第8章熱電式傳感器8.1

熱電偶8.2

熱電阻8.3

熱敏電阻本章知識要點熱電效應的含義；熱電偶、熱電阻和熱敏電阻的結(jié)構(gòu)及測溫范圍。熱電偶的特點、基本定律，冷端補償方法及測溫電路。鉑熱電阻和銅熱電阻的特點；熱電阻的測溫電路。熱敏電阻的特點及分類。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度通常是需要測量和控制的重要參數(shù)之一。熱電式傳感器：溫度變化→電量變化將溫度變化轉(zhuǎn)化為電動勢或電阻的方法最為普遍。——熱電偶溫度電勢電阻金屬半導體熱電阻熱敏電阻——8.1熱電偶熱電偶測溫范圍：100℃~1300℃特點：結(jié)構(gòu)簡單、制作容易、精度高、溫度測量范圍寬、動態(tài)響應特性好、輸出信號便于遠傳、使用方便。是一種有源傳感器，測量時不需外加電源。應用：測量爐子或管道的氣體、液體的溫度或固體的表面溫度?！?.1.1熱電偶測溫原理1、熱電效應：兩種不同材料的導體（或半導體）組成一個閉合回路，當兩接點溫度T和T0不同時，則在該回路中就會產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。熱電動勢（來源：接觸電動勢和溫差電動勢）、熱電偶（兩種材料的組合體）、熱電極（A、B兩導體）熱端（測量端或工作端）、冷端（參考端或自由端）M（1）兩種導體的接觸電動勢含義：由于兩種不同導體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動勢。接觸電動勢的大小與導體的材料、接點的溫度有關(guān)，而與導體的直徑、長度、幾何形狀等無關(guān)。兩接點的接觸電動勢EAB(T)和EAB（T0）可表示為——自由電子密度擴散擴散電場漂移

同一導體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種電動勢。（2）單一導體的溫差電動勢機理：高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大，從高溫端跑到低溫端的電子數(shù)比從低溫端跑到高溫端的要多，結(jié)果高溫端因失去電子而帶正電，低溫端因獲得多余的電子而帶負電，在導體兩端便形成溫差電動勢?！獪夭钕禂?shù)——熱端和冷端的絕對溫度(3)熱電偶回路中產(chǎn)生的總熱電勢

熱電偶回路有四個電動勢：兩個接觸電動勢、兩個溫差電動式。M產(chǎn)生熱電勢的條件：①熱電偶不同電極材料

②兩端溫度不同忽略溫差電勢：結(jié)論：1）兩熱電極相同時，總電動勢為0。2）兩接點溫度相同時，總電動勢為0。3）熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢大小與材料和接點溫度有關(guān)，與其尺寸、形狀等無關(guān)。4）電子濃度取決于熱電偶材料的特性和溫度，當A、B選定后，熱電動勢就是兩接觸點T和T0的函數(shù)差，即

當參考端溫度T0恒定時，eAB(T0)=c為常數(shù)，則總的熱電動勢就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)系。熱電偶的分度表不同金屬組成的熱電偶，溫度與熱電動勢之間有不同的函數(shù)關(guān)系，一般通過實驗的方法來確定，并將其結(jié)果列成表格，即分度表。供查閱使用，每10℃分檔。中間值按內(nèi)插法計算。tM——被測溫度值；tH——較高的溫度值；tL——較低的溫度值；EM、EH、EL——分別為溫度tM、tH、tL對應的熱電動勢。S型(鉑銠10-鉑)熱電偶分度表

在熱電偶測溫回路內(nèi)，接入第三種導體時，只要第三種導體的兩端溫度相同，則對回路的總熱電勢沒有影響。（1）中間導體定律意義：可用電器測量儀表直接測量熱電勢，接入導線和儀表后不會影響回路中的熱電勢。2.熱電偶的基本定律▲▲

在熱電偶測溫回路中，Tc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、Tc和Tc、T0時的熱電勢EAB(T,Tc)和EAB(Tc,T0)的代數(shù)和，即（2）中間溫度定律已知溫度T0=0℃時的熱電勢-溫度關(guān)系，可求得參考溫度不為0℃時的熱電勢。意義：運用補償導線法進行溫度測量的理論基礎。（3）標準導體（電極）定律若兩種導體A、B分別與第三種導體C組成熱電偶的熱電勢已知，則A、B組成的熱電偶也可知。標準電極：鉑意義：只要測得高純鉑絲與各種金屬組成的熱電偶的熱電動勢，則各種金屬間相互組合成熱電偶的熱電動勢就可根據(jù)標準電極定律計算出來。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，則鎳鉻和考銅組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢應為：2.95－(－4.0)＝6.95(mV)（4）均質(zhì)導體定律由兩種均質(zhì)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(guān)，與熱電偶的大小尺寸、形狀及沿電極各處的溫度分布無關(guān)。即熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的均質(zhì)材料構(gòu)成。

