第六章熱電式傳感器第一頁，共六十一頁，2022年，8月28日教學(xué)基本要求和重點掌握有關(guān)熱電偶、熱電阻和熱敏電阻的基本概念掌握三類熱電式傳感器的基本工作原理掌握熱電偶的基本定律、基本類型、溫度補償方法、使用熱電偶的測溫方法掌握熱電阻的內(nèi)部引線方式及其適用場合掌握熱敏電阻的電阻－溫度特性會使用分度表第二頁，共六十一頁，2022年，8月28日先看一個實驗——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右端稱為：自由端（參考端、冷端）

第一節(jié)熱電偶溫度傳感器左端稱為：測量端（工作端、熱端）

熱電極B熱電勢AB第三頁，共六十一頁，2022年，8月28日一、熱電偶測溫原理熱電偶兩結(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

成正比第四頁，共六十一頁，2022年，8月28日從實驗到理論：熱電效應(yīng)

1821年，德國物理學(xué)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)（說明什么？），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（又說明什么？）

。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)。

第五頁，共六十一頁，2022年，8月28日（一）熱電勢的產(chǎn)生

兩種不同的金屬互相接觸時，由于不同金屬內(nèi)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(xiàn)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(chǎn)生熱電勢。

自由電子＋ABeAB（

T）T第六頁，共六十一頁，2022年，8月28日1、接觸電動勢接觸電勢溫差電勢若金屬A的自由電子濃度大于金屬B的，則在同一瞬間由A擴散到B的電子將比由B擴散到A的電子多，因而A對于B因失去電子而帶正電，B獲得電子而帶負電，在接觸處便產(chǎn)生電場。A、B之間便產(chǎn)生了一定的接觸電動勢。熱電勢EAB(T,T0)第七頁，共六十一頁，2022年，8月28日接觸電動勢的大小與兩種金屬的材料、接點的溫度有關(guān)，與導(dǎo)體的直徑、長度及幾何形狀無關(guān)。對于溫度為T的接點，有下列接觸電動勢公式：

上式說明接觸電動勢的大小與接點溫度的高低及導(dǎo)體中的電子密度有關(guān)。

第八頁，共六十一頁，2022年，8月28日

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，形成溫差電動勢，又稱湯姆森電動勢。2、溫差電動勢第九頁，共六十一頁，2022年，8月28日

溫差電動勢的大小取決于導(dǎo)體的材料及兩端的溫度。導(dǎo)體A兩端的溫差電動勢可用下式表示：EA（T，T0）——導(dǎo)體A兩端溫度分別為T、T0時形成的溫差電動勢；T、T0——高、低溫端的絕對溫度；σA——湯姆遜系數(shù)，表示導(dǎo)體A兩端的溫度差為1℃時所產(chǎn)生的溫差電動勢。同樣導(dǎo)體B兩端的溫差電動勢如下式所示：第十頁，共六十一頁，2022年，8月28日圖6-5熱電偶回路總熱電勢ABTT0EA(T,T0)EB(T,T0)EAB(T)EAB(T0)3、回路總電動勢第十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日第十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日由于在金屬中自由電子數(shù)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。NA（T）和NA

（T0）可記做NA，NB（T）和NB（T0）可記做NB

，則有在標定熱電偶時，一般使T0為常數(shù)，則第十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日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(guān)；與熱電偶的長度、粗細、形狀無關(guān)。熱電偶基本性質(zhì)：②只有用不同性質(zhì)的材料才能組合成熱電偶，相同材料不會產(chǎn)生熱電動勢。因為當A、B兩種導(dǎo)體是同一種材料時，ln（NA/NB）=0，所以EAB（T，T0）=0。第十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日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(chǎn)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(chǎn)生熱電動勢，即EAB（T，T0）=0。④導(dǎo)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(guān)。如果使eAB（T0）=常數(shù)，則回路熱電動勢EAB（T，T0）就只與溫度T有關(guān)，而且是T的單值函數(shù)，這就是利用熱電偶測溫的基本原理。第十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日BBATnTT0

AAB1、中間溫度定律熱電偶在兩接點溫度分別為T、T0時的熱電動勢等于該熱電偶在接點溫度分別為T、Tn和接點溫度分別為Tn、T0時的相應(yīng)熱電動勢的代數(shù)和。（二）熱電偶基本定律第十六頁，共六十一頁，2022年，8月28日證明：即：對于冷端溫度不是零度時，熱電偶為如何分度表的問題提供了依據(jù)。第十七頁，共六十一頁，2022年，8月28日

