熱電式傳感器課件

15.1溫度測量第15章傳感器在工程檢測中的應用熱電式傳感器溫度的概念溫標溫度計的標定與校正測溫方法與測溫儀器的分類國家計量院省市級對比、傳遞冷熱分子運動內涵量熱電阻熱電勢其他攝氏溫標、華氏溫標熱力學溫標、國際實用溫標(ITS-90)溫度源溫度值對比概述溫度的標準：(1)有可實現的固定點溫度；(2)有在固定點溫度上分度的內插儀器；(3)確定相鄰固定溫度點間的內插公式。熱電偶傳感器熱電阻傳感器圖15–1溫度傳感器組成框圖溫差熱電偶（簡稱熱電偶）是目前溫度測量中使用最普遍的傳感元件之一。它除具有結構簡單，測量范圍寬、準確度高、熱慣性小，輸出信號為電信號便于遠傳或信號轉換等優(yōu)點外，還能用來測量流體的溫度、測量固體以及固體壁面的溫度。微型熱電偶還可用于快速及動態(tài)溫度的測量。15.1熱電偶溫度傳感器★熱電偶的工作原理★熱電偶回路的性質★熱電偶的常用材料與結構★冷端處理及補償工作原理演示

結論：當兩個結點溫度不相同時，回路中將產生電動勢。

熱電極A右端稱為：自由端（參考端、冷端）

一、熱電偶的工作原理左端稱為：測量端（工作端、熱端）

熱電極B熱電勢AB15.1

熱電偶溫度傳感器從實驗到理論：熱電效應

1821年，德國物理學家賽貝克用兩種不同金屬組成閉合回路，并用酒精燈加熱其中一個接觸點（稱為結點），發(fā)現放在回路中的指南針發(fā)生偏轉（說明什么？），如果用兩盞酒精燈對兩個結點同時加熱，指南針的偏轉角反而減小（又說明什么？）。顯然，指南針的偏轉說明回路中有電動勢產生并有電流在回路中流動，電流的強弱與兩個結點的溫差有關。

15.1熱電偶溫度傳感器兩種不同材料的金屬導體或半導體組成閉合回路，當兩個結點溫度不等有溫差時，回路里會產生電動勢，這種現象稱為熱電效應。利用這種效應，只要知道一端結點溫度，就可以測出另一端結點的溫度。熱電效應15.1

熱電偶溫度傳感器

兩種不同的金屬互相接觸時，由于不同金屬內自由電子的密度不同，在兩金屬A和B的接觸點處會發(fā)生自由電子的擴散現象。自由電子將從密度大的金屬A擴散到密度小的金屬B，使A失去電子帶正電，B得到電子帶負電，從而產生熱電勢。

自由電子＋ABeAB（

T）T1.接觸電勢熱電偶溫度傳感器1eAB(T)——導體A、B結點在溫度T時形成的接觸電動勢；e——單位電荷，e=1.6×10-19C；k——波爾茲曼常數，k=1.38×10-23J/K

