第五章热电偶传感器

1、2021-4-28第五章热电偶传感器1 第九章第九章 热电偶传感器及其应用热电偶传感器及其应用 本章学习的主要内容有本章学习的主要内容有: 1、了解温度测量的基本概念和方法；、了解温度测量的基本概念和方法； 2、理解热电偶的工作原理；、理解热电偶的工作原理； 热电偶的分类及特点；热电偶的分类及特点； 3、热电偶的冷端补偿和测温电路。、热电偶的冷端补偿和测温电路。 4、热电偶的应用及配套仪表。、热电偶的应用及配套仪表。 2021-4-28第五章热电偶传感器2 温度标志着物质内部温度标志着物质内部 大量分子无规则运动大量分子无规则运动 的剧烈程度。温度越的剧烈程度。温度越 高，表示物体内部分高，表

2、示物体内部分 子热运动越剧烈。子热运动越剧烈。 模拟图：在一个密闭的空间里，气体分模拟图：在一个密闭的空间里，气体分 子在高温时的运动速度比低温时快子在高温时的运动速度比低温时快. 低温低温 高温高温 温度测量的基本概念温度测量的基本概念 2021-4-28第五章热电偶传感器3 温度是表征物体冷热程度的物理量。它反映温度是表征物体冷热程度的物理量。它反映 物体内部各分子运动平均动能的大小。物体内部各分子运动平均动能的大小。 温度可以利用物体的某些物理性质（电阻、温度可以利用物体的某些物理性质（电阻、 电势、等）随着温度变化的特征进行测量。电势、等）随着温度变化的特征进行测量。 测量方法按作用原

3、理分接触式和非接触式。测量方法按作用原理分接触式和非接触式。 接触式传感器接触温度场，二者进行热交换接触式传感器接触温度场，二者进行热交换 （热电偶、热电阻温度传感器）。（热电偶、热电阻温度传感器）。 测温范围在测温范围在-250-25018001800度，适用于远距离度，适用于远距离 多点测量。多点测量。 2021-4-28第五章热电偶传感器4 非接触式测温方法是应用物体的热辐射能量随温非接触式测温方法是应用物体的热辐射能量随温 度的变化而变化的原理。度的变化而变化的原理。 物体辐射能量的大小与温度有关物体辐射能量的大小与温度有关, , 当选择合适的当选择合适的 接收检测装置时接收检测装置时

4、, , 便可测得被测对象发出的热辐射便可测得被测对象发出的热辐射 能量并且转换成可测量和显示的各种信号能量并且转换成可测量和显示的各种信号, , 实现温实现温 度的测量。度的测量。 这类测温方法的温度传感器主要有光电高温传感这类测温方法的温度传感器主要有光电高温传感 器、红外辐射温度传感器、光纤高温传感器等。器、红外辐射温度传感器、光纤高温传感器等。 测量范围测量范围60060060006000度。度。 2021-4-28第五章热电偶传感器5 介绍几种温度测量方法介绍几种温度测量方法 示温涂料（变色涂料）示温涂料（变色涂料） 装满热水后图案变装满热水后图案变 得清晰可辨得清晰可辨 2021-4

5、-28第五章热电偶传感器6 变色涂料在电脑内部温度中的示温作用变色涂料在电脑内部温度中的示温作用 CPU散散 热风扇热风扇 低温时显示低温时显示 蓝色蓝色 温度升高后变为红色温度升高后变为红色 2021-4-28第五章热电偶传感器7 体积体积热膨胀式热膨胀式 不需要电源，耐用；但不需要电源，耐用；但 感温部件体积较大。感温部件体积较大。 气体的体积与气体的体积与 热力学温度成正比热力学温度成正比 2021-4-28第五章热电偶传感器8 红外温度计红外温度计 2021-4-28第五章热电偶传感器9 热电偶测温的主要优点热电偶测温的主要优点 1、它属于自发电型传感器：测量时可以不需、它属于自发电型

6、传感器：测量时可以不需 外加电源，可直接驱动动圈式仪表；外加电源，可直接驱动动圈式仪表； 2、测温范围广：下限可达、测温范围广：下限可达-270 C C ，上限可达，上限可达 18001800 C C以上；以上； 3、各温区中的热电势均符合国际计量委员会、各温区中的热电势均符合国际计量委员会 的标准。的标准。 2021-4-28第五章热电偶传感器10 先看一个实验先看一个实验热电偶工作原理演示热电偶工作原理演示： 结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。 热电极热电极A A 右端称为：右端称为： 自由端自由端 （参考（参考 端、冷端、

7、冷 端）端） 第一节第一节 热电偶的工作原理热电偶的工作原理 左端称为：左端称为： 测量端测量端 （工作（工作 端、热端、热 端）端） 热电极热电极B B 热电势热电势 A B 2021-4-28第五章热电偶传感器11 通过以上演示得出结论通过以上演示得出结论 有关热电偶热电势的讨论有关热电偶热电势的讨论 热电偶两结点所产生的总的热电势等于热端热电势热电偶两结点所产生的总的热电势等于热端热电势 与冷端热电势之差，是两个结点的温差与冷端热电势之差，是两个结点的温差t t 的函数：的函数： EAB（T，T0）=eAB （ T T ）- - eAB （ T T0 ） 热电势大致与热电势大致与两个结点

