模塊六熱電偶傳感器

本章學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容有:1、了解溫度測量的基本概念和方法；2、掌握熱電偶的工作原理，熟悉熱電偶的分類及特點(diǎn)；3、掌握熱電偶的冷端補(bǔ)償及方法，了解熱電偶的應(yīng)用及配套儀表。9/5/20251

一、溫度測量的基本概念

溫度標(biāo)志著物質(zhì)內(nèi)部大量分子無規(guī)則運(yùn)動的劇烈程度。溫度越高，表示物體內(nèi)部分子熱運(yùn)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(yùn)動速度比低溫時快！低溫高溫9/5/20252二、溫標(biāo)1、溫度的數(shù)值表示方法稱為溫標(biāo)。它規(guī)定了溫度的讀數(shù)的起點(diǎn)（即零點(diǎn)）以及溫度的單位。各類溫度計(jì)的刻度均由溫標(biāo)確定。

2、國際上規(guī)定的溫標(biāo)有：攝氏溫標(biāo)（℃）、華氏溫標(biāo)（oF）、熱力學(xué)溫標(biāo)（oK）等。

Θ=1.8t+32T=t+273.159/5/20253幾種溫標(biāo)的對比正常體溫為37

C

，相當(dāng)于華氏溫度多少度？9/5/20254熱力學(xué)溫標(biāo)（K）

熱力學(xué)溫標(biāo)是建立在熱力學(xué)第二定律基礎(chǔ)上的最科學(xué)的溫標(biāo)，是由開爾文（Kelvin）根據(jù)熱力學(xué)定律提出來的，因此又稱開氏溫標(biāo)。它的符號是T，單位是開爾文（K）。威廉·湯姆遜·開爾文勛爵像9/5/202551990國際溫標(biāo)(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(biāo)，簡稱ITS-90。它定義了一系列溫度的固定點(diǎn)，測量和重現(xiàn)這些固定點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)儀器以及計(jì)算公式，例如水的三相點(diǎn)為273.16K（0.01

C）等。

9/5/20256三、溫度測量及傳感器分類

按照用途可分為基準(zhǔn)溫度計(jì)和工業(yè)溫度計(jì)；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；按輸出方式分，有自發(fā)電型、非電測型等。

9/5/20257介紹幾種溫度測量方法

示溫涂料（變色涂料）裝滿熱水后圖案變得清晰可辨9/5/20258變色涂料在電腦內(nèi)部溫度中的示溫作用CPU散熱風(fēng)扇低溫時顯示藍(lán)色溫度升高后變?yōu)榧t色9/5/20259體積熱膨脹式

不需要電源，耐用；但感溫部件體積較大。

9/5/202510紅外溫度計(jì)9/5/202511熱電阻及熱敏電阻熱敏電阻銅熱電阻傳感器9/5/202512熱電偶

測溫儀9/5/2025139/5/202514

熱電偶可直接測量各種生產(chǎn)過程中的液體、蒸汽、氣體介質(zhì)及固體表面測溫。測量范圍極大，它適用于煉鋼爐、煉焦?fàn)t、熱處理爐等，也可用于液態(tài)氫、液態(tài)氮等低溫測量。熱電偶測溫的主要優(yōu)點(diǎn)

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、測溫范圍廣：下限可達(dá)-270

C

，上限可達(dá)1800

C以上；

3、各溫區(qū)中的熱電勢均符合國際計(jì)量委員會的標(biāo)準(zhǔn)。9/5/202515結(jié)論：當(dāng)兩個結(jié)點(diǎn)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）

單元一熱電偶傳感器的工作原理

左端稱為：測量端（工作端、熱端）

熱電極B熱電勢AB9/5/202516從實(shí)驗(yàn)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(diǎn)（稱為結(jié)點(diǎn)），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(diǎn)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(qiáng)弱與兩個結(jié)點(diǎn)的溫差有關(guān)。

9/5/202517微觀解釋及圖形符號

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(diǎn)處會發(fā)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象。自由電子將從密度大的金屬A擴(kuò)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(fù)電，從而產(chǎn)生熱電勢。