；NA、NB

——導體A、B在溫度為T時的電子密度；T-結點處的絕對溫度；接觸電勢的大小與溫度高低及導體中的電子濃度有關。熱電偶溫度傳感器對于任何一種金屬，當其兩端溫度不同時，兩端的自由電子濃度也不同，溫度高的一端濃度大，具有較大的動能；溫度低的一端濃度小，動能也小。因此高溫端的自由電子要向低溫端擴散，高溫端因失去電子而帶正電，低溫端得到電子而帶負電，形成溫差熱動勢，又稱湯姆遜熱電勢。2.溫差電勢熱電偶溫度傳感器AeA(T,To)ToTeA(T，T0)——導體A兩端溫度為T、T0時形成的溫差電動勢；T，T0——高低端的絕對溫度；σA——湯姆遜系數，表示導體A兩端的溫度差為1℃時所產生的溫差電動勢，例如在0℃時，銅的σ=2μV/℃。溫差電勢原理圖熱電偶溫度傳感器由導體材料A、B組成的閉合回路，其接點溫度分別為T、T0,如果T＞T0，則必存在著兩個接觸電勢和兩個溫差電勢，回路總電勢：T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3.回路總電勢熱電偶溫度傳感器由于在金屬中自由電子數目很多，溫度對自由電子密度的影響很小，故溫差電動勢可以忽略不計，在熱電偶回路中起主要作用的是接觸電動勢。則有在標定熱電偶時，一般使T0為常數，則熱電偶溫度傳感器1、熱電偶回路的熱電動勢只與組成熱電偶的材料及兩端接點的溫度有關；與熱電偶的長度、粗細、形狀無關。注意幾點：2、只有用不同性質的材料才能組合成熱電偶，相同材料不會產生熱電動勢。因為當A、B兩種導體是同一種材料時，ln（NA/NB）=0，所以EAB（T，T0）=0。3、只有當熱電偶兩端溫度不同時，不同材料組成的熱電偶才能有熱電動勢產生；當熱電偶兩端溫度相同時，不同材料組成的熱電偶也不產生熱電動勢，即EAB（T，T0）=0。熱電偶溫度傳感器4、導體材料確定后，熱電動勢的大小只與熱電偶兩端的溫度有關。如果使eAB（T0）=常數，則回路熱電動勢EAB（T，T0

）就只與溫度T有關，而且是T的單值函數，這就是利用熱電偶測溫的基本原理。5、對于有幾種不同材料串聯(lián)組成的閉合回路，若各接點溫度分別為T1、T2……TN，閉合回路總的熱電動勢為：熱電偶溫度傳感器重要的公式熱電偶的基本定律均質導體定律中間導體定律中間溫度定律15.1

熱電偶測溫標準電極定律連接導體定律三、熱電偶基本定律1、均質導體定律由兩種均質導體組成的熱電偶，其熱電動勢的大小只與兩材料及兩接點溫度有關，與熱電偶的大小尺寸、形狀及沿電極各處的溫度分布無關。即如材料不均勻，當導體上存在溫度梯度時，將會有附加電動勢產生。這條定理說明，熱電偶必須由兩種不同性質的均質材料構成。根據這一定律，可以檢驗兩個熱電極材料的成分是否相同(稱為同名極檢驗法)，也可以檢查熱電極材料的均勻性。15.2熱電偶溫度傳感器2、中間導體定律在熱電偶回路中接入第三種導體C，只要第三種導體的兩接點溫度相同，則回路中總的熱電動勢不變。T0T0BTAC右圖回路中的總電動勢為：15.2熱電偶溫度傳感器如果回路中三個接點的溫度都相同，即T＝T0，則回路總電動勢必為零，即：即則15.2熱電偶溫度傳感器T1CT0T1TBA如果按右圖接入第三種導體C，則回路中的總電動勢為：而所以意義：可用電器測量儀表直接測量熱電勢15.2熱電偶溫度傳感器BBA

Tn

T

T0

AAB3、中間溫度定律在熱電偶測溫回路中，tn為熱電極上某一點的溫度，熱電偶AB在接點溫度為t、t0時的熱電勢eAB(t,t0)等于熱電偶AB在接點溫度t、tn和tn、t0時的熱電勢eAB(t,tc)和eAB(tn,t0)的代數和，即15.2熱電偶溫度傳感器證明：即：該定律是參考端溫度計算修正法的理論依據，在實際熱電偶測溫回路中,利用熱電偶這一性質,可對參考端溫度不為0℃的熱電勢進行修正。15.2熱電偶溫度傳感器表S型(鉑銠10-鉑)熱電偶分度表

