第7章热电式传感器分析

1、第第7章章 热电式传感器热电式传感器 温度温度 电信号（电阻、电压、电流等）电信号（电阻、电压、电流等） 7.1 热电阻热电阻 温度温度 电阻电阻 v热电阻：热电阻： 金属热电阻（铂热阻、铜热阻等）金属热电阻（铂热阻、铜热阻等） 半导体热敏电阻（半导体热敏电阻（PTC、NTC、CTR） 7.1.1.1 原理、结构和材料原理、结构和材料 v原理：电阻温度效应原理：电阻温度效应大多数金属导体的电阻大多数金属导体的电阻 都随温度而变化。电阻都随温度而变化。电阻-温度特性方程：温度特性方程： Rt=R0 (1 + t + t2 + ) （7-1） v热电阻热电阻感温元件感温元件纯金属材料，其纯金属材料

2、，其性能要求性能要求： 大则灵敏度高；大则灵敏度高； 理化性能稳定；理化性能稳定； 恒定，以保证线性关系；恒定，以保证线性关系； 大，体积尺寸小；大，体积尺寸小； 复现性好。复现性好。 1.7.1.1 金属热电阻金属热电阻 材材料料 温温度度系系数数 （1 1/ /） 比比电电阻阻 （ .mm2/m） 温温度度范范围围 （） 特特 性性 铂铂 3.9210-3 0.0981 -200 +650 近近线线性性 铜铜 4.2510-3 0.0170 -50 +150 线线性性 铁铁 6.5010-3 0.0910 -50 +150 非非线线性性 镍镍 6.6010-3 0.1210 -50 +10

3、0 非非线线性性 1.7.1.1 金属热电阻金属热电阻 7.1.1 金属热电阻金属热电阻 1铂热电阻（铂热电阻（WZP） 结构材料：结构材料：0.020.07mm Pt丝绕在云母等绝缘骨架上，丝绕在云母等绝缘骨架上， 装入保护套管，接出引线，装入保护套管，接出引线，0.098110 6m ；或箔式结；或箔式结 构；薄膜式结构。构；薄膜式结构。 图图71 铂热电阻的结构铂热电阻的结构 7.1.1 金属热电阻金属热电阻 测温范围和应用测温范围和应用： 259.34630.74； 温度基准、标准用。温度基准、标准用。 百度电阻比：百度电阻比： W(100)纯度；纯度； W(100)R100 / R0

4、 基准铂热电阻：基准铂热电阻：W(100)1.39256， 纯度纯度99.9995； 精度：精度： 0.001 0.0001 工业用标准热电阻：工业用标准热电阻：W(100)1.391， 精度：精度： 2000， 1； 0100， 0.5； 100650， (0.5)t 7.1.1 金属热电阻金属热电阻 电阻电阻温度关系：温度关系： Rt=R0 (1+At+Bt2 ) 0t650 Rt=R0 (1+At+Bt2 +C(t 100)t3 ) 200t0 其中其中A、B、C与与W(100)有关，见附表有关，见附表7-1。 在测温范围不大时，在测温范围不大时，基本线性。基本线性。 分度号：分度号：

5、Pt100， （R0=100）；）； Pt50， （R0=50）；）； Pt1000，（，（R0=1000）；）； 等。等。 分度表：分度表：见附表见附表7-1。 国际温标国际温标IPTS-68规定规定 优点优点： 7.1.1 金属热电阻金属热电阻 7.1.1 金属热电阻金属热电阻 2.铜热电阻（铜热电阻（WZC） 结构材料：结构材料：Cu丝绕制，丝绕制， (4.254.28) 10-3 / 0.01710-6 m； 测温范围和应用：测温范围和应用： 50100，工业用温度计；，工业用温度计； 百度电阻比：百度电阻比：W(100)1.425， 精度：精度： 5050， 0.5， 50100，

6、(1)t 电阻温度特性：电阻温度特性：Rt=R0 (1 + t )，在测温范围内，在测温范围内线性线性。 分度号：分度号：Cu100，Cu50，等。，等。 分度表：分度表：见附表见附表7-2 23 0(1)tRRAtBtCt -50 150 7.1.1 金属热电阻金属热电阻 0001()tRRtt 0 7.1.1 金属热电阻金属热电阻 优优 点点 （ 1） 易易 提提 纯纯 ； （ 2） 物物 理理 、 化化 学学 特特 性性 稳稳 定定 ； （ 3） 输输 出出 近近 线线 性性 ； （ 4） 价价 格格 低低 廉廉 。 缺缺 点点 （ 1） 电电 阻阻 率率 低低 ； （ 2） 体体 积积