8、的温差两个结点的温差t t 成正比。成正比。 2021-4-28第五章热电偶传感器12 从实验到理论：从实验到理论：热电效应热电效应 18211821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组 成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称 为结点），发现放在回路中的指针发生偏转（说明为结点），发现放在回路中的指针发生偏转（说明 什么？），如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，什么？），如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热， 指针的偏转角反而减小（又说明什么？）。指针的偏转角反而减小（又说明什么？）。 显然，指针的偏转说明

9、回路中有电动势产生并有显然，指针的偏转说明回路中有电动势产生并有 电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差 有关。有关。 2021-4-28第五章热电偶传感器13 一、工作原理一、工作原理 1 1热电效应热电效应 如图所示，将两种不同材料的导体串接成一个闭合如图所示，将两种不同材料的导体串接成一个闭合 回路。如果两接合点的温度不同回路。如果两接合点的温度不同(TT(TT0 0) )，则在两者间，则在两者间 将产生电动势将产生电动势( (热电势热电势) )，而在回路中就会有一定大小，而在回路中就会有一定大小 的电流，这种现象称为热电效应或塞贝克效应

10、。的电流，这种现象称为热电效应或塞贝克效应。 又两种不同材料的导体组又两种不同材料的导体组 成的回路称为成的回路称为”热电偶热电偶”， 组成热电偶的导体称为组成热电偶的导体称为 “热电极热电极”。 2021-4-28第五章热电偶传感器14 如图所示，导体如图所示，导体A A因失因失 去电子而带正电，导去电子而带正电，导 体体B B则因获得电子而带则因获得电子而带 负电，在接触面处形负电，在接触面处形 成电场。成电场。 由于两种不同导体的自由电子密度不同，在接由于两种不同导体的自由电子密度不同，在接 触处会发生自由电子的扩散形成的电动势。触处会发生自由电子的扩散形成的电动势。 2 2接触电动势接

11、触电动势 2021-4-28第五章热电偶传感器15 该电场的存在阻碍了电子的继续扩散，当电子扩散该电场的存在阻碍了电子的继续扩散，当电子扩散 达到动态平衡时，就在接触区形成一个稳定的电位达到动态平衡时，就在接触区形成一个稳定的电位 差，即接触电动势，其大小为：差，即接触电动势，其大小为： B A AB n n e kT Teln T T 接触处的绝接触处的绝 对温度；对温度； k k 波尔兹曼常波尔兹曼常 数（数（k = 1.38k = 1.381010- - 2323J/K J/K） e e 电子电荷（电子电荷（e e = 1.6= 1.61010-19 -19C C） ） 接触电动势的数值

12、取决于两种导体的性质和接接触电动势的数值取决于两种导体的性质和接 触点的温度，而与导体的形状及尺寸无关。触点的温度，而与导体的形状及尺寸无关。 2021-4-28第五章热电偶传感器16 高温端的自由电子具高温端的自由电子具 有较大的动能而向低温有较大的动能而向低温 端扩散，因而导致导体端扩散，因而导致导体 的的高温端因失去电子而高温端因失去电子而 带正电，低温端由于获带正电，低温端由于获 得电子而带负电。得电子而带负电。 是在同一导体中，由于温度不同而产生的一种电动势。是在同一导体中，由于温度不同而产生的一种电动势。 3 3同一导体中的温差电动势同一导体中的温差电动势 2021-4-28第五章

13、热电偶传感器17 上述运动就形成一个静电场，该静电场阻止电子继上述运动就形成一个静电场，该静电场阻止电子继 续向低温端迁移，最后达到动态平衡。因此续向低温端迁移，最后达到动态平衡。因此, 在导体在导体 两端便形成温差电势两端便形成温差电势, 其大小由下面公式给出：其大小由下面公式给出： T T AA dTTTe 0 0 , A ：汤姆逊系数，表示导体：汤姆逊系数，表示导体A A两端的温度差为两端的温度差为11时所产时所产 生的温差电动势。生的温差电动势。 温差电动势：温差电动势： 2021-4-28第五章热电偶传感器18 dT N N e kT N N e kT TTeTTeTeTeTTE T

14、 T AB BT AT BT AT ABABABAB 0 0 00 0000 lnln , 热电偶回路中总的热电势应是接触电势与温差电势热电偶回路中总的热电势应是接触电势与温差电势 之和：之和： 2021-4-28第五章热电偶传感器19 在总热电势中在总热电势中, , 温差电势比接触电势小很多温差电势比接触电势小很多, , 在精度要求在精度要求 不高的情况下不高的情况下, , 热电偶的热电势可近似表示为：热电偶的热电势可近似表示为： AB(T, T0) eAB(T) -eAB(T0) 对于已选定的热电偶对于已选定的热电偶, , 当参考端温度当参考端温度T T0 0恒定时恒定时, e, eAB