當T0=0℃時，則：上式說明：只要A、B組成的熱電偶在冷端溫度為零時的“熱電動勢—溫度”關系已知，則它在冷端溫度不為零時的熱電動勢即可知。意義：為制定冷端不為零的分度表奠定了理論基礎15.2熱電偶溫度傳感器用普通室溫計算出參比端實際溫度TH，利用公式計算例用銅-康銅熱電偶測某一溫度T，參比端在室溫環(huán)境TH中，測得熱電動勢EAB(T，Tn)=1.979mV，又用室溫計測出Tn=21℃,查此種熱電偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.84mV，故得注意:既不能只按1.979mV查表，認為T=49℃，也不能把49℃加上21℃，認為T=70℃。EAB(T,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，0)=1.979+0.84=2.819(mV)再次查分度表，與2.819mV對應的熱端溫度T=69℃。表S型(鉑銠10-鉑)熱電偶分度表4、標準電極定律如果兩種導體分別與第三種導體組成的熱電偶所產生的熱電動勢已知，則由這兩種導體組成的熱電偶所產生的熱電動勢也就可知。T0TEAB(T,T0)ABT0TEAC(T,T0)ACT0TEBC(T,T0)BC15.2熱電偶溫度傳感器兩式相減得：——（1）若一個熱電偶由A、B、C三種導體組成，且回路中三個接點的溫度都相同，則回路總電動勢必為零，即：

15.2熱電偶溫度傳感器或即導體A與B組成的熱電偶的熱電動勢也可知。代入（1）式可得：15.2熱電偶溫度傳感器解：由標準電極定律，鎳鉻和考銅熱電偶的熱電動勢應等于鎳鉻合金與純鉑熱電偶與考銅與純鉑熱電偶的熱電動勢的差，即例熱端為100℃、冷端為0℃時，鎳鉻合金與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為2.95mV，而考銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為-4.0mV，求鎳鉻和考銅組合而成的熱電偶所產生的熱電動勢。2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV15.2熱電偶溫度傳感器意義：運用補償導線法進行溫度測量的理論基礎5、連接導體定律熱電偶導體A、B分別與連接導線C、D相接，總熱電勢為兩部分的代數和。15.2熱電偶溫度傳感器熱電偶的分度表——熱電偶的線性較差，多數情況下采用查表法

我國從1991年開始采用國際計量委員會規(guī)定的“1990年國際溫標”（簡稱ITS-90）的新標準。按此標準，制定了相應的分度表，并且有相應的線性化集成電路與之對應。直接從熱電偶的分度表查溫度與熱電勢的關系時的約束條件是：自由端（冷端）溫度必須為0

C。15.2熱電偶溫度傳感器表標準化熱電偶的主要性能和特點35表S型(鉑銠10-鉑)熱電偶分度表36表B型(鉑銠30—鉑銠6)熱電偶分度表37表15-5K型(鎳鉻—鎳硅)熱電偶分度表38另外還有一些特殊用途的熱電偶，以滿足特殊測溫的需要。如用于測量3800℃超高溫的鎢鎳系列熱電偶，用于測量2～273K的超低溫的鎳鉻-金鐵熱電偶等。表E型(鎳鉻—銅鎳)熱電偶分度表39四、熱電偶結構和種類（1）熱電極（2）絕緣管（3）保護套管（4）接線盒與介質隔離，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穩(wěn)定物理化學性質穩(wěn)定電阻溫度系數小、電阻率高輸出熱電勢大、輸出呈線性復現性好、工藝簡單、價格低

貴金屬普通金屬1、熱電偶的結構15.3熱電偶溫度傳感器普通裝配型熱電偶外形安裝螺紋安裝法蘭15.3熱電偶溫度傳感器普通裝配型熱電偶結構圖接線盒引出線套管固定螺紋

（出廠時用塑料包裹）熱電偶工作端（熱端）不銹鋼保護管15.3熱電偶溫度傳感器鎧裝型熱電偶外形法蘭鎧裝型熱電偶可長達上百米薄壁金屬保護套管（鎧體）BA絕緣材料鎧裝型熱電偶橫截面15.3熱電偶溫度傳感器

鎧裝熱電偶的制造工藝：

把熱電極材料與高溫絕緣材料預置在金屬保護管中、運用同比例壓縮延伸工藝、將這三者合為一體，制成各種直徑、規(guī)格的鎧裝偶體，再截取適當長度、將工作端焊接密封、配置接線盒即成為柔軟、細長的鎧裝熱電偶。

