202319几种常用热电偶的测温范围及热电势

分度号

名称

测量温度范围

1000C热电势/mVB铂铑30－铂铑650～1820C4.834R铂铑13—铂-50～1768C10.506S铂铑10—铂-50～1768C9.587K镍铬－镍铬

(铝)-270～1370C41.276E镍铬－铜镍(康铜)－270～800C——5种热电偶的测温范围与热电势各有什么特点？2/4/202320几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线分析

哪几种热电偶的测温上限较高？

哪几种热电偶的线性较差？

哪一种热电偶的灵敏度较高？

哪一种热电偶的灵敏度较低？为什么所有的曲线均过原点（零度点）？2/4/202321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我国从1991年开始采用国际计量委员会规定的“1990年国际温标”（简称ITS-90）的新标准。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。

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：自由端（冷端）温度必须为0C。

本教材的附录D列出了工业中常用的镍铬-镍硅（K）热电偶的分度表。2/4/202322如何利用热电偶的分度表

假设热电偶的冷端温度为0C，请根据本教材的附录——工业中常用的镍铬-镍硅（K）热电偶的分度表，查出-100℃、0℃、

100℃

时的热电势。数字式温度表温度上限设定值温度上限值设定键2/4/202323K热电偶的分度表

比较查出的3个热电势，可以看出热电势是否线性？2/4/202324如何由热电偶的热电势查热端温度值

设冷端为0C，根据以下电路中的毫伏表的示值及K热电偶的分度表，查出热端的温度tx

。2/4/202325装配型热电偶的外形安装螺纹安装法兰2/4/202326普通装配型热电偶的

结构放大图

接线盒引出线套管

固定螺纹

（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）

不锈钢保护管

2/4/202327铠装型热电偶

铠装热电偶的制造工艺：把热电极材料与高温绝缘材料预置在金属保护管中、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，再截取适当长度、将工作端焊接密封、配置接线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。

铠装热电偶特点：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、抗机械外力冲击的特性。铠装热电偶可以制作得很细，能解决微小、狭窄场合的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。

2/4/202328铠装型热电偶外形法兰铠装型热电偶可长达上百米薄壁金属保护套管（铠体）

BA绝缘材料铠装型热电偶横截面2/4/202329隔爆型热电偶

结构特点：隔爆热电偶的接线盒在设计时采用防爆的特殊结构，它的接线盒是经过压铸而成的，有一定的厚度、隔爆空间，机构强度较高；采用螺纹隔爆接合面，并采用密封圈进行密封，因此，当接线盒内一旦放弧时，不会与外界环境的危险气体传爆，能达到预期的防爆、隔爆效果。

使用场合：工业用的隔爆型热电偶多用于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、很容易引起环境气体爆炸）。2/4/202330隔爆型热电偶外形厚壁保护管压铸的接线盒电缆线2/4/202331其他热电偶外形小形K型热电偶2/4/202332第三节热电偶冷端的延长

采用相对廉价的补偿导线，可延长热电偶的冷端，使之远离高温区；可节约大量贵金属；易弯曲，便于敷设。

型号配用热电偶正-负导线外皮颜色正-负SC铂铑10-铂红-绿KC镍铬-镍硅红-蓝WC5/26钨铼5-钨铼26

红-橙补偿导线在0～100C范围内的热电势与配套的热电偶的热电势相等，所以不影响测量精度。2/4/202333补偿导线型号（续）型号配用热电偶正-负型号导线外皮颜色正-负100℃时的热电势/mVRC

R（铂铑13—铂）RC红-绿0.647NC

N（镍铬硅—镍硅）NC红-黄2.744EX

E（镍铬—铜镍）EX红-棕6.319JXJ（铁—铜镍）JX红-紫5.264TX

T（铜—铜镍）

TX红-白4.2792/4/202334补偿导线外形

A’B’屏蔽层保护层2/4/202335第四节热电偶的冷端温度补偿

必要性：

1、用热电偶的分度表查毫伏数-温度时，必须满足t0=0℃的条件。在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化，这样t0不但不是0℃，而且也不恒定，因此将产生误差。

2、一般情况下，冷端温度均高于0℃，热电势总是偏小。应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失。2/4/202336冷端温度补偿的方法一、冷端恒温法：将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中，使冷端的温度保持在0℃不变。此法也称冰浴法，它消除了t0不等于0℃而引入的误差，由于冰融化较快，所以一般只适用于实验室中。

2/4/202337冰浴法在冰瓶中，冰水混合物的温度能较长时间地保持在0℃不变。2/4/202338冰浴法接线图

1—被测流体管道

2—热电偶

3—接线盒

4—补偿导线

5—铜质导线

6—毫伏表

7—冰瓶

8—冰水混合物

9—试管

10—新的冷端

2/4/202339二、计算修正法当热电偶的冷端温度t00C时，由于热端与冷端的温差随冷端的变化而变化，所以测得的热电势EAB（t，t0）与冷端为0℃时所测得的热电势EAB（t，0℃）不等。若冷端温度高于0℃，则EAB（t，t0）<EAB（t，0℃）。可以利用下式计算并修正测量误差：

