第九章熱電偶傳感器章節(jié)導入：

在眾多測溫傳感器中，熱電偶傳感器已成規(guī)格，并符合國際計量委員會的標準，在工業(yè)生產(chǎn)和科學研究得到廣泛應用。本章要點:1、了解溫度測量的基本概念和方法；2、熱電偶的工作原理，了解熱電偶的分類及特點，會對熱電偶進行選型；3、理解中間計算修正定律，掌握冷端延長的方法，并會選擇補償導線。4、掌握控溫儀表的接線方法。2/6/20231第一節(jié)溫度測量的基本概念

一、溫度測量的基本概念

溫度標志著物質(zhì)內(nèi)部大量分子無規(guī)則運動的劇烈程度。溫度越高，表示物體內(nèi)部分子熱運動越劇烈。

模擬圖：在一個密閉的空間里，氣體分子在高溫時的運動速度比低溫時快！2/6/20232二、溫標

1、溫度的數(shù)值表示方法稱為溫標。它規(guī)定了溫度的讀數(shù)的起點（即零點）以及溫度的單位。各類溫度計的刻度均由溫標確定。2、國際上規(guī)定的溫標有：攝氏溫標、華氏溫標、熱力學溫標等。

2/6/20233幾種溫標的對比

正常體溫為37C相當于華氏溫度1.8×37+32=98F相當于熱力學溫標37+273=310K2/6/20234熱力學溫標（K）

熱力學溫標是建立在熱力學第二定律基礎(chǔ)上的最科學的溫標，是由開爾文（Kelvin）根據(jù)熱力學定律提出來的，因此又稱開氏溫標。它的符號是T，單位是開爾文（K）。1990國際溫標(ITS-90)

從1990年1月1日開始在全世界范圍內(nèi)采用1990年國際溫標，簡稱ITS-90。它定義了一系列溫度的固定點，測量和重現(xiàn)這些固定點的標準儀器以及計算公式，例如水的三相點為273.16K（0.01C）等。

2/6/20235三、溫度測量及傳感器分類

溫度傳感器按照用途可分為基準溫度計和工業(yè)溫度計；按照測量方法又可分為接觸式和非接觸式；按工作原理又可分為膨脹式、電阻式、熱電式、輻射式等等；按輸出方式分，有自發(fā)電型、非電測型等。

2/6/20236

所利用的物理現(xiàn)象傳感器類型測溫范圍/0C特點氣體熱膨脹氣體溫度計液體壓力溫度計玻璃水銀溫度計雙金屬片溫度計-250～1000-200～300-50～350-50～300不需要電源、耐用；感溫部件體積較大接觸熱電動勢鎢錸熱電偶鉑銠熱電偶其它熱電偶1000～2100200～1800-200～1200自發(fā)電型，標準化程度高，品種多、可根據(jù)需要選擇；需注意冷鍛溫度補償熱電阻鉑熱電阻熱敏電阻-200～900-50～200標準化程度高；需要接入橋路得到輸出電壓PN結(jié)結(jié)電壓硅半導體-50～150體積小、線性好、測溫范圍小溫度—顏色示溫涂料液晶-50～13000～100面積大、可得到溫度圖像、易衰老、分辨力低光輻射熱輻射紅外輻射溫度計光學高溫溫度計熱釋電溫度計光子探測器-50～1500500～30000～10000～3500非接觸式測量、反應快；易受環(huán)境及被測體表面影響；標定困難表：溫度傳感器種類及特點2/6/20237舉例：變色涂料在電腦內(nèi)部溫度中的示溫作用CPU散熱風扇低溫時顯示藍色溫度升高后變?yōu)榧t色2/6/20238舉例：體積熱膨脹式

不需要電源，耐用；但感溫部件體積較大。

氣體的體積與熱力學溫度成正比2/6/20239舉例：紅外溫度計2/6/202310第二節(jié)熱電偶的工作原理

熱電偶測溫的主要優(yōu)點1、它屬于自發(fā)電型傳感器：測量時可以不需外加電源，可直接驅(qū)動動圈式儀表；2、結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，熱電偶的電極不受大小和形狀的限制，可按照需要選擇。3、測溫范圍廣：下限可達-270C，上限可達