意義：有助于檢驗兩個熱電極材料成分是否相同及材料的均勻性。

為了適應不同生產(chǎn)對象的測溫要求和條件，熱電偶的結(jié)構(gòu)形式有：普通型熱電偶特殊熱電偶－鎧裝型熱電偶－薄膜熱電偶等。

8.1.2熱電偶的結(jié)構(gòu)與種類普通型熱電偶（1）熱電極（2）絕緣材料（3）保護套管（4）接線盒與介質(zhì)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(zhì)穩(wěn)定物理化學性質(zhì)穩(wěn)定電阻溫度系數(shù)小、電阻率高輸出熱電勢大、輸出呈線性復制性好、工藝簡單、價格低貴金屬普通金屬

優(yōu)點：測溫端熱容量小，動態(tài)響應快；機械強度高，撓性好，可安裝在結(jié)構(gòu)復雜的裝置上。鎧裝型熱電偶薄膜熱電偶

特點：熱接點可以做得很?。é蘭），具有熱容量小、反應速度快（ms）等特點，適用于微小面積上的表面溫度以及快速變化的動態(tài)溫度測量。國際電工委員會（IEC）向世界各國推薦8種標準化熱電偶（已列入工業(yè)標準化文件中，具有統(tǒng)一的分度表）。我國已采用IEC標準生產(chǎn)六種熱電偶。常用熱電偶的型號

標準化熱電偶的主要性能和特點

8.1.3熱電偶的冷端溫度補償▲▲熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢只有在冷端溫度不變的條件下，才與工作溫度成單值函數(shù)關(guān)系。但是在實際應用中，由于熱電偶冷端離工作端很近，且又處于大氣中，這樣冷端溫度難以保持恒定，會帶來測量誤差，因此需要對熱電偶冷端溫度進行處理。（1）補償導線法（2）冷端恒溫法（4）自動補償法（3）冷端溫度校正法熱電偶長度一般為350～2000mm左右，較短。要保證冷端溫度不變，可以把熱電極加長，使其遠離工作端。這樣,冷端溫度比較穩(wěn)定。(1)熱電偶補償導線解決辦法：工程中采用一種補償導線。在0～150℃溫度范圍內(nèi)，要求補償導線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。常用補償導線

在實驗室及精密測量中，通常把冷端放入0℃恒溫器或裝滿冰水混合物的容器中，以便冷端溫度保持0℃。這是一種理想的補償方法，但工業(yè)中使用極為不便。(2)冷端0℃恒溫法

當冷端溫度t0不等于0℃，需要對熱電偶回路的測量電勢值EAB（t，t0）加以修正。當工作端溫度為t時，分度表可查EAB(t,0)與EAB(t0,0)。根據(jù)中間溫度定律得到：EAB(t,0)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0)(3)冷端溫度修正法t——工作段溫度

t0——冷端的實際溫度

0——冷端的標準溫度（0℃，便于查表）E（t，t0）——熱電偶工作在t與t0時，儀表測出的熱電動勢值E（t，0）和E（t0，0）——冷端溫度為0℃，工作點溫度為t和t0時的電動勢值（由熱電偶分度表中查得）例：用鎳鉻-鎳硅熱電偶測量加熱爐溫度。已知冷端溫度t0=30℃，測得熱電勢eAB（t，t0）為39.17mV,求加熱爐溫度。eAB(t,0)=eAB(t,t0)+eAB(t0,0)=39.17+1.203=40.373mV再從表中查得

E(970,0)=40.096mV，E(980,0)=40.488mV

解：查鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表得：

eAB(30，0)=1.203mV可得：可得加熱爐溫度為：(4)冷端溫度自動補償法（電橋補償法）注意：儀表的輸入阻抗要足夠高，否則無法準確測量電動勢。8.1.4熱電偶測溫線路1、測量單點溫度——熱電偶、補償導線和儀表內(nèi)阻

特殊情況下，熱電偶可以串聯(lián)或并聯(lián)使用，但只能是同一分度號的熱電偶，且冷端應在同一溫度下。如熱電偶正向串聯(lián)，可獲得較大的熱電勢輸出和提高靈敏度；在測量兩點溫差時，可采用熱電偶反向串聯(lián)；利用熱電偶并聯(lián)可以測量平均溫度。2、測量兩點間溫度差（反向串聯(lián)）3、測量平均溫度（并聯(lián)或正向串聯(lián)）特點：當有一只熱電偶燒斷時，難以覺察出來。當然，它也不會中斷整個測溫系統(tǒng)的工作。并聯(lián)優(yōu)點：熱電動勢大，儀表的靈敏度大大增加，可立即發(fā)現(xiàn)斷路。缺點：只要有一支熱電偶斷路，整個測溫系統(tǒng)將停止工作。串聯(lián)8.2熱電阻