當Tn=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(guān)系已知，則它在冷端溫度不為零時的熱電動勢即可知。第十八頁，共六十一頁，2022年，8月28日中間溫度定律表明：當在原來熱電偶回路中分別引入與導(dǎo)體材料A、B相同熱電特性的材料C、D即引入所謂補償導(dǎo)線時，只要它們之間連接的兩點溫度相同，則總回路的熱電動勢與兩連接點溫度無關(guān)，只與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。第十九頁，共六十一頁，2022年，8月28日2、中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體C，只要第三種導(dǎo)體的兩接點溫度相同，則回路中總的熱電動勢不變。右圖回路中的總電動勢為：T0T0BTAC（6-11）第二十頁，共六十一頁，2022年，8月28日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：即代入式（6－11）則第二十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日如果按右圖接入第三種導(dǎo)體C，則回路中的總電動勢為：T1CT0T1TBA而所以第二十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日從1988年1月1日起，我國熱電偶和熱電阻的生產(chǎn)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(shè)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(chǎn)和使用。二、熱電偶的種類與結(jié)構(gòu)（一）標準型熱電偶第二十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日(1)鉑銠30-鉑銠6熱電偶（分度號B）它的正極是鉑銠絲(鉑70%，銠30%)，負極也是鉑銠絲(鉑94%，銠6%)，俗稱雙鉑銠。測量溫度最高長期可達1600℃，短期可達1800℃。優(yōu)點是材料性能穩(wěn)定，測量精度高，測溫上限高。缺點是在還原性氣體中易被侵蝕，成本高。第二十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日鉑——pt78，性軟，易受機械處理，溶點1772°C，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，但溶于王水（硝酸和鹽酸1：3混合）。鉑族元素：釕、鋨、銠、銥、鈀、鉑，溶點都在1500°C以上，性質(zhì)穩(wěn)定，在自然界中多以游離態(tài)存在。金——AU79，延展性強，比重19.32,熔點1064°C，在空氣中極穩(wěn)定，不溶于酸或堿，溶于王水及氯化鉀、氯化鈉溶液中。第二十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日(2)鉑銠10-鉑熱電偶（分度號S）正極是鉑銠絲(鉑90%，銠l0%)，負極是純鉑絲。測量溫度最高長期可達1300℃，短期可達1600℃，一般用來測量1000℃以上的高溫。優(yōu)點是材料性能穩(wěn)定；測量準確度較高，可做成標準熱電偶或基準熱電偶；抗氧化性強，宜在氧化性、惰性氣氛中工作。第二十六頁，共六十一頁，2022年，8月28日缺點是在高溫還原性氣體中（如氣體中含CＯ、H2等）易被侵蝕，需要用保護套管；另外其熱電極材料屬貴金屬，成本較高，熱電勢也較弱。國際溫標中規(guī)定它為630.74~1064.43℃溫度范圍內(nèi)復(fù)現(xiàn)溫標的標準儀器。第二十七頁，共六十一頁，2022年，8月28日正極是鎳鉻合金(88.4～89.7％鎳、9～10％鉻，0.6％硅，0.3％錳，0.4～0.7％鈷)，負極為鎳硅(鎳95.7～97％鎳,2～3％硅,0.4～0.7％鈷)。測溫范圍為-200~+1300℃。優(yōu)點是測溫范圍很寬、熱電動勢與溫度關(guān)系近似線性、熱電動勢大、高溫下抗氧化能力強、價格低，所以在工業(yè)上應(yīng)用廣泛。(3)鎳鉻-鎳硅熱電偶（分度號K）第二十八頁，共六十一頁，2022年，8月28日缺點是熱電動勢的穩(wěn)定性和精度較B型或S型熱電偶差，在還原性氣體和含有SO2、H2S等氣體中易被侵蝕。測量溫度長期可達1000℃，短期可達1300℃。(4)鎳鉻-銅鎳熱電偶（分度號E）正極是鎳鉻合金，負極是銅鎳合金(銅55%，鎳45%)。測溫范圍為-200~+1000℃。優(yōu)點是熱電動勢較其他常用熱電偶大。適宜在氧化性或惰性氣氛中工作。第二十九頁，共六十一頁，2022年，8月28日正極是鐵，負極是銅鎳合金。測溫范圍為-200℃~+1300℃。其特點是價格低、熱電動勢較大（僅次于E型熱電偶）、靈敏度高（約為53μV/℃）、線性度好、價格便宜，可在800℃以下的還原介質(zhì)中使用。主要缺點是鐵極易氧化。(5)鐵-銅鎳熱電偶（分度號J）第三十頁，共六十一頁，2022年，8月28日正極是銅，負極是銅鎳合金，測溫范圍為-200℃~+400℃，熱電勢略高于鎳鉻-鎳硅熱電偶，約為43μV/℃。優(yōu)點是精度高、復(fù)現(xiàn)性好、穩(wěn)定性好、價格便宜。缺點是銅極易氧化，故在氧化性氣氛中使用時，一般不能超過300℃。(6)銅-銅鎳熱電偶（分度號T）在0~-100℃范圍內(nèi)，銅-銅鎳熱電偶已被定為三級標準熱電偶，用以檢測低溫儀表的精度，誤差不超過0.1℃。第三十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日熱電偶類別代號分度號測溫范圍允許誤差鉑銠30-鉑銠6WRRLL-2或B0～1800℃≤800℃，±4.0℃>800℃±0.5%t鉑銠10-鉑WRPLB-3或S0～1600℃≤600℃，±3.0℃>600℃±0.5%t鎳鉻-鎳硅WRNEU-2或K

