第七章熱電式

第七章熱電式第一頁，共七十頁，2022年，8月28日第一節(jié)熱電偶傳感器熱電偶溫度傳感器的敏感元件是熱電偶。熱電偶由兩根不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體一端焊接或絞接而成，如圖7-1中A、B所示。組成熱電偶的兩根導(dǎo)體或半導(dǎo)體稱為熱電極；焊接的一端稱為熱電偶的熱端，又稱測量端、工作端；與導(dǎo)線連接的一端稱為熱電偶的冷端，又稱參考端、自由端。

第二頁，共七十頁，2022年，8月28日?qǐng)D7-1熱電偶測溫系統(tǒng)示意圖l-熱電偶，2-連接導(dǎo)線，3-顯示儀表第三頁，共七十頁，2022年，8月28日熱電偶的熱端一般要插入需要測溫的生產(chǎn)設(shè)備中，冷端置于生產(chǎn)設(shè)備外，如果兩端所處溫度不同，則測溫回路中會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)E。在冷端溫度t0保持不變的情況下，用顯示儀表測得E的數(shù)值后，便可知道被測溫度的大小。第四頁，共七十頁，2022年，8月28日一、熱電偶的材料與常用熱電偶（一）熱電偶的材料1.標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶目前，國際電工委員會(huì)（IEC）認(rèn)證的性能較好的標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶有8種，國際上稱之為“字母標(biāo)志熱電偶”，即其名稱用專用字母表示，這個(gè)字母即熱電偶型號(hào)標(biāo)志，稱為分度號(hào)，是各種類型熱電偶的一種很方便的縮寫形式。熱電偶名稱由熱電極材料命名，正極寫在前面，負(fù)極寫在后面，如表7-1所示。第五頁，共七十頁，2022年，8月28日表7-1熱電偶特性表第六頁，共七十頁，2022年，8月28日2.非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶有鉑銠系、銥銠系、鎢錸系及金鐵熱電偶、雙鉑鉬等熱電偶。（二）常用熱電偶1.普通型通常都由熱電極、絕緣套管、保護(hù)管和接線盒等主要部分組成。如圖7-2所示，接線座作為熱電偶感溫元件和熱電偶接線盒的連接件，將感溫元件固定在接線盒上，其材料一般使用耐火陶瓷。第七頁，共七十頁，2022年，8月28日?qǐng)D7-2熱電偶的感溫元件l-接線柱，2-接線座，3-絕緣套管，4-熱電極第八頁，共七十頁，2022年，8月28日接線盒與感溫元件、保護(hù)管裝配成熱電偶產(chǎn)品即形成相應(yīng)類型的熱電偶溫度傳感器，如圖7-3所示。圖7-3熱電偶溫度傳感器1-測量端，2-熱電極，3-絕緣套管，4-保護(hù)管，5-接線盒第九頁，共七十頁，2022年，8月28日2.鎧裝熱電偶它是由金屬套管、絕緣材料和熱電極經(jīng)焊接密封和裝配等工藝制成的堅(jiān)實(shí)的組合體。金屬套管材料為銅、不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）和鎳基高溫合金（GH30）等，絕緣材料常使用電熔氧化鎂、氧化鋁、氧化鈹?shù)鹊姆勰瑹犭姌O無特殊要求。套管中熱電極有單支（雙芯），雙支（四芯），彼此間互不接觸。鎧裝熱電偶體積小、熱容量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，可撓性好，具有良好柔軟性，強(qiáng)度高，耐壓、耐震、耐沖擊，因此被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程。第十頁，共七十頁，2022年，8月28日3.薄膜熱電偶薄膜熱電偶是由兩種金屬薄膜連接而成的一種特殊結(jié)構(gòu)的熱電偶，它的測量端既小又薄，熱容量很小，可用于微小面積上溫度測量。動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，可測量快速變化的表面溫度。應(yīng)用時(shí)薄膜熱電偶用膠粘劑緊粘在被測物表面，所以熱損失很小，測量精度高。由于使用溫度受膠粘劑和襯墊材料限制，目前只能用于-200～300℃范圍。第十一頁，共七十頁，2022年，8月28日4.表面熱電偶主要用于測量金屬塊、爐壁、渦輪葉片、軋輥等固體表面溫度。5.浸入式熱電偶主要用于測量鋼水、銅水、鋁水以及熔融合金的溫度。第十二頁，共七十頁，2022年，8月28日二、熱電偶的工作原理如圖7-4所示，把兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體兩端相接組成閉合回路，當(dāng)兩接點(diǎn)分別置于T和T0（設(shè)T＞T0）兩不同溫度時(shí)，則在回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，形成回路電流。這種現(xiàn)象稱塞貝克效應(yīng)，即熱電效應(yīng)。圖7-4熱電偶回路