15、AB(T (T0 0) ) 为为 常数常数, , 则总的热电动势就只与温度则总的热电动势就只与温度T T成单值函数关系成单值函数关系, , 即：即： AB(T, T0) =EAB(T)-c=f(T) 实际应用中实际应用中, , 热电势与温度之间关系是通过热电偶分度表热电势与温度之间关系是通过热电偶分度表 来确定的。分度表是在参考端温度为来确定的。分度表是在参考端温度为00时时, , 通过实验建立通过实验建立 起来的热电势与工作端温度之间的数值对应关系。起来的热电势与工作端温度之间的数值对应关系。 2021-4-28第五章热电偶传感器20 热电偶回路的几点结论热电偶回路的几点结论： 如果构成热电

16、偶的两个热电极为材料相同的均质导体，如果构成热电偶的两个热电极为材料相同的均质导体， 则无论两结点温度如何，热电偶回路内的总热电势为零。则无论两结点温度如何，热电偶回路内的总热电势为零。 必须采用两种不同的材料作为热电极。必须采用两种不同的材料作为热电极。 如果热电偶两结点温度相等，热电偶回路内的总电如果热电偶两结点温度相等，热电偶回路内的总电 势亦为零。两结点温度不同。势亦为零。两结点温度不同。 热电偶热电偶ABAB的热电势与的热电势与A A、B B材料的中间温度无关，只材料的中间温度无关，只 与结点温度有关。与结点温度有关。 起主要作用的是两个结点的接触电动势起主要作用的是两个结点的接触电

17、动势 。 2021-4-28第五章热电偶传感器21 二、二、 热电偶定律热电偶定律 1 1中间导体定律中间导体定律 在热电偶回路中接入第三在热电偶回路中接入第三 种材料的导体，只要第三种材料的导体，只要第三 种导体两端的温度相等，种导体两端的温度相等， 则对热电偶回路总的热电则对热电偶回路总的热电 动势无影响。动势无影响。 利用热电偶进行测温利用热电偶进行测温, , 必须在回路中引入连接导线必须在回路中引入连接导线 和仪表和仪表, ,请问请问：接入导线和仪表后会不会影响回路中接入导线和仪表后会不会影响回路中 的热电势呢？的热电势呢？ 2021-4-28第五章热电偶传感器22 )()()()()

18、()(),( 21200121 tEtEtEtEtEtEttE ABABABBCBCABAB 在热电偶回路中接入第三种材料的导线，只在热电偶回路中接入第三种材料的导线，只 要这第三种材料的导体两端温度相同，第三要这第三种材料的导体两端温度相同，第三 种材料导线的引入不会影响热电偶的热电动种材料导线的引入不会影响热电偶的热电动 势，这一性质称为势，这一性质称为中间导体定律中间导体定律。 2021-4-28第五章热电偶传感器23 2 2中间温度定律中间温度定律 00 ,TTETTETTE nABnABAB 实际测温时，由于热电偶的长度有限，自由端实际测温时，由于热电偶的长度有限，自由端 （参考端）

19、温度将直接受到被测介质温度和周围环（参考端）温度将直接受到被测介质温度和周围环 境的影响；采用补偿导线，可将热电偶的自由端延境的影响；采用补偿导线，可将热电偶的自由端延 伸到远离高温区的地方，从而使自由端的温度相对伸到远离高温区的地方，从而使自由端的温度相对 稳定。稳定。 注意注意 两根补偿导线与热电偶两个热电极的接点必须具有两根补偿导线与热电偶两个热电极的接点必须具有 相同的温度。相同的温度。 补偿导线只能与相应型号的热电偶配用补偿导线只能与相应型号的热电偶配用 ( (表表5-1)5-1)。 2021-4-28第五章热电偶传感器24 3 3参考电极定律参考电极定律（标准电极定律） 当结点温度

20、为当结点温度为t, tt, t0 0时，用导体时，用导体A A，B B组成的热电偶的热组成的热电偶的热 电动势等于电动势等于ACAC热电偶和热电偶和CBCB热电偶的热电动势的代数和。热电偶的热电动势的代数和。 000 ,ttEttEttE BCACAB 在实际应用中，由于在实际应用中，由于 纯铂丝的物理化学性纯铂丝的物理化学性 能稳定、熔点高、易能稳定、熔点高、易 提纯，所以目前常用提纯，所以目前常用 纯铂丝作为标准电极纯铂丝作为标准电极 (C(C极极) )。 参考电极 2021-4-28第五章热电偶传感器25 休休 息息 一一 下下 2021-4-28第五章热电偶传感器26 理论上讲理论上讲

21、, , 任何两种不同材料的导体都可以组成任何两种不同材料的导体都可以组成 热电偶热电偶, , 但为了准确可靠地测量温度但为了准确可靠地测量温度, , 对组成热电对组成热电 偶的材料必须经过严格的选择。偶的材料必须经过严格的选择。 工程上用于热电偶的材料应满足以下条件工程上用于热电偶的材料应满足以下条件: : 热电热电 势变化尽量大势变化尽量大, , 热电势与温度关系尽量接近线性关热电势与温度关系尽量接近线性关 系系, , 物理、化学性能稳定物理、化学性能稳定, , 易加工易加工, , 复现性好复现性好, , 便便 于成批生产。于成批生产。 实际上并非所有材料都能满足上述要求。目前在实际上并非所