EAB（t，0℃）=EAB（t，t0）+EAB（t0，0℃）2/4/202340计算修正法举例

K热电偶测温电路中，热电极A、B直接焊接在钢板上，A’、B’为补偿导线，Cu为铜导线，已知接线盒1的温度t1=40℃，冰瓶中为冰水混合物，接线盒3的温度t3=20.0℃。求：1）冰瓶的温度t2；2）将热电极直接焊在钢板上是应用了热电偶的什么定律？3）当Ux=29.9mV时，估算被测点温度tx；4）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，此时的Ux=27.3mV，再求tx。2/4/202341三、仪表机械零点调整法

用螺丝刀调节仪表面板上的“机械零点”，使指针指到气温t0（图中为40C）的刻度上。机械零点指针被预调到室温（40C

）可补偿冷端损失2/4/202342四、电桥补偿法

XT-WBC热电偶冷端补偿器电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值，可购买与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥。

2/4/202343半导体集成温度传感器及热电偶冷端温度的测量

PN结是集成温度传感器的最基础的测温原件

PN结的温度特性

结论：二极管的正向电压降UD以

-2mV/℃的趋势变化

2/4/202344集成温度传感器的类型

集成温度传感器可分为：模拟型集成温度传感器和数字型集成温度传感器。模拟型的输出信号形式有电压型和电流型两种。电压型的灵敏度多为10mV/℃（以摄氏温度0℃作为电压的零点），电流型的灵敏度多为1μA/K（以绝对温度0K作为电流的零点）；数字型又可以分为开关输出型、并行输出型、串行输出型等几种不同的形式。

2/4/202345模拟型集成温度传感器电流输出型集成温度传感器

电流输出型温度传感器能产生一个与绝对温度成正比的电流作为输出，AD590是电流输出型温度传感器的典型产品。

2/4/202346AD590封装示意图空脚（接地）2/4/202347AD590的基本转换电路电流-电压转换电路（10mV/K）

增加负载电阻的阻值可提高输出电压。2/4/202348电压输出型集成温度传感器——

LM35/45LM35/45的外形及引脚图

2/4/202349电压输出型集成温度传感器

——

LM35/45

LM35/45构成的摄氏温度测量电路及组装成的测温传感器2/4/202350在电脑中，集成温度传感器用于CPU散热保护电路散热风扇集成温度ICCPU插座CPU散热片2/4/202351数字输出型集成温度传感器

单片集成温度传感器内部包含高达上万个晶体管，能将测温PN结传感器、高精度放大器、多位A/D转换器、逻辑控制电路、总线接口等做在一块芯片中，可通过总线接口，将温度数据传送给诸如单片机、PC、PLC等上位机。不会产生模拟信号传输时电压衰减造成的误差，抗电磁干扰能力较强。

目前在集成温度传感器中常用的总线有：I-Wire总线、I2C总线、USB总线、SPI总线、SMBUS总线等。2/4/202352专用热电偶冷端温度补偿芯片

MAX6675是基于SPI总线、专门用于对工业中最常用的镍络-镍硅K型热电偶进行温度补偿的芯片。它能将补偿后的热电势转换为代表温度的数字脉冲，从SPI串行接口输出。

2/4/202353第六节热电偶的应用及配套仪表

由于我国生产的热电偶均符合ITS-90国际温标所规定的标准，其一致性非常好，所以国家又规定了与标准热电偶配套的仪表，它们的显示值为温度，而且均已线性化。国家标准的动圈式显示仪表命名为XC系列。有指示型（XCZ）和指示调节型（XCT）等系列品种。与K型热电偶配套的动圈仪表型号为XCZ-101或XCT-101等。数字式仪表也有指示型（XMZ）和指示调节型（XMT）等几种系列品种。

2/4/202354XCZ系列指针式显示仪表

XC系列动圈式仪表测量机构的核心部件是一个磁电式毫伏计。动圈式仪表与热电偶配套测温时，热电偶、连接导线（补偿导线）、调整电阻和显示仪表组成了一个闭合回路。

1—热电偶2—补偿导线3—冷端补偿器4—外接调整电阻5—铜导线6—动圈7—张丝8—磁钢（极靴）

9—指针

10—刻度面板

2/4/202355XMZ系列智能数字显示仪表

特点：

1、带冷端温度自动补偿；

2、单片机智能化设计，仪表零点、量程等全部参数可按键设定；

3、具有软件校验功能，可通过按键对仪表进行校准；