。第十三頁，共七十頁，2022年，8月28日（一）熱電勢(shì)的產(chǎn)生1.接觸電勢(shì)不同的導(dǎo)體由于材料不同，電子密度不同，設(shè)NA＞NB。當(dāng)兩種導(dǎo)體相接觸時(shí)，從A擴(kuò)散到B的電子數(shù)比從B擴(kuò)散到A的電子數(shù)多，在A、B接觸面上形成從A到B方向的靜電場Es如圖7-5所示。這個(gè)電場又阻礙擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，最后達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，則此時(shí)接點(diǎn)處形成電勢(shì)差EAB（T）或EAB(T0)，其大小可用下式表示：第十四頁，共七十頁，2022年，8月28日?qǐng)D7-5接觸電勢(shì)

第十五頁，共七十頁，2022年，8月28日

（7-1）

（7-2）

式中：NA（T）、NB（T）—材料A、B在溫度為T時(shí)的自由電子密度；NA（T0）、NB（T0）—材料A、B在溫度為T0時(shí)的自由電子密度；e—單位電荷，e＝16×10-19C；K—玻爾茨曼常數(shù)，K=1.38×10-23J／K。第十六頁，共七十頁，2022年，8月28日接觸電勢(shì)的大小與接點(diǎn)處溫度高低和導(dǎo)體電子密度有關(guān)。溫度越高，接觸電勢(shì)越大；兩種導(dǎo)體電子密度的比值越大，接觸電勢(shì)也越大。2.溫差電勢(shì)同一根導(dǎo)體兩端處于T和T0不同溫度，導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生溫差電勢(shì)。導(dǎo)體A兩端溫度分別為T和T0，溫度不同，使得從高溫端跑到低溫端電子數(shù)比低溫端跑到高溫端的多，于是在高、低溫端之間形成靜電場。與接觸電勢(shì)的形成同理，形成溫差電勢(shì)EA（T，T0），如圖7-6所示。其大小可用下式表達(dá)：第十七頁，共七十頁，2022年，8月28日（7-3）

式中：NAt—A導(dǎo)體在溫度t時(shí)的電子密度。可見，EA（T，T0）與導(dǎo)體材料的電子密度和溫度及其分布有關(guān)，且呈積分關(guān)系。若導(dǎo)體為均質(zhì)導(dǎo)體，即熱電極材料均勻，其電子密度只與溫度有關(guān)，與其長度和粗細(xì)無關(guān)，在同樣溫度下電子密度相同。則EA（T，T0）的大小與中間溫度分布無關(guān)，只與導(dǎo)體材料和兩端溫度有關(guān)。。第十八頁，共七十頁，2022年，8月28日

圖7-6溫差電勢(shì)第十九頁，共七十頁，2022年，8月28日3.熱電偶回路總電勢(shì)圖7-7熱電偶回路總熱電勢(shì)熱電偶回路接觸和溫差電勢(shì)分布如圖7-7所示，則熱電偶回路總電勢(shì)為：圖7-7熱電偶回路總熱電勢(shì)第二十頁，共七十頁，2022年，8月28日即：

(7-4)第二十一頁，共七十頁，2022年，8月28日令：（7-5）

（7-6）

則有熱電偶回路的總熱電勢(shì)為：EAB（T，T0）＝EAB（T，0）–EAB（T0，0）

（7-7）第二十二頁，共七十頁，2022年，8月28日式中：EAB（T，T0）—由A、B材料構(gòu)成的熱電偶在端點(diǎn)溫度為T和T0時(shí)的總熱電勢(shì)；EAB（T，0）—由A、B材料構(gòu)成的熱電偶在端點(diǎn)T處的熱電勢(shì)；EAB（T0，0）—由A、B材料構(gòu)成的熱電偶在端點(diǎn)T0處的熱電勢(shì)。第二十三頁，共七十頁，2022年，8月28日在回路電勢(shì)中，電子密度大的熱電極A稱正極，電子密度小的熱電極B稱為負(fù)極。由式（7-7）可知，在熱電極材料一定時(shí)，EAB（T，T0）成為兩端溫度的函數(shù)，即EAB（T，T0）=f（T）–f（T0）

(7-8)如果冷端溫度T0保持恒定，則總電勢(shì)成為熱端溫度T的單值函數(shù)，即EAB（T，T0）=f（T）+C=φ(T)