熱電阻傳感器是利用導體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進行測溫的。熱電阻廣泛用來測量－200～850℃范圍內(nèi)的溫度，少數(shù)情況下，低溫可測量至1K，高溫達1000℃。標準鉑電阻溫度計的精確度高，作為復現(xiàn)國際溫標的標準儀器。

熱電阻的結(jié)構(gòu)電阻絲采用雙線并繞法繞制在具有一定形狀的云母、石英或陶瓷塑料支架上，支架起支撐和絕緣作用。1.常用熱電阻對用于制造熱電阻材料的要求：1）電阻值與溫度變化具有良好的線性關(guān)系2）電阻溫度系數(shù)大，以便對溫度變化敏感，便于精確測量3）電阻率高，熱容量小，從而具有較快的響應速度4）在測量范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的物理、化學性質(zhì)5）容易加工，價格盡量便宜(1)鉑熱電阻▲▲

鉑熱電阻的特點是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠，所以在溫度傳感器中得到了廣泛應用。缺點：價格高。按IEC標準，鉑熱電阻的使用溫度范圍為-200～850℃。鉑熱電阻的特性方程為：0~660℃-190℃~0℃其中，Rt、R0——溫度為t℃和0℃時的電阻；

A、B、C為常數(shù)：A=3.940×10-2/℃B=-5.84×10-7/℃2C=-4.22×10-12/℃4

可見：熱電阻在溫度t時的電阻值與0℃時的電阻值R0有關(guān)。目前我國規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有R0=10Ω和R0=100Ω兩種，它們的分度號分別為Pt10和Pt100，其中以Pt100為常用。鉑熱電阻不同分度號亦有相應分度表，即Rt-t的關(guān)系表，這樣在實際測量中，只要測得熱電阻的阻值Rt，便可從分度表上查出對應的溫度值。0~660℃-190℃~0℃鉑電阻分度表薄膜型及普通型鉑熱電阻

小型鉑熱電阻

(2)銅熱電阻▲▲

在一些測量精度要求不高且溫度較低的場合，可采用銅熱電阻進行測溫，它的測量范圍為-50～150℃。其中，A、B、C為常數(shù)：A=4.28899×10-3/℃B=-2.133×10-7/℃2C=1.233×10-9/℃3-50℃~150℃模型1：精確計算時模型2：簡便計算，常用二項式計算其中，Rt、R0——溫度為t℃和t0℃時的電阻；

——0℃時電阻溫度系數(shù)分度號：Cu50銅熱電阻有兩種分度號：Cu50和Cu100.銅熱電阻的特點銅熱電阻的特點：電阻溫度系數(shù)較大、線性性好、價格便宜。缺點：電阻率較低，電阻體的體積較大，熱慣性較大，穩(wěn)定性較差，在100℃以上時容易氧化，因此只能用于低溫及沒有浸蝕性的介質(zhì)中。汽車用水溫傳感器及水溫表

銅熱電阻用熱電阻傳感器進行測溫時，測量電路經(jīng)常采用電橋電路。熱電阻與檢測儀表相隔一段距離，因此熱電阻的引線對測量結(jié)果有較大的影響。熱電阻引線方式有二線制、三線制和四線制三種。8.2.3熱電阻的測量電路兩線制這種引線方式簡單、費用低，但是引線電阻以及引線電阻的變化會帶來附加誤差。兩線制適于引線不長、測溫精度要求較低的場合。控制室生產(chǎn)現(xiàn)場指示儀表rrRt三線制用于工業(yè)測量，精度較好。

uA導線電阻r對測量無影響。平衡：r：電橋電源；2r：相鄰臂四線制實驗室用，高精度測量（1）不受其它條件約束；（2）恒流源I穩(wěn)定。8.3熱敏電阻熱敏電阻是利用半導體（某些金屬氧化物如NiO,MnO2,CuO,TiO2)的電阻值隨溫度顯著變化這一特性制成的一種熱敏元件，其特點是電阻率隨溫度而顯著變化。一般測溫范圍：（－50～＋300）℃玻璃殼熱敏電阻引線（a）珠狀（b）片狀（c）桿狀（d）墊圈狀熱敏電阻的優(yōu)缺點：▲▲1、優(yōu)點：①具有電阻值和電阻溫度系數(shù)大、靈敏度高；②體積小、結(jié)構(gòu)簡單；③熱慣性小、響應速度快；④使用方便；⑤壽命長；⑥易于實現(xiàn)遠距離測量。2、缺點：①互換性較差，同一型號的產(chǎn)品特性參數(shù)有較大區(qū)別；②穩(wěn)定性較差；③非線性嚴重，不能在高溫下使用。8.3.1熱敏電阻的電阻－溫度特性負溫度系數(shù)熱敏電阻：NTC正溫度系數(shù)熱敏電阻：PTC臨界溫度系數(shù)熱敏電阻：CRT04080120160200106104102100溫度℃電阻CTRNTCPTC負溫度系數(shù)（negativetemperaturecoefficient）。熱敏電阻在不同值時的電阻－溫度特性，溫度