自由電子＋ABeAB（

T）T9/5/202518

熱電偶產(chǎn)生熱電勢等于熱端接觸熱電勢與冷端接觸熱電勢之差，是兩個結(jié)點(diǎn)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(diǎn)的溫差Δt

成正比。當(dāng)T0恒定時

，EAB（T，T0）=eAB

（T）-C，熱電勢即為熱端溫度的單值函數(shù)。9/5/202519

結(jié)論：

1）兩結(jié)點(diǎn)溫差越大，熱電勢越大；

2）必須由兩種不同材料才能構(gòu)成熱電偶；

3）熱電勢的大小只與組成熱電偶的導(dǎo)體材料和兩結(jié)點(diǎn)的溫差有關(guān)，而與熱電偶形狀、尺寸無關(guān)。

★中間溫度定律（為補(bǔ)償導(dǎo)線提供依據(jù)）熱電偶在兩結(jié)點(diǎn)溫度t，t0時的熱電勢等于該熱電偶在結(jié)點(diǎn)溫度t，tn和tn，

t0時相應(yīng)的熱電勢的代數(shù)和。

EAB（t，t0）=EAB（t，tn）+EAB（tn，t0）9/5/202520★中間導(dǎo)體定律若在熱電偶回路中插入第三種導(dǎo)體，只要第三種導(dǎo)體的兩結(jié)點(diǎn)溫度相同，則熱電偶回路的熱電勢不變。

實(shí)際應(yīng)用價值(1)斷開任何一個電極，可方便地在回路中接入測量儀表或調(diào)節(jié)器，而不影響實(shí)際熱電勢。

(2)熱電偶兩個電極不焊接，直接插入液態(tài)金屬測溫或直接焊接在金屬表面測溫。9/5/202521單元二熱電偶的材料、類型及結(jié)構(gòu)

八種國際通用熱電偶：

B:鉑銠30—鉑銠6

、R: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一、熱電偶的種類9/5/202522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

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－鎳硅-270～1370

C41.276E鎳鉻－銅鎳(康銅)－270～800

C——?5種熱電偶的測溫范圍與熱電勢各有什么特點(diǎn)？常用熱電偶的熱電勢與溫度的關(guān)系曲線

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(diǎn)（零度點(diǎn)）？9/5/202524二、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

我國按ITS-90標(biāo)準(zhǔn)，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0

C。

本教材p317的附錄E列出了工業(yè)中常用的鎳鉻-鎳硅（K）熱電偶的分度表。如何利用熱電偶的分度表

假設(shè)熱電偶的冷端溫度為0

C，請根據(jù)本教材p317的附錄E——工業(yè)中常用的鎳鉻-鎳硅（K）熱電偶的分度表，查出－100

C

、0

C、

100

C

時的熱電勢。數(shù)字式溫度表溫度上限設(shè)定值溫度上限值設(shè)定鍵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？如何由熱電偶的熱電勢查熱端溫度值

設(shè)冷端為0

C，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

。9/5/202528普通裝配型熱電偶的外形安裝螺紋安裝法蘭三、熱電偶的結(jié)構(gòu)9/5/202529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(hù)管

9/5/202530鎧裝型熱電偶外形法蘭鎧裝型熱電偶可長達(dá)上百米薄壁金屬保護(hù)套管（鎧體）

BA絕緣材料鎧裝型熱電偶橫截面9/5/202531鎧裝型熱電偶

鎧裝熱電偶的制造工藝：把熱電極材料與高溫絕緣材料預(yù)置在金屬保護(hù)管中、運(yùn)用同比例壓縮延伸工藝、將這三者合為一體的特殊結(jié)構(gòu)熱電偶。

鎧裝熱電偶可以制作得很細(xì)，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(diǎn)。

9/5/202532隔爆型熱電偶外形厚壁保護(hù)管壓鑄的接線盒電纜線9/5/202533隔爆型熱電偶

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：接線盒設(shè)計(jì)時采用防爆的特殊結(jié)構(gòu)，經(jīng)過壓鑄而成的，有一定的厚度、隔爆空間，