（7-9）第二十四頁，共七十頁，2022年，8月28日保持冷端溫度T0不變，對(duì)于確定材料的熱電偶，E～T之間呈單值關(guān)系，可以用精密實(shí)驗(yàn)法測得。用顯示儀表測得E，即可知熱端溫度T。由式（7-7）可得出如下結(jié)論：1）由一種均質(zhì)材料（導(dǎo)體或半導(dǎo)體）兩端焊接組成閉合回路，無論導(dǎo)體截面如何、溫度分布如何，將不產(chǎn)生接觸電勢(shì)，溫差電勢(shì)相抵消，回路中總電勢(shì)為零。2）如果熱電偶兩端點(diǎn)溫度相同，盡管由兩種材料焊接組成閉合回路，同樣回路中總電勢(shì)為零。3）熱電偶回路熱電勢(shì)的大小只與材料和端點(diǎn)溫度有關(guān)，與熱電偶的尺寸形狀無關(guān)。

第二十五頁，共七十頁，2022年，8月28日（二）熱電偶的基本定律

1.中間溫度定律如圖7-8所示，熱電偶回路兩接點(diǎn)（溫度為T、T0）間熱電勢(shì)，等于熱電偶在溫度為T、Tn時(shí)的熱電勢(shì)與在溫度為Tn、T0時(shí)的熱電勢(shì)的代數(shù)和。圖7-8中間溫度定律示意圖第二十六頁，共七十頁，2022年，8月28日2.中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入中間導(dǎo)體（第三導(dǎo)體C），只要中間導(dǎo)體兩端溫度相同，中間導(dǎo)體的引入對(duì)熱電偶回路總電勢(shì)沒有影響，這就是中間導(dǎo)體定律。在熱電偶測溫應(yīng)用中，中間導(dǎo)體的接入不外乎圖7-9(a)、(b)所示兩種方式。圖7-9（a）的等效原理如圖7-9(c)所示。第二十七頁，共七十頁，2022年，8月28日(a)(b)(c)圖7-9接入中間導(dǎo)體的熱電偶測溫回路第二十八頁，共七十頁，2022年，8月28日三、熱電偶冷端溫度補(bǔ)償熱電偶回路的熱電勢(shì)的大小不僅與熱端溫度有關(guān)，而且與冷端溫度有關(guān)，只有當(dāng)冷端溫度保持不變，熱電勢(shì)才是被測熱端溫度的單值函數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，由于熱電偶的冷端與熱端距離通常很近，冷端（接線盒處）又暴露于空間，受到周圍環(huán)境溫度波動(dòng)的影響。冷端溫度很難保持恒定，保持在0℃就更難，因此必須采取措施，消除冷端溫度變化和不為0℃所產(chǎn)生的影響，進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償。第二十九頁，共七十頁，2022年，8月28日（一）補(bǔ)償導(dǎo)線補(bǔ)償導(dǎo)線是由兩種不同性質(zhì)的廉價(jià)金屬材料制成，在一定溫度范圍內(nèi)（0～100℃）與所配接的熱電偶具有相同的熱電特性的特殊導(dǎo)線。如圖7-1熱電偶測溫系統(tǒng)示意圖中，用補(bǔ)償導(dǎo)線（連接導(dǎo)線）連接熱電偶和顯示儀表，根據(jù)中間溫度定律，熱電偶與補(bǔ)償導(dǎo)線產(chǎn)生的熱電勢(shì)之和為E(t,t0)，因此補(bǔ)償導(dǎo)線的使用相當(dāng)于將熱電極延伸至與顯示儀表的接線端，使回路熱電勢(shì)僅與熱端和補(bǔ)償導(dǎo)線與儀表接線端（新冷端）溫度t0有關(guān)，而與熱電偶接線盒處（原冷端）溫度t0變化無關(guān)。第三十頁，共七十頁，2022年，8月28日（二）冷端溫度校正法1.計(jì)算修正法已知冷端溫度t0，根據(jù)中間溫度定律，應(yīng)用下式進(jìn)行修正：

E（t，0）＝E（t，t0）＋E（t0，0）（7-14）式中E（t，t0）—為回路實(shí)際熱電勢(shì)。第三十一頁，共七十頁，2022年，8月28日2.機(jī)械零位調(diào)整法調(diào)整機(jī)械零位相當(dāng)于外線路電勢(shì)輸入為零時(shí)預(yù)先給儀表輸入一個(gè)電勢(shì)E（t0，0）。當(dāng)接入熱電偶后，外電路熱電勢(shì)E（t，t0）與表內(nèi)預(yù)置電勢(shì)E（t0，0）迭加，使回路總電勢(shì)正好為E（t，0），儀表直接指示出熱端溫度t。使用儀表機(jī)械零位調(diào)整法簡單方便，但冷端溫度發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)及時(shí)斷電，重新調(diào)整儀表機(jī)械零位，使之指示到新的冷端溫度上。第三十二頁，共七十頁，2022年，8月28日（三）冰浴法實(shí)驗(yàn)室常采用冰浴法使冷端溫度保持為恒定0℃，對(duì)熱電偶進(jìn)行熱電勢(shì)值的校驗(yàn)。