0～1300℃≤400℃，±3.0℃>400℃±0.75%t鎳鉻-考銅

鎳鉻-銅鎳WRK

WREEA-2或E0～800℃

0～1000℃≤300℃，±3.0℃>300℃±1.0%t幾種常用熱電偶的測溫范圍及精確度第三十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日幾種常用熱電偶的熱電勢與溫度的關(guān)系曲線分析

哪幾種熱電偶的測溫上限較高？

結(jié)論：哪幾種熱電偶的線性較差？

哪一種熱電偶的靈敏度較高？

哪一種熱電偶的靈敏度較低？為什么所有的曲線均過原點（零度點）？第三十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日①銥和銥合金熱電偶：如銥50銠—銥10釕、銥銠40-銥、銥銠60-銥熱電偶。它能在氧化環(huán)境中測量高達2100℃的高溫，且熱電動勢與溫度關(guān)系線性好。2.非標準型熱電偶第三十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日②鎢錸熱電偶：60年代發(fā)展起來的，是目前一種較好的高溫熱電偶，可使用在真空惰性氣體介質(zhì)或氫氣介質(zhì)中，但高溫抗氧能力差。國產(chǎn)鎢錸3-鎢錸25、鎢錸-鎢錸20熱電偶使用溫度范圍在300～2000℃，分度精度為1％。主要用于鋼水連續(xù)測溫、反應(yīng)堆測溫等場合。第三十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日③金鐵—鎳鉻熱電偶：主要用在低溫測量，可在2～273K范圍內(nèi)使用，靈敏度約為10μV／℃。④鈀—鉑銥15熱電偶：是一種高輸出性能的熱電偶，在1398℃時的熱電勢為47.255mV，比鉑銠10—鉑熱電偶在同樣溫度下的熱電勢高出3倍，因而可配用靈敏度較低的指示儀表，常應(yīng)用于航空工業(yè)。第三十六頁，共六十一頁，2022年，8月28日

為了適應(yīng)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。

（三）熱電偶的結(jié)構(gòu)型式第三十七頁，共六十一頁，2022年，8月28日1.普通型圖6-9工業(yè)用裝配式熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖接線盒保險套管絕緣套管熱電偶絲第三十八頁，共六十一頁，2022年，8月28日

優(yōu)點：測溫端熱容量小，動態(tài)響應(yīng)快；機械強度高，撓性好，可安裝在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝置上。2、鎧裝型熱電偶第三十九頁，共六十一頁，2022年，8月28日3．快速反應(yīng)薄膜熱電偶用真空蒸鍍等方法使兩種熱電極材料蒸鍍到絕緣板上而形成薄膜裝熱電偶。其熱接點極薄(0.01～0.lμm)。4123快速反應(yīng)薄膜熱電偶1—熱電極;2—熱接點;3—絕緣基板;4—引出線特別適用于對壁面溫度的快速測量。安裝時,用粘結(jié)劑將它粘結(jié)在被測物體壁面上。尺寸為60×6×0.2mm;測溫范圍在300℃以下；反應(yīng)時間僅為幾ms。第四十頁，共六十一頁，2022年，8月28日4．快速消耗微型熱電偶