22、有材料都能满足上述要求。目前在 国际上被公认比较好的热电材料只有几种。国际上被公认比较好的热电材料只有几种。 第二节第二节 热电偶的种类和结构热电偶的种类和结构 2021-4-28第五章热电偶传感器27 目前工业上常用的有四种标准化热电偶目前工业上常用的有四种标准化热电偶 1.1.铂铑铂铑10 10铂热电偶（ 铂热电偶（S S） 2.2.镍铬镍硅热电偶（镍铬镍硅热电偶（K K） 3.3.镍铬考铜热电偶（镍铬考铜热电偶（E E） 4.4.铂铑铂铑30 30 铂铑铂铑6 6热电偶（热电偶（B B） 一、常用热电偶简介一、常用热电偶简介 2021-4-28第五章热电偶传感器28 1）铂铑铂铑10铂热

23、电偶（铂热电偶（S） 可在可在1300以下的范围内长期使用，短期可以下的范围内长期使用，短期可 测量测量1600的高温。的高温。 优点：复制精度和测量的准确性高，可用于精优点：复制精度和测量的准确性高，可用于精 密温度测量或作为基准热电偶。密温度测量或作为基准热电偶。 缺点：热电动势较弱，在高温时易受还原性气缺点：热电动势较弱，在高温时易受还原性气 体腐蚀。而且铂铑体腐蚀。而且铂铑10铂热电偶的材料属于贵铂热电偶的材料属于贵 金属，成本较高。金属，成本较高。 2021-4-28第五章热电偶传感器29 2）镍铬镍硅（镍铝）热电偶（）镍铬镍硅（镍铝）热电偶（K） 可在氧化性或中性介质中长时间地测量

24、可在氧化性或中性介质中长时间地测量900以以 下的温度，短期测量可达下的温度，短期测量可达1200 。 优点：复制性好，热电势较大，价格便宜。优点：复制性好，热电势较大，价格便宜。 缺点：在还原性介质中易受腐蚀，测量精度偏低。缺点：在还原性介质中易受腐蚀，测量精度偏低。 2021-4-28第五章热电偶传感器30 3）镍铬考铜热电偶（）镍铬考铜热电偶（E） 适用于还原性或中性介质，长期测量温度不超过适用于还原性或中性介质，长期测量温度不超过 600以下的温度，短期测量可达以下的温度，短期测量可达800 。 优点：热电灵敏度高，价格便宜。优点：热电灵敏度高，价格便宜。 缺点：测温范围窄而低，考铜合

25、金丝易受氧化而缺点：测温范围窄而低，考铜合金丝易受氧化而 变质。变质。 2021-4-28第五章热电偶传感器31 4）铂铑）铂铑30铂铑铂铑6热电偶（热电偶（B） 可长期测量可长期测量1600的高温，短期可测量的高温，短期可测量1800的的 高温。高温。 优点：性能稳定，精度高，适用于氧化性和中性介优点：性能稳定，精度高，适用于氧化性和中性介 质中使用。质中使用。 缺点：它产生的热电势小，价格高。缺点：它产生的热电势小，价格高。 2021-4-28第五章热电偶传感器32 铂铑铂铑10铂热电偶铂热电偶 1300 镍铬镍铬镍硅（镍铬镍硅（镍铬镍铝镍铝 ）热电偶）热电偶 900 镍铬镍铬考铜热电偶考

26、铜热电偶 600 铂铑铂铑30铂铑铂铑6热电偶热电偶 1600 常用的镍铬一镍硅（常用的镍铬一镍硅（K K）热电偶的分度表（课本）热电偶的分度表（课本197197 页附录页附录D D）。）。( (电偶的热电动势与温度的对照表电偶的热电动势与温度的对照表 ) ) 几种常见标准热电偶的温度与电动势特性曲线几种常见标准热电偶的温度与电动势特性曲线 2021-4-28第五章热电偶传感器33 八种国际通用热电偶：八种国际通用热电偶： B:B:铂铑铂铑30 30铂铑 铂铑6 6 、 R:R:铂铑铂铑13 13铂 铂 、 S:S:铂铑铂铑10 10铂 铂 、 K:K:镍铬镍铬镍硅镍硅 、 N:N:镍铬硅镍铬

27、硅镍硅、镍硅、 E:E:镍铬镍铬铜镍、铜镍、 J:J:铁铁铜镍铜镍 、 T:T:铜铜铜镍。铜镍。 用于制造用于制造铂铂热电偶热电偶 的各种的各种铂铂热电偶丝热电偶丝 2021-4-28第五章热电偶传感器34 几种常用热电偶的测温范围及热电势几种常用热电偶的测温范围及热电势 分度号分度号 名称名称 测量温度范围测量温度范围 1000 C 热电势热电势/ mV B铂铑铂铑30 30铂铑 铂铑6 6501820 C C4.8344.834 R铂铑铂铑13 13铂 铂-501768 C C10.50610.506 S铂铑铂铑10 10铂 铂-501768 C C9.5879.587 K镍铬镍铬镍铬镍铬