（四）補(bǔ)償電橋法如圖7-10所示。橋臂電阻R1、R2、R3、RCu與熱電偶冷端處于相同的溫度環(huán)境，R1、R2、R3均為由錳銅絲繞制的1Ω電阻，RCu是用銅導(dǎo)線繞制的溫度補(bǔ)償電阻。E=4V是經(jīng)穩(wěn)壓電源提供的橋路直流電源。Rs是限流電阻，阻值因配用的熱電偶不同而不同。

第三十三頁，共七十頁，2022年，8月28日?qǐng)D7-10熱電偶冷端補(bǔ)償電橋1-熱電偶，2-補(bǔ)償導(dǎo)線，3-銅導(dǎo)線，4-補(bǔ)償電橋第三十四頁，共七十頁，2022年，8月28日一般選擇RCu阻值，使電橋在20℃時(shí)處于平衡，此時(shí)=1Ω，20℃稱為平衡點(diǎn)溫度，電橋平衡，不起補(bǔ)償作用。冷端溫度變化，熱電偶熱電勢(shì)Ex將變化：E（t，t0）-E（t，20）=E（20，t0），此時(shí)電橋不平衡，適當(dāng)選擇RCu的大小，使Uab

=E（t0，20），與熱電偶熱電勢(shì)疊加，則外電路總電勢(shì)保持EAB（t，20），不隨冷端溫度變化而變化。如果配用儀表機(jī)械零位調(diào)整法進(jìn)行校正，則儀表機(jī)械零位應(yīng)調(diào)至冷端溫度補(bǔ)償電橋的平衡點(diǎn)溫度（20℃）處，不必因冷端溫度變化重新調(diào)整。第三十五頁，共七十頁，2022年，8月28日第二節(jié)金屬熱電阻傳感器

電阻式傳感器廣泛用于測量-200～+960℃范圍內(nèi)的溫度。是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻隨溫度變化而變化的性質(zhì)而工作的，用儀表測量出熱電阻的阻值變化，從而得到與電阻值對(duì)應(yīng)的溫度值。電阻式傳感器分為金屬熱電阻傳感器和半導(dǎo)體熱電阻傳感兩類。前者稱為熱電阻，后者稱為熱敏電阻。第三十六頁，共七十頁，2022年，8月28日一、金屬熱電阻測溫原理金屬熱電阻主要是利用電阻隨溫度升高而增大的特性來測量溫度的。溫度升高，金屬內(nèi)部子晶格的振動(dòng)加劇，從而使金屬內(nèi)部的自由電子通過金屬導(dǎo)體時(shí)的阻力增大，宏觀上表現(xiàn)出電阻率變大，總電阻值增加。熱電阻的阻值與溫度的關(guān)系為Rt=R0(1+At+Bt2+Ct3+Dt4)(7-15)式中：R0—熱電阻在0℃時(shí)的電阻值；A、B、C、D—溫度系數(shù)。第三十七頁，共七十頁，2022年，8月28日為了準(zhǔn)確地測出電阻的大小以反映溫度的高低，常采用電橋來測量Rt阻值的變化，并轉(zhuǎn)化為電壓輸出，其原理如圖7-11所示。圖7-11熱電阻測溫電橋原理第三十八頁，共七十頁，2022年，8月28日當(dāng)溫度處于測量下限時(shí)，Rt=Rtmin，合理設(shè)計(jì)橋路電阻阻值，滿足：R3·(Rtmin+2R1)=R2·R4此時(shí)電橋平衡，△U=0，即：

(7-16)第三十九頁，共七十頁，2022年，8月28日

(7-17)

當(dāng)溫度上升時(shí)，使Rt=Rtmin+△R1，橋路失去平衡，有：第四十頁，共七十頁，2022年，8月28日由于熱電阻引入橋路的連接導(dǎo)線的阻值R1會(huì)隨環(huán)境溫度的變化而變化，根據(jù)式7-13，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，連接導(dǎo)線電阻值R1的變化2△R1將與熱電阻阻值變化相疊加，此時(shí)：

(7-18)