1800C以上；4、精度高，各溫區(qū)中的熱電勢均符合國際計量委員會的標準。2/6/202311一、熱電效應：

先看一個實驗——熱電偶工作原理演示

結(jié)論：當兩個結(jié)點溫度不相同時，回路中將產(chǎn)生電動勢。

熱電極A一端稱為：自由端、參考端、冷端

一端稱為：測量端、工作端、熱端

熱電極B熱電勢AB2/6/202312通過以上演示得出結(jié)論

熱電偶兩結(jié)點所產(chǎn)生的總的熱電勢等于熱端熱電勢與冷端熱電勢之差，是兩個結(jié)點的溫差Δt的函數(shù)：EAB（T，T0）=eAB（

T）-eAB（

T0

）熱電勢大致與兩個結(jié)點的溫差Δt成正比A(nA＞nB)BT0TeAB(T0)eAB(T)eAB(T)EAB（T，T0）(T＞T0)2/6/202313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(jié)點），發(fā)現(xiàn)放在回路中的指南針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，如果用兩盞酒精燈對兩個結(jié)點同時加熱，指南針的偏轉(zhuǎn)角反而減小。顯然，指南針的偏轉(zhuǎn)說明回路中有電動勢產(chǎn)生并有電流在回路中流動，電流的強弱與兩個結(jié)點的溫差有關(guān)。

2/6/202314第三節(jié)熱電偶的種類及結(jié)構(gòu)

一、熱電偶的種類1、八種國際通用熱電偶：B:鉑銠30—鉑銠6R:鉑銠13—鉑S:鉑銠10—鉑K:鎳鉻—鎳硅N:鎳鉻硅—鎳硅E:鎳鉻—銅鎳J:鐵—銅鎳T:銅—銅鎳用于制造鉑熱電偶的各種鉑熱電偶絲2/6/2023152、幾種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

1000C熱電勢/mVB鉑銠30－鉑銠650～1820C4.834R鉑銠13—鉑-50～1768C10.506S鉑銠10—鉑-50～1768C9.587K鎳鉻－鎳鉻(鋁)-270～1370C41.276E鎳鉻－銅鎳(康銅)－270～800C——?2/6/2023163、幾種常用熱電偶的熱電勢與溫度的關(guān)系曲線分析

N、K、E熱電偶的測溫上限較高

E、J、K、N熱電偶的靈敏度較高

R、S、B熱電偶的靈敏度較低多數(shù)熱電偶的線性較差國際計量委員會公布了分度表，所以多采用查表法。

因為繪制熱電勢-溫度曲線或制定分度表時，總是將冷端置于0℃這一規(guī)定環(huán)境中的緣故所有曲線均過原點。2/6/2023174、熱電偶的分度表

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(guān)系時的約束條件是：自由端（冷端）溫度必須為0C。

2/6/202318練習查K熱電偶的分度表：分別查出00C、1000C的熱電勢。

2/6/202319

設(shè)冷端為0C，根據(jù)以下電路中的毫伏表的示值及K熱電偶的分度表，查出熱端的溫度tx為7300C。t1AB00C接線盒1t2t3CuCuCuCutxux++--30mV2/6/2023205、八種國際通用熱電偶特性

表：八種國際通用熱電偶特性表名稱分度號測溫范圍/℃100℃時的熱電勢/mV1000℃的熱電勢/mV特點鉑銠30-鉑銠6①B50～18200.0334.834熔點高，測溫上限高，性能穩(wěn)定，準確度高，100℃以下熱電勢極小，所以可不必考慮冷端溫度補償；價昂，熱電勢小，線性差；只適用于高溫域的測量鉑銠13-鉑R-50～17680.64710.506

使用上限較高，準確度高，性能穩(wěn)定，復現(xiàn)性好；但熱電勢較小，不能在金屬蒸氣和還原性氣氛中使用，在高溫下連續(xù)使用時特性會逐漸變壞，價昂；多用于精密測量鉑銠10-鉑S-50～17680.6469.587

優(yōu)點同上；但性能不如R型熱電偶；長期以來曾經(jīng)作為國際溫標的法定標準熱電偶①鉑銠30表示該合金含70%的鉑及30%的銠，以下類推。2/6/202321鎳鉻-鎳硅K-270～13704.09641.276

熱電勢大，線性好，穩(wěn)定性好，價廉；但材質(zhì)較硬，在1000℃以上長期使用會引起熱電勢漂移；多用于工業(yè)測量鎳鉻硅-鎳硅N-270～13002.74436.256