28、 (铝铝) -2701370 C C41.27641.276 E镍铬铜镍镍铬铜镍 (康康 铜铜)270800 C C? 5种热电偶的测温范围与热电势各有什么特点？种热电偶的测温范围与热电势各有什么特点？ 2021-4-28第五章热电偶传感器35 几种常用热电偶的热电势与温度的关系几种常用热电偶的热电势与温度的关系 曲线分析曲线分析 哪几种热电哪几种热电 偶的测温上限偶的测温上限 较高？较高？ 结论：结论： 哪一种热电偶哪一种热电偶 的灵敏度较高？的灵敏度较高？ 哪一种热电偶哪一种热电偶 的灵敏度较低？的灵敏度较低？ 为什么所有的曲线均过原点（零度点）？为什么所有的曲线均过原点（零度点）？ 20

29、21-4-28第五章热电偶传感器36 二、二、 热电偶的结构热电偶的结构 工程上实际使用工程上实际使用 的热电偶大多是的热电偶大多是 由热电极、绝缘由热电极、绝缘 套管、保护套管套管、保护套管 和接线盒等部分和接线盒等部分 组成。组成。 热电极热电极 绝缘套管绝缘套管 保护套管保护套管 接线盒接线盒 2021-4-28第五章热电偶传感器37 2021-4-28第五章热电偶传感器38 、热电极、热电极 热电偶常以热电极材料种类来命名。热电偶常以热电极材料种类来命名。 、绝缘套管、绝缘套管 用来防止两根热电极短路。常用陶瓷、石英等用来防止两根热电极短路。常用陶瓷、石英等 作绝缘材料。作绝缘材料。

30、、保护管、保护管 使热电极与被测介质隔离，使之免受化学侵蚀使热电极与被测介质隔离，使之免受化学侵蚀 或机械损伤。或机械损伤。 、接线盒、接线盒 供连接热电偶和测量仪表之用。供连接热电偶和测量仪表之用。 2021-4-28第五章热电偶传感器39 三、三、 热电偶的种类热电偶的种类 为了适应不同生产对象的测温要求和条件为了适应不同生产对象的测温要求和条件, 热热 电偶的结构形式有普通型热电偶、铠装型热电偶电偶的结构形式有普通型热电偶、铠装型热电偶 和薄膜热电偶等。和薄膜热电偶等。 2021-4-28第五章热电偶传感器40 、普通型热电偶、普通型热电偶 普通型结构热电偶工业上使用最多普通型结构热电偶

31、工业上使用最多, , 它一般由热它一般由热 电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成。电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成。 2021-4-28第五章热电偶传感器41 普通装配型普通装配型热电偶的热电偶的 外形外形 安装安装 螺纹螺纹 安装安装 法兰法兰 2021-4-28第五章热电偶传感器42 普通装配型普通装配型热热 电偶的结构图电偶的结构图 接线盒接线盒 引出线套管引出线套管 固定螺纹固定螺纹 （出厂时用塑料包裹）（出厂时用塑料包裹） 热电偶工作端（热端）热电偶工作端（热端） 不锈钢不锈钢保护管保护管 2021-4-28第五章热电偶传感器43 、铠装热电偶铠装热电偶 铠装热电偶又称套管热电偶。铠

32、装热电偶的主要铠装热电偶又称套管热电偶。铠装热电偶的主要 优点是测温端热容量小优点是测温端热容量小, , 动态响应快动态响应快, , 机械强度高机械强度高, , 挠性好挠性好, , 可安装在结构复杂的装置上可安装在结构复杂的装置上, , 因此被广泛用因此被广泛用 在许多工业部门中。在许多工业部门中。 2021-4-28第五章热电偶传感器44 铠装型热电偶外形铠装型热电偶外形 法兰法兰 铠装型热电偶可铠装型热电偶可 长达上百米长达上百米 薄壁金属薄壁金属 保护套管保护套管 （铠体）（铠体） BA 绝缘绝缘 材料材料 铠装型热电偶铠装型热电偶 横截面横截面 2021-4-28第五章热电偶传感器45

33、 铠装热电偶的制造工艺：把热电极材料与高温绝铠装热电偶的制造工艺：把热电极材料与高温绝 缘材料预置在金属保护管中、运用同比例压缩延伸缘材料预置在金属保护管中、运用同比例压缩延伸 工艺、将这三者合为一体，制成各种直径、规格的工艺、将这三者合为一体，制成各种直径、规格的 铠装偶体，再截取适当长度、将工作端焊接密封、铠装偶体，再截取适当长度、将工作端焊接密封、 配置接线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。配置接线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。 铠装热电偶特点：内部的热电偶丝与外界空气隔铠装热电偶特点：内部的热电偶丝与外界空气隔 绝，有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、绝，有着良好的抗高温氧化、抗低