可測鋼水的溫度。用直徑為Φ0.05～0.lmm的鉑銠10一鉑銠30熱電偶裝在U型石英管中，再鑄以高溫絕緣水泥，外面再用保護鋼帽所組成。14235678911101—剛帽；2—石英；3—紙環(huán)；4—絕熱泥；5—冷端；6—棉花；7—絕緣紙管；8—補償導(dǎo)線；9—套管；10—塑料插座；11—簧片與引出線第四十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日三、熱電偶冷端溫度補償熱電偶分度表和根據(jù)分度表刻度的顯示儀器都要求冷端溫度恒定為0℃，否則將產(chǎn)生測量誤差。然而在實際應(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)境溫度波動的影響，冷端溫度很難保持穩(wěn)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，進行冷端溫度補償。第四十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日熱電偶一般做得較短，一般為350～2000mm。在實際測溫時，需要把熱電偶輸出的電勢信號傳輸?shù)竭h離現(xiàn)場數(shù)十米遠的控制室里的顯示儀表或控制儀表，這樣,冷端溫度t0比較穩(wěn)定。（一）補償導(dǎo)線

解決辦法：工程中采用一種補償導(dǎo)線。在0～100℃溫度范圍內(nèi)，要求補償導(dǎo)線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。解決辦法：工程中采用一種補償導(dǎo)線。第四十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日表6-2常用補償導(dǎo)線

第四十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日如何由熱電偶的熱電勢查熱端溫度值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，并將不同溫度下測得的結(jié)果列成表格，編制出熱電勢與溫度的對照表，即分度表。供查閱使用，每10℃分檔。中間值按內(nèi)插法計算。第四十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日熱電偶的分度表

——熱電偶的線性較差，多數(shù)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(yīng)的分度表，并且有相應(yīng)的線性化集成電路與之對應(yīng)。

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。

本教材p84～86的表6－5列出了工業(yè)中常用的熱電偶如鎳鉻-鎳硅（K）的分度表。第四十六頁，共六十一頁，2022年，8月28日K熱電偶的分度表

比較查出的3個熱電勢，可以看出熱電勢是否線性？第四十七頁，共六十一頁，2022年，8月28日如何由熱電偶的熱電勢查熱端溫度值

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。第四十八頁，共六十一頁，2022年，8月28日1、計算修正法當冷端溫度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)

（二）冷端溫度校正法配用補償導(dǎo)線，將冷端延伸至溫度基本恒定的地方，但新冷端若不恒為0℃，配用按分度表刻度的溫度顯示儀表，必定會引起測量誤差，必須予以校正。第四十九頁，共六十一頁，2022年，8月28日

例子

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33.29mV,求加熱爐溫度。解：查鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表得EAB（30，0）1.203mV。可得EAB（t，0）=EAB(t,t0)+EAB(t0,0)=33.29+1.203=34.493mV由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表得t=829.8℃。第五十頁，共六十一頁，2022年，8月28日2、機械零位調(diào)整法

當熱電偶通過補償導(dǎo)線連接顯示儀表時，如果熱電偶冷端溫度不是0℃，但十分穩(wěn)定（如恒溫車間或有空調(diào)的場所），可預(yù)先將有零位調(diào)整器的顯示儀表的指針從刻度的初始值調(diào)至已知的冷端溫度值上，這時顯示儀表的示值即為被測量的實際溫度值。數(shù)字式溫度表溫度設(shè)定值溫度值設(shè)定鍵第五十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日

將熱電偶的冷端置于冰點槽內(nèi)(冰水混合物)，使冷端溫度處于0℃，如下圖所示。為了避免冰水導(dǎo)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。這種裝置通常用于實驗室或精密的溫度測量。(三)冰點槽法第五十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日mVABT銅導(dǎo)線銅導(dǎo)線試管補償導(dǎo)線熱電偶冰點槽冰水溶液T0儀表補償導(dǎo)線圖：冰浴法第五十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日四、電橋補償（又稱冷端補償器）法圖6-10補償電橋T0I2I1+ERSRTR3R1R2－ATT0BU

電橋補償法利用不平衡電橋產(chǎn)生不平衡電勢來補償因冷端溫度變化而引起的熱電勢變化值，可以自動地將冷端溫度校正到補償電橋的平衡點溫度上。右圖中RT為補償電阻。第五十四頁，共六十一頁，2022年，8月