是一種新型熱電偶，各項性能均比K型熱電偶好，適宜于工業(yè)測量鎳鉻-銅鎳（錳白銅）E-270～8006.319－熱電勢比K型熱電偶大50%左右線性好，耐高濕度，價廉；但不能用于還原性氣氛；多用于工業(yè)測量鐵-銅鎳（錳白銅）J-210～7605.269－

價格低廉，在還原性氣體中較穩(wěn)定；但純鐵易被腐蝕和氧化；多用于工業(yè)測量銅-銅鎳（錳白銅）T-270～4004.279－

價廉，加工性能好，離散性小，性能穩(wěn)定，線性好，準確度高；銅在高溫時易被氧化，測溫上限低；多用于低溫域測量?？勺?200～0℃溫域的計量標準2/6/202322二、結(jié)構(gòu)形式

1、普通裝配型熱電偶的外形安裝螺紋安裝法蘭2/6/202323普通裝配型

熱電偶的結(jié)構(gòu)

放大圖

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

2/6/2023242、鎧裝型熱電偶外形法蘭薄壁金屬保護套管（鎧體）

BA鎧裝型熱電偶橫截面絕緣材料A、B為兩電極2/6/202325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(nèi)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。2/6/2023263、薄膜型熱電偶結(jié)構(gòu)與外形

薄膜熱電偶是由兩種薄膜熱電極材料,用真空蒸鍍、化學凃?qū)拥绒k法蒸鍍到絕緣基板上面制成的一種特殊熱電偶。薄膜熱電偶的熱接點可以做得很?。杀〉?.01~0.1μm）,具有熱容量小,反應速度快等的特點,熱相應時間達到微秒級,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。12345BA+-冷端冷端1—工作端2—薄膜熱電極3—絕緣基地4—引腳接頭5—相同材料引出線2/6/2023274、（補充）隔爆型熱電偶外形厚壁保護管壓鑄的接線盒2/6/202328結(jié)構(gòu)特點：隔爆熱電偶的接線盒在設(shè)計時采用防爆的特殊結(jié)構(gòu)，它的接線盒是經(jīng)過壓鑄而成的，有一定的厚度、隔爆空間，機構(gòu)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(nèi)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(chǎn)廠、生產(chǎn)現(xiàn)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）。2/6/202329第四節(jié)熱電偶冷端的延長

實際測量時，熱電偶長度有限，冷端溫度直接受到被測物溫度和環(huán)境溫度的影響。工業(yè)中采用冷端延長的方法，使冷端遠離高溫區(qū)。如果將熱電偶做得太長、不經(jīng)濟，采用補償導線將冷端延長。一、可以證明：

補償導線在0～100C范圍內(nèi)的熱電勢與配套的熱電偶的熱電勢相等，所以不影響測量精度。二、補償導線的好處：（1）將自由端從溫度波動區(qū)延長到溫度穩(wěn)定區(qū)，使指示儀表的示數(shù)穩(wěn)定。（2）補償導線比使用相同長度的熱電極便宜許多。（3）補償導線用銅及銅合金制作，單位長度直流電阻比熱電極小得多，可以減小測量誤差。（4）補償導線用塑料做絕緣層，自身為柔軟的銅合金，易于彎曲，便于敷設(shè)。

2/6/202330三、補償導線的注意事項：（1）兩根補償導線與兩個熱電極接點必須有相同溫度（2）補償導線必須與相應的型號的熱電偶配用（3）必須在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)使用（4）極性切勿接反。型號配用熱電偶正-負導線外皮顏色正-負SC鉑銠10-鉑紅-綠KC鎳鉻-鎳硅紅-藍WC5/26鎢錸5-鎢錸26

紅-橙四、補償導線型號2/6/202331補償導線型號（續(xù)）型號配用熱電偶正-負導線外皮顏色正-負100C時的熱電勢/mVRCR（鉑銠13—鉑）紅-綠0.647NCN（鎳鉻硅—鎳硅）紅-黃2.744EXE鎳鉻—銅鎳）紅-棕6.319JXJ（鐵—銅鎳）紅-紫5.264TXT（銅—銅鎳）紅-白4.2792/6/202332五、補償導線外形