34、温水蒸气冷凝、 抗机械外力冲击的特性。铠装热电偶可以制作得很抗机械外力冲击的特性。铠装热电偶可以制作得很 细，能解决微小、狭窄场合的测温问题，且具有抗细，能解决微小、狭窄场合的测温问题，且具有抗 震、可弯曲、超长等优点。震、可弯曲、超长等优点。 2021-4-28第五章热电偶传感器46 、薄膜热电偶、薄膜热电偶 薄膜热电偶是由两种薄膜热电极材料薄膜热电偶是由两种薄膜热电极材料, 用真空蒸镀、用真空蒸镀、 化学凃层等办法蒸镀到绝缘基板上面制成的一种特殊化学凃层等办法蒸镀到绝缘基板上面制成的一种特殊 热电偶热电偶, 具有热容量小具有热容量小, 反应速度快等的特点。反应速度快等的特点。 2021-4

35、-28第五章热电偶传感器47 2021-4-28第五章热电偶传感器48 4、表面热电偶、表面热电偶 主要用于现场流动的测量。主要用于现场流动的测量。 探头有各种形状，以适应不同物体表面测温用。探头有各种形状，以适应不同物体表面测温用。 测温范围有测温范围有0250和和0600。 2021-4-28第五章热电偶传感器49 2021-4-28第五章热电偶传感器50 2021-4-28第五章热电偶传感器51 5、防爆热电偶、防爆热电偶 结构特点：防爆热电偶的接线盒在设计时采用防结构特点：防爆热电偶的接线盒在设计时采用防 爆的特殊结构，它的接线盒是经过压铸而成的，有爆的特殊结构，它的接线盒是经过压铸而

36、成的，有 一定的厚度、隔爆空间，机构强度较高；采用螺纹一定的厚度、隔爆空间，机构强度较高；采用螺纹 隔爆接合面，并采用密封圈进行密封，因此，当接隔爆接合面，并采用密封圈进行密封，因此，当接 线盒内一旦放弧时，不会与外界环境的危险气体传线盒内一旦放弧时，不会与外界环境的危险气体传 爆，能达到预期的防爆、隔爆效果。爆，能达到预期的防爆、隔爆效果。 使用场合：工业用的隔爆型热电偶多用于化学工业使用场合：工业用的隔爆型热电偶多用于化学工业 自控系统中（由于在化工生产厂、生产现场常伴有自控系统中（由于在化工生产厂、生产现场常伴有 各种易燃、易爆等化学气体或蒸汽，如果用普通热各种易燃、易爆等化学气体或蒸汽

37、，如果用普通热 电偶则非常不安全、很容易引起环境气体爆炸）。电偶则非常不安全、很容易引起环境气体爆炸）。 2021-4-28第五章热电偶传感器52 2021-4-28第五章热电偶传感器53 隔爆隔爆型热电偶外形型热电偶外形 厚壁保护管厚壁保护管压铸的接线盒压铸的接线盒 电缆线电缆线 2021-4-28第五章热电偶传感器54 其他其他热电偶外形热电偶外形 小形小形K K型热电偶型热电偶 2021-4-28第五章热电偶传感器55 休休 息息 一一 下下 2021-4-28第五章热电偶传感器56 第三节第三节 热电偶的冷端补偿和测温电路热电偶的冷端补偿和测温电路 热电偶冷端补偿的必要性：热电偶冷端补

38、偿的必要性： 1 1、用热电偶的分度表查毫伏数、用热电偶的分度表查毫伏数- -温度时，必须满足温度时，必须满足 t t0 0=0=0 C C的条件。的条件。 2 2、在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化，、在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化， 这样这样t t0 0不但不是不但不是0 0 C C，而且也不恒定，而且也不恒定， 因此将产生因此将产生 误差。误差。 一般情况下，冷端温度均高于一般情况下，冷端温度均高于0 0 C C，热电势总是偏，热电势总是偏 小。应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失小。应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失 。 一、热电偶的冷端补偿一、热电偶的冷端补偿 2021

39、-4-28第五章热电偶传感器57 热电偶的冷端补偿热电偶的冷端补偿的方法的方法 （冰浴法冰浴法 将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容 器中，使冷端的温度保持在器中，使冷端的温度保持在0 0 C C不变。此法也称冰不变。此法也称冰 浴法，它消除了浴法，它消除了t t0 0不等于不等于0 0 C C而引入的误差，由于而引入的误差，由于 冰融化较快，所以一般只适用于实验室和冰融化较快，所以一般只适用于实验室和 中。中。 2021-4-28第五章热电偶传感器58 冰浴法冰浴法 在冰瓶中，冰水混合物的温度能较在冰瓶中，冰水混合物的温度能较 长时间地保持在长时间

40、地保持在0 0 C C不变。不变。 2021-4-28第五章热电偶传感器59 2021-4-28第五章热电偶传感器60 当热电偶的冷端温度当热电偶的冷端温度t t0 0 0 0 C C时，由于热端与冷端的温差 时，由于热端与冷端的温差 随冷端的变化而变化，所以测得的热电势随冷端的变化而变化，所以测得的热电势E EAB AB（ （t t，t t0 0）与）与 冷端为冷端为0 0 C C时所测得的热电势时所测得的热电势E EAB AB（ （t t，0 0 C C）不等。）不等。 若冷端温度高于若冷端温度高于0 0 C C，则，则E EAB AB（ （t t，t t0 0） E EAB AB（ （t