第四十一頁，共七十頁，2022年，8月28日二.金屬熱電阻的材料金屬熱電阻種類較多，如鉑、銅、鎳、鐵等，常用的有鉑電阻和銅電阻。

1.鉑電阻鉑絲是目前公認(rèn)制造熱電阻的最好材料，物理、化學(xué)性能非常穩(wěn)定，長期復(fù)現(xiàn)性最好，測量精度高、易于提純。鉑電阻主要用作標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計(jì)，第四十二頁，共七十頁，2022年，8月28日常用的有Pt100，測溫范圍為-200～660℃，電阻溫度系數(shù)為3.9×10-3／℃，0℃時(shí)電阻值為100Ω。但鉑在高溫下，易受還原性介質(zhì)污染，使鉑絲變脆并改變鉑絲電阻與溫度間的關(guān)系，因此使用時(shí)應(yīng)裝在保護(hù)套管中，如圖7-12所示。鉑電阻的純度以電阻R（100℃）／R（0℃）來表示，一般工業(yè)用鉑電阻溫度計(jì)對(duì)純度要求不少于1.3851。目前中國常用的鉑電阻有兩種，分度號(hào)Pt100和Pt10，最常用的是Ptl00，R（0℃）=100.00Ω，

第四十三頁，共七十頁，2022年，8月28日?qǐng)D7-12鉑電阻體的結(jié)構(gòu)l-銀引出線，2-鉑絲，3-鋸齒形云母骨架，4-保護(hù)用云母片，5-銀綁帶，6-銅電阻橫截面，7-保護(hù)套管，8-石英骨架第四十四頁，共七十頁，2022年，8月28日2.銅電阻銅電阻體結(jié)構(gòu)如圖7-13所示。它采用直徑約0.lmm的絕緣銅線，用雙線繞法分層繞在圓柱形塑料支架上；用直徑lmm的銅絲或鍍銀銅絲做引出線。圖7-13銅電阻體的結(jié)構(gòu)l-線圈骨架，2-銅熱電阻絲，3-補(bǔ)償組，4-銅引出線第四十五頁，共七十頁，2022年，8月28日第三節(jié)熱敏電阻熱敏電阻是半導(dǎo)體測溫元件。按溫度系數(shù)可分為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）和正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）兩大類。NTC熱敏電阻以MF為其型號(hào)，PTC熱敏電阻以MZ為其型號(hào)。第四十六頁，共七十頁，2022年，8月28日一、熱敏電阻的工作原理根據(jù)不同的用途，NTC又可以分為兩大類。一類為負(fù)指數(shù)型，用于測量溫度，它的電阻值與溫度之間呈負(fù)的指數(shù)關(guān)系；另一類為負(fù)的突變型，當(dāng)其溫度上升到某設(shè)定值時(shí)，其電阻值突然下降，多用于各種電子電路中抑制浪涌電流，起保護(hù)作用。負(fù)指數(shù)型和負(fù)突變型的溫度-電阻特性曲線分別如圖7-15中的曲線2和曲線1所示。

第四十七頁，共七十頁，2022年，8月28日?qǐng)D7-15熱敏電阻的特性曲線1-突變型NTC，2-負(fù)指數(shù)型NTC，3-線性型PTC，4-突變型PTC第四十八頁，共七十頁，2022年，8月28日典型的PTC熱敏電阻通常是在鈦酸鋇陶瓷中加入施主雜質(zhì)以增大電阻溫度系數(shù)。它的溫度-電阻特性曲線呈非線性，如圖7-15中的曲線4所示。它在電子線路中多起限流、保護(hù)作用，當(dāng)流過PTC的電流超過一定限度或PTC感受到的溫度超過一定限度時(shí)，其電阻值突然增大。近年來，還研制出了用本征鍺或本征硅材料制成的線性PTC熱敏電阻，其線性度和互換性均較好，可用于測溫。其溫度-電阻特性曲線如圖7-15中的曲線3所示。第四十九頁，共七十頁，2022年，8月28日二、熱敏電阻的主要特性及參數(shù)（一）熱敏電阻的分類熱敏電阻可按電阻的溫度特性、結(jié)構(gòu)、形狀、用途、材料及測量溫度范圍等進(jìn)行分類。1.按溫度特性分類熱敏電阻按溫度特性可分為三類，如圖7-16所示。第五十頁，共七十頁，2022年，8月28日?qǐng)D7-16熱敏電阻的分類1-NTC；2-線性型PTC；3-非線性PTC；4-CTR第五十一頁，共七十頁，2022年，8月28日1）負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，簡稱NTC。在工作溫度范圍內(nèi)，電阻隨溫度上升而非線性下