紅色A′棕色B′屏蔽層保護層2/6/202333第五節(jié)熱電偶的冷端溫度補償用熱電偶的分度表查毫伏數(shù)-溫度時，必須滿足t0=0C的條件。在實際測溫中，冷端溫度常隨環(huán)境溫度而變化，這樣t0不但不是0C，而且也不恒定，因此將產(chǎn)生誤差。一般情況下，冷端溫度均高于0C，熱電勢總是偏小。應想辦法消除或補償熱電偶的冷端損失。冷端溫度補償?shù)姆椒ㄒ?、冷端恒溫法?/p>

將熱電偶的冷端置于裝有冰水混合物的恒溫容器中，使冷端的溫度保持在0C不變。此法也稱冰浴法，它消除了t0不等于0C而引入的誤差，由于冰融化較快，所以一般只適用于實驗室中。2/6/202334冰浴法接線圖

1—被測流體管道2—熱電偶3—接線盒4—補償導線

5—銅質(zhì)導線6—毫伏表7—冰瓶8—冰水混合物

9—試管10—新的冷端

1、冰浴法

在冰瓶中，冰水混合物的溫度能較長時間地保持在0C不變。2/6/2023352、恒溫器法：

將熱電偶的冷端置于電熱恒溫器中，恒溫器的溫度略高于環(huán)境溫度的上限（例如40℃）。

3、空調(diào)法：

將熱電偶的冷端置于恒溫空調(diào)房間中，使冷端溫度恒定。

應該指出的是：

除了冰浴法是使冷端溫度保持0℃外，后兩種方法只是使冷端維持在某一恒定（或變化較?。┑臏囟壬?，因此后兩種方法仍必須采用下述幾種方法予以修正。

2/6/202336二、計算修正法

當熱電偶的冷端溫度t00C時，由于熱端與冷端的溫差隨冷端的變化而變化，所以測得的熱電勢EAB（t，t0）與冷端為0C時所測得的熱電勢EAB（t，0C）不等。若冷端溫度高于0C，則EAB（t，t0）<EAB（t，0C）?？梢岳孟率接嬎悴⑿拚郎y量誤差：

EAB（t，0C）=EAB（t，t0）+EAB（t0，0C）2/6/202337舉例說明例：用鎳鉻-鎳硅（K型）熱電偶測爐溫時，冷端溫度t0=30℃，在直流毫伏表上測得的熱電勢EAB（t，30℃）=38.505mV，試求爐溫為多少？解：查鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表，得到EAB（30℃，0℃）=1.203mV。EAB（t，0℃）=EAB（t，30℃）+EAB（30℃，0℃）=（38.505+1.203）mV=39.708mV反查K型熱電的偶分度表，得到t=960℃。該方法適用于熱電偶冷端溫度較恒定的情況。在智能化儀表中，查表及運算過程均可由計算機完成。2/6/202338三、儀表機械零點調(diào)整法

用螺絲刀調(diào)節(jié)儀表面板上的“機械零點”，使指針指到氣溫t0（圖中為40C）的刻度上，進行冷端補償，此法有一定誤差，簡單，工業(yè)中經(jīng)常用。機械零點2/6/202339四、電橋補償法

Rl,R2,R3一般由電阻溫度系數(shù)很小的錳銅扮繞制，阻值一般不隨溫度變化，Rt由溫度系數(shù)較大的銅線繞制，由穩(wěn)壓電源提供電橋電源。0℃時電橋平衡，R1=R2=R3=Rt,Uab=0，對測量無影響當環(huán)境溫度變化時，Rt阻值隨即變化，橋路失去平衡，此時Uab與熱電偶的熱電動勢E疊加，最后輸出,適當選擇橋路電阻，使Uab正好補償由于冷端溫度變化引起的熱電動勢變化值，即可使輸出端指示出正確溫度。此方法選配繁瑣，影響精度Rt-+ABabR1R2R3+-EABV2/6/202340電橋補償法

XT-WBC熱電偶冷端補償器。

電橋補償法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓來自動補償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢變化值。自動電子電位計、溫度變送器、數(shù)字式儀表等的測量電路已設(shè)置了冷端補償器，熱電偶與它們配套時不必另行配置冷端補償器。