41、 t，0 0 C C）。）。 根据热电偶的中间温度定律，可以利用下式计算并修根据热电偶的中间温度定律，可以利用下式计算并修 正测量误差：正测量误差： E EAB AB（ （t t，0 0 C C）= =E EAB AB（ （t t，t t0 0）+ +E EAB AB（ （t t0 0，0 0 C C） 2021-4-28第五章热电偶传感器61 测温时，热电偶长度受一定限制，使得冷端温度直接受测温时，热电偶长度受一定限制，使得冷端温度直接受 到被测介质温度和周围环境温度的影响，难以处于到被测介质温度和周围环境温度的影响，难以处于0 0 C C，而，而 且不稳定且不稳定。 EAB（t，t0）=E

42、AB（t，tn）+EAB（tn，t0） 由于由于EA,B,（ tn ，t0）=EAB（tn，t0） 2021-4-28第五章热电偶传感器62 补偿导线：是指在一定的温度范围内（补偿导线：是指在一定的温度范围内（0 0100100 C C），其热电），其热电 性能与相应热电偶的热电性能相同的廉价导线。其性能与相应热电偶的热电性能相同的廉价导线。其作用是把作用是把 热电偶参考端移至离热源较远及环境温度较恒定的地方热电偶参考端移至离热源较远及环境温度较恒定的地方 采用相对廉价的补偿导线，可延长热电偶的冷端，使之远采用相对廉价的补偿导线，可延长热电偶的冷端，使之远 离高温区；可节约大量贵金属；易弯曲，

43、便于敷设。离高温区；可节约大量贵金属；易弯曲，便于敷设。 补偿导线在补偿导线在0 0100100 C C范围内的热电势与配套的热电偶的范围内的热电势与配套的热电偶的 热电势相等，所以不影响测量精度。热电势相等，所以不影响测量精度。 2021-4-28第五章热电偶传感器63 补偿导线外形补偿导线外形 A B 屏蔽层屏蔽层 保护层保护层 2021-4-28第五章热电偶传感器64 、电桥补偿法、电桥补偿法 利用不平衡电桥产生的不平衡电压，来自动补偿利用不平衡电桥产生的不平衡电压，来自动补偿 热电偶因冷端温度变化而引起的热电动势的变化值热电偶因冷端温度变化而引起的热电动势的变化值 。可购买与被补偿热电

44、偶对应型号的补偿电桥。可购买与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥。 电桥通常取在电桥通常取在2020时处于平衡状态时处于平衡状态，此时桥路，此时桥路 输出电压输出电压U Uab ab=0 =0，电桥无补偿作用。，电桥无补偿作用。 2021-4-28第五章热电偶传感器65 若环境温度升高冷端温度升高热电偶的热电势若环境温度升高冷端温度升高热电偶的热电势 降低 降低 u u的阻值增大电桥失去平衡桥路有电压 的阻值增大电桥失去平衡桥路有电压UabUab输出输出 2021-4-28第五章热电偶传感器66 Uab上升与上升与X下降迭加，使下降迭加，使AB几乎保持不变，几乎保持不变， 实现了温度补偿的作用。但

45、实现了温度补偿的作用。但Uab无法始终跟踪无法始终跟踪X 的变化，所以冷端补偿只能在一定范围内起温度的变化，所以冷端补偿只能在一定范围内起温度 补偿作用。补偿作用。 用于电桥补偿的装置称为热电偶冷端补偿器。用于电桥补偿的装置称为热电偶冷端补偿器。 所谓冷端温度补偿器（一个不平衡电桥），实所谓冷端温度补偿器（一个不平衡电桥），实 质上就是一个产生直流信号的毫伏发生器，将它质上就是一个产生直流信号的毫伏发生器，将它 串接在热电偶的测量线路中，就可以在测量时使串接在热电偶的测量线路中，就可以在测量时使 读数得到自动补偿。读数得到自动补偿。 2021-4-28第五章热电偶传感器67 XT-WBC热电热

46、电 偶冷端补偿器偶冷端补偿器 可购买与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥。可购买与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥。 2021-4-28第五章热电偶传感器68 补充介绍一种新型温度传感器补充介绍一种新型温度传感器 PN结温度传感器：结温度传感器： PN PN结温度传感器是利用半导体硅材料的结温度传感器是利用半导体硅材料的PNPN结其正结其正 向导通电压与温度变化呈线性关系的原理，将感受向导通电压与温度变化呈线性关系的原理，将感受 到的温度信号转换成电压输出的感温元件。到的温度信号转换成电压输出的感温元件。PNPN结温结温 度传感器具有体积小、线性度好、互换性好、灵敏度传感器具有体积小、线性度好、互换