鎧裝熱電偶特點：

內部的熱電偶絲與外界空氣隔絕，有著良好的抗高溫氧化、抗低溫水蒸氣冷凝、抗機械外力沖擊的特性。鎧裝熱電偶可以制作得很細，能解決微小、狹窄場合的測溫問題，且具有抗震、可彎曲、超長等優(yōu)點。15.3熱電偶溫度傳感器隔爆型熱電偶外形厚壁保護管壓鑄的接線盒電纜線15.3熱電偶溫度傳感器

結構特點：隔爆熱電偶的接線盒在設計時采用防爆的特殊結構，它的接線盒是經過壓鑄而成的，有一定的厚度、隔爆空間，機構強度較高；采用螺紋隔爆接合面，并采用密封圈進行密封，因此，當接線盒內一旦放弧時，不會與外界環(huán)境的危險氣體傳爆，能達到預期的防爆、隔爆效果。

使用場合：工業(yè)用的隔爆型熱電偶多用于化學工業(yè)自控系統(tǒng)中（由于在化工生產廠、生產現場常伴有各種易燃、易爆等化學氣體或蒸汽，如果用普通熱電偶則非常不安全、很容易引起環(huán)境氣體爆炸）。15.3熱電偶溫度傳感器2、熱電偶的種類

從1988年1月1日起，我國熱電偶和熱電阻的生產全部按國際電工委員會（IEC）的標準，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標準化熱電偶為我國統(tǒng)一設計型熱電偶。但其中的R型（鉑銠13-鉑）熱電偶，因其溫度范圍與S型（鉑銠10-鉑）重合,我國沒有生產和使用。15.3熱電偶溫度傳感器常用熱電偶的測溫范圍及熱電勢分度號

名稱

測量溫度范圍

1000

C熱電勢/mVB鉑銠30－鉑銠650～1820

C4.834R鉑銠13—鉑-50～1768

C10.506S鉑銠10—鉑-50～1768

C9.587K鎳鉻－鎳鉻(鋁)-270～1370

C41.276E鎳鉻－銅鎳(康銅)－270～800

C——?15.3熱電偶溫度傳感器五、熱電偶實用測量電路1、測量單點溫度——熱電偶、補償導線和儀表內阻15.3熱電偶溫度傳感器2、測量兩點之間的溫差儀表回路內的總電動勢為:因為15.3熱電偶溫度傳感器3、測量平均溫度（并聯(lián)）儀表缺點：當有一只熱電偶燒斷時，不易察覺。15.3熱電偶溫度傳感器4、測量幾點溫度之和（串聯(lián)）儀表15.3熱電偶溫度傳感器電路調試步驟：調零：T=0℃時調整調零電位器RP2使運放輸出為零；調增益：溫度600℃時調節(jié)負反饋電阻，使運放輸出在5V。600℃時，K型熱電偶熱電勢為E=24.902mv，放大器增益為5V/24.902mv=240.945

，得到滿量程輸出5V。15.3熱電偶溫度傳感器圖15-17熱電偶串、并聯(lián)線路(a)正向串聯(lián)；(b)反向串聯(lián)；(c)并聯(lián)54六、冷端處理及補償原因熱電偶分度表給出的熱電勢是以冷端溫度0℃為依據，否則會產生誤差。熱電偶熱電勢的大小是熱端溫度和冷端的函數差，為保證輸出熱電勢是被測溫度的單值函數，必須使冷端溫度保持恒定；15.3熱電偶溫度傳感器把熱電偶的參比端置于冰水混合物容器里，使T0=0℃。這種辦法僅限于科學實驗中使用。為了避免冰水導電引起兩個連接點短路，必須把連接點分別置于兩個玻璃試管里，浸入同一冰點槽，使相互絕緣。mVABA’B’TCC’儀表銅導線試管補償導線熱電偶冰點槽冰水溶液T01.冰點槽法(冷端0恒溫法)15.3熱電偶溫度傳感器2.熱電偶補償導線利用補償導線，將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的場所(如儀表室)。根據連接導體定律，只要熱電偶的兩個熱電極分別與兩補償導線的接點溫度一致，就不會影響熱電動勢的輸出。例采用鎳鉻-鎳硅熱電偶測量爐溫。熱端溫度為800℃，冷端溫度為50℃。為了進行爐溫的調節(jié)與顯示，必須將熱電偶產生的熱電動勢信號送到儀表室，儀表室的環(huán)境溫度恒為20℃。15.3熱電偶溫度傳感器首先由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表查出它在冷端溫度為0℃，熱端溫度分別為800℃、50℃、20℃時的熱電動勢：E(800，0)＝33.277mV；如果熱電偶與儀表之間直接用銅導線連接，根據中間導體定律，輸入儀表的熱電動勢為：E(50，0)＝2.022mV；E(20，0)=0.798mV。E(800，50)=E(800，0)-E(50，0)