2/6/202341五、半導體集成溫度傳感器測量冷端溫度

現(xiàn)在普遍使用半導體集成溫度傳感器來測量室溫。它具有體積小、集成度高、準確度高、線性好、輸出信號大、無需冷端補償、不需要進行溫度標定、熱容量小、外圍電路簡單等優(yōu)點。只要將它置于熱電偶冷端附近，將該傳感器的輸出電壓作簡單的換算，就能得到熱電偶的冷端溫度，從而用計算修正法進行冷端溫度補償。常用的集成溫度傳感器有：

AD590系列電流輸出型溫度傳感器、數(shù)字輸出型集成溫度傳感器LM74、專用熱電偶冷端溫度補償芯片MAX6675等。2/6/202342半導體集成溫度傳感器測量冷端溫度舉例AD590Rf=100KR2=20K+6V++--6V-RP=4.7K20K273uAUo=(0.1V/0C)半導體集成溫度傳感器的外形半導體集成溫度傳感器測量冷端溫度線路2/6/202343半導體集成溫度傳感器測量冷端溫度

電流輸出型的AD590集成溫度傳感器的冷端溫度。是兩線制器件，其測溫范圍-55—+1500C，靈敏度為1uA/K，00C時該器件的輸出電流為273uA。電阻Rl將電流轉(zhuǎn)換成電壓。由于輸出信號所以其輸出線即使長達200m，也不影響測量深度。若要達到與攝氏溫度成正比的電壓輸出，可以用運算放大器的反相加法電路實現(xiàn)。2/6/202344第六節(jié)熱電偶的應用及配套儀表

由于我國生產(chǎn)的熱電偶均符合ITS-90國際溫標所規(guī)定的標準，其一致性非常好，所以國家又規(guī)定了與每一種標準熱電偶配套的儀表，它們的顯示值為溫度，而且均已線性化。國家標準的動圈式顯示儀表命名為XC系列。有指示型（XCZ）和指示調(diào)節(jié)型（XCT）等系列品種。與K型熱電偶配套的動圈儀表型號為XCZ-101或XCT-101等。數(shù)字式儀表也有指示型（XMZ）和指示調(diào)節(jié)型（XMT）等幾種系列品種。

2/6/202345一、XCZ系列指針式顯示儀表

XC系列動圈式儀表測量機構(gòu)的核心部件是一個磁電式毫伏計。動圈式儀表與熱電偶配套測溫時，熱電偶、連接導線（補償導線）、調(diào)整電阻和顯示儀表組成了一個閉合回路。1—熱電偶2—補償導線3—冷端補償器4—外接調(diào)整電阻5—銅導線6—動圈7—張絲8—磁鋼（極靴）

9—指針10—刻度面板

2/6/202346二、XMZ系列智能數(shù)字顯示儀表

特點：

1、帶冷端溫度自動補償；2、單片機智能化設(shè)計，儀表零點、量程等全部參數(shù)可按鍵設(shè)定；3、具有軟件校驗功能，可通過按鍵對儀表進行校準；4、具有超量程指示、斷線指示等故障自診斷功能；5、采用開關(guān)電源，電壓適應范圍寬，儀表體積小、重量輕。6、220VAC或24VDC供電電源。2/6/202347XMZ系列智數(shù)字顯示儀表外形

2/6/202348XMT系列熱電偶智能數(shù)字顯示控制儀表的特點帶冷端溫度自動補償；具有超量程指示、斷線指示等故障自診斷功能；雙屏顯示、副屏顯示內(nèi)容可設(shè)定；最多可帶4路報警控制繼電器輸出；每個報警控制點的回差可設(shè)定；每個報警控制點的報警方式（上限報警或下限報警）可分別設(shè)定。2/6/202349其他與熱電偶的配套的儀表

數(shù)字式溫度顯示調(diào)節(jié)儀2/6/202350

DDZ－Ⅲ型電動單元組合儀表中的變送單元之一：軌裝式溫度變送器

它能將熱電偶（或熱電阻）的輸入信號線性地轉(zhuǎn)換成與溫度成比例的電流（電壓）信號，供給顯示、控制儀表及計算機集散系統(tǒng)，廣泛用于冶金、石油化工、熱電站、紡織、造紙等行業(yè)的測溫控制系統(tǒng)中。2/6/202351根據(jù)常用電路設(shè)備的要求接線利用XMT儀表組成熱電偶測溫、控溫電路

熱電偶2/6/202352380V線圈的交流接觸器連接過程

當溫度控制器測得的溫度達到設(shè)定值時，5-6兩端開路，交流接觸器失電，電爐回路被切斷。