47、性好、灵敏 度高、反应速度快、无需冷端补偿等优点。它兼有度高、反应速度快、无需冷端补偿等优点。它兼有 热电偶、铂电阻及热敏电阻的主要优点，又在一定热电偶、铂电阻及热敏电阻的主要优点，又在一定 程度上克服了它们各自固有的缺点，赢得了程度上克服了它们各自固有的缺点，赢得了“科学科学 的眼睛的眼睛”、“理想的感温元件理想的感温元件”的美誉。的美誉。 2021-4-28第五章热电偶传感器69 DADA型线性型线性PNPN结温度传感器结温度传感器 DADA型型PNPN结温度传感器是一种温度结温度传感器是一种温度电压型二端电压型二端 器件。当流过器件。当流过PNPN结的正向电流结的正向电流i if f一定

48、时，在一定时，在PNPN结结 二端的正向电压降二端的正向电压降V Vf f随着温度的升高而呈线性地随着温度的升高而呈线性地 下降。它是一种新的计量器具，这种新型温度传下降。它是一种新的计量器具，这种新型温度传 感器已成为我国自动化控制技术和仪器仪表工业感器已成为我国自动化控制技术和仪器仪表工业 不可缺少的基础元件。这种新型温度传感器其突不可缺少的基础元件。这种新型温度传感器其突 出的优点是：灵敏度高、线性度好、响应时间快、出的优点是：灵敏度高、线性度好、响应时间快、 互换性好、内阻小、价格低廉。在互换性好、内阻小、价格低廉。在-30-30200200常常 温区内，这种线性温区内，这种线性PNP

49、N结温度传感器将有着及其宽结温度传感器将有着及其宽 广的应用前途。广的应用前途。 2021-4-28第五章热电偶传感器70 DA型线性型线性PN结温度传感器结温度传感器 2021-4-28第五章热电偶传感器71 几种温度传感器的比较几种温度传感器的比较 在温度测量与控制系统中热电偶在温度测量与控制系统中热电偶铂电阻铂电阻热热 敏电阻用得较多，敏电阻用得较多，PNPN结温度传感器是近期新产品。结温度传感器是近期新产品。 它们的各自特性如下：它们的各自特性如下： 1 1热电偶热电偶测温范围宽，重复性好，但灵敏度测温范围宽，重复性好，但灵敏度 低，需要线性补偿，参考温场与补偿导线。低，需要线性补偿，

50、参考温场与补偿导线。 2 2铂电阻铂电阻稳定性好，灵敏度较高，测温范围稳定性好，灵敏度较高，测温范围 宽，但需要线性补偿，体积较大，热惯性大，价宽，但需要线性补偿，体积较大，热惯性大，价 格较贵。格较贵。 2021-4-28第五章热电偶传感器72 3 3热敏电阻热敏电阻体积小，灵敏度高，价格低，体积小，灵敏度高，价格低， 但线性度很差，互换性也差。但线性度很差，互换性也差。 4 4PNPN结温度传感器结温度传感器它克服了热电偶它克服了热电偶铂电铂电 阻阻热敏电阻某些固有缺陷而又兼有热电偶热敏电阻某些固有缺陷而又兼有热电偶 铂电阻铂电阻热敏电阻的各自优点，它灵敏度比热热敏电阻的各自优点，它灵敏度

51、比热 电偶电偶K K分度高出分度高出5050倍，线性度优于热敏电阻倍，线性度优于热敏电阻3030倍，倍， 响应速度比一般铂电阻快响应速度比一般铂电阻快2020倍以上。是常温区倍以上。是常温区 内较为理想的感温器件。内较为理想的感温器件。 总之各种温度传感器有着各自的不同特性和用总之各种温度传感器有着各自的不同特性和用 途，要根据实际需要选用。途，要根据实际需要选用。 2021-4-28第五章热电偶传感器73 二、热电偶的测温电路二、热电偶的测温电路 a）所示为一个热电偶）所示为一个热电偶 和一个仪表配用的基本和一个仪表配用的基本 电路电路 b）图所示为测量两点温度之）图所示为测量两点温度之 和

52、的电路和的电路 c）图所示为测量两点间）图所示为测量两点间 温度差的电路，两支同温度差的电路，两支同 型号的热电偶反向串联型号的热电偶反向串联 1 1基本测温电路基本测温电路 2021-4-28第五章热电偶传感器74 测量两点间平均温度测量两点间平均温度 的电路，两支同型号的电路，两支同型号 的热电偶并联的热电偶并联 图中串入较大阻值的图中串入较大阻值的 电阻电阻R1、R2以减小热以减小热 电偶内阻的影响电偶内阻的影响 输入到仪表两端的热电动势为两个热电偶输出的热电输入到仪表两端的热电动势为两个热电偶输出的热电 动势的平均值。动势的平均值。 2021-4-28第五章热电偶传感器75 2 2热电偶的实际测温电路热电偶的实际测温电路 在实际测量过程中，热电偶的热电动势和温度关系为在实际测量过程中，热电偶的热电动势和温度关系为 非线形关系非线形关系 因此热电偶应用时都要线形化因此热