=(33.277-2.022)mV=31.255mV查分度表知，對應31.255mV的溫度是751℃。與爐內真實溫度相差49℃。15.3熱電偶溫度傳感器3.冷端溫度修正法用普通室溫計算出參比端實際溫度TH，利用公式計算例用銅-康銅熱電偶測某一溫度T，參比端在室溫環(huán)境TH中，測得熱電動勢EAB(T，TH)=1.979mV，又用室溫計測出TH=21℃,查此種熱電偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.84mV，故得EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，0)=1.979+0.84=2.819(mV)再次查分度表，與2.819mV對應的熱端溫度T=69℃。注意:既不能只按1.979mV查表，認為T=49℃，也不能把49℃加上21℃，認為T=70℃。EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)15.3熱電偶溫度傳感器15.3熱電偶溫度傳感器例用動圈儀表配合熱電偶測溫時，如果把儀表的機械零點調到室溫TH的刻度上,在熱電動勢為零時，指針指示的溫度值并不是0℃而是TH。而熱電偶的冷端溫度已是TH,則只有當熱端溫度T=TH時，才能使EAB(T,TH)=0，這樣，指示值就和熱端的實際溫度一致了。這種辦法非常簡便，而且一勞永逸，只要冷端溫度總保持在TH不變，指示值就永遠正確。3.零點遷移法應用領域：如果冷端不是0℃，但十分穩(wěn)定（如恒溫車間或有空調的場所）。實質：在測量結果中人為地加一個恒定值，因為冷端溫度穩(wěn)定不變，電動勢EAB(TH,0)是常數，利用指示儀表上調整零點的辦法，加大某個適當的值而實現補償。15.3熱電偶溫度傳感器4補償電橋法:利用不平衡電橋產生的不平衡電壓補償熱電偶因冷端溫度變化而引起熱電勢的變化值。不平衡電橋由R1、R2、R3(錳銅絲繞制)、RCu(銅絲繞制)四個橋臂和橋路電源組成。設計時，在0℃下使電橋平衡(R1=R2=R3=RCu),此時Uab=0,電橋對儀表讀數無影響。冷端補償器的作用注意：橋臂RCu必須和熱電偶的冷端靠近，使處于同一溫度之下。

mVEAB(T,T0)T0T0TAB++-abUUabRCuR1R2R3RT0RCu

Ua

Uab

EAB(T,T0)供電4V直流，在0～40℃或-20～20℃的范圍起補償作用。注意，不同材質的熱電偶所配的冷端補償器，其中的限流電阻R不一樣，互換時必須重新調整。熱電偶溫度傳感器冷端溫度恒定T0：但T0不為0℃時，只需在采樣后加一個與冷端溫度對應的常數即可。冷端溫度T0波動：可利用熱敏電阻或其它傳感器把T0信號輸入計算機，按照運算公式設計一些程序，便能自動修正。后一種情況必須考慮輸入的采樣通道中除了熱電動勢之外還應該有冷端溫度信號，如果多個熱電偶的冷端溫度不相同，還要分別采樣，若占用的通道數太多，宜利用補償導線把所有的冷端接到同一溫度處，只用一個冷端溫度傳感器和一個修正T0的輸入通道就可以了。冷端集中，對于提高多點巡檢的速度也很有利。

5.

軟件處理法熱電偶溫度傳感器熱電偶的誤差及補償熱電偶測溫使用中