7、 较较 大大 ， 热热 惯惯 性性 较较 大大 ； （ 3） 温温 度度 高高 于于 100 易易 氧氧 化化 。 材材料料 温温度度范范围围 优优 点点 缺缺点点 铟铟电电阻阻 室室温温 4.3K 4.2 15K， 灵灵敏敏度度 是是铂铂的的 10 倍倍。 材材料料软软，重重 复复性性差差。 锰锰电电阻阻 63 2K （-271 -210 ） 灵灵敏敏度度高高 材材料料脆脆，难难 拉拉成成丝丝。 碳碳电电阻阻 -273 -268.5 液液氦氦温温域域 价价格格低低廉廉，对对磁磁场场 不不敏敏感感。 热热稳稳定定差差 7.1.1 金属热电阻金属热电阻 7.1.1 金属热电阻金属热电阻 7.1.

8、1.2 热电阻测量线路热电阻测量线路 直流电桥直流电桥线路，主要考虑其引线电阻和接触电阻影响，线路，主要考虑其引线电阻和接触电阻影响， 常采用三线接法和四线接法。如图常采用三线接法和四线接法。如图7-2、图、图7-3所示。所示。 其次考虑工作电流的热效应影响，工作电流其次考虑工作电流的热效应影响，工作电流10mA。 图图72 热电阻测温电桥的三线连接热电阻测温电桥的三线连接法法 uA 1R2R 4R tR r rr E 12RR若 24 1 t R R R R 则 241 1 () t R RrR r R R 124()()tR RrR Rr 7.1.1 金属热电阻金属热电阻 7.1.1 金属

9、热电阻金属热电阻 图图73 热电阻测温电桥的四线连接法热电阻测温电桥的四线连接法 t U R I SE tR I I r r r r 7.1.1 金属热电阻金属热电阻 7.1.1.3 热电阻的应用热电阻的应用 1铂热电阻测温铂热电阻测温 恒压工作的铂热电阻测温电路如图恒压工作的铂热电阻测温电路如图7-4（a）所示。）所示。 热电阻选用热电阻选用TRRA1023B(Pt1000)，R01000 ； 传感器工作电压传感器工作电压UB10Ve1。 测温电桥输出：测温电桥输出： )( 0101 21 RRRRR AURR U B out 可得可得10mV/的电压灵敏度。的电压灵敏度。 7.1.1 金属

10、热电阻金属热电阻 图图74 恒压工作铂恒压工作铂 热电阻测温电路热电阻测温电路 （a）测温电路；）测温电路； （b）直流）直流/交流变换器电路交流变换器电路 7.1.1 金属热电阻金属热电阻 恒流工作的铂热电阻测温电路如图恒流工作的铂热电阻测温电路如图7-5所示。传感器的工作所示。传感器的工作 电流约为电流约为1mA，此时传感器的灵敏度约为，此时传感器的灵敏度约为3mV/，一般运放，一般运放 都可选用。都可选用。 图图7-5 恒流工作铂恒流工作铂 热电阻测温热电阻测温电路电路 7.1.1 金属热电阻金属热电阻 2热电阻数字温度计热电阻数字温度计 热电阻数字温度计测温电路如图热电阻数字温度计测温

11、电路如图7-7所示。测温电桥输出信所示。测温电桥输出信 号经号经MAX138A/D转换，数字显示。转换，数字显示。 图图77 热电阻数字温度计电路热电阻数字温度计电路 MAX138A/D转换器与转换器与 ICL7106比较，增加了如下功比较，增加了如下功 能：能： 片内设置有负电源转换器，片内设置有负电源转换器， 因此可以单电源供电；因此可以单电源供电； 工作电源电压范围宽工作电源电压范围宽 （2.57V）；）； 片内设置有振荡电路。片内设置有振荡电路。 7.1.1 金属热电阻金属热电阻 v差动输出传感器信号适宜与差动输出传感器信号适宜与MAX138等等A/D转换连接，实现转换连接，实现 数字

12、测量。数字测量。MAX138、ICL7106、ICL7107等等A/D转换器的转转换器的转 换精度是三位半，与二进制换精度是三位半，与二进制 10位位A/D转换器的转换精转换器的转换精 度相当。度相当。 线性化测温电路如图线性化测温电路如图 7-10所示。所示。 图图7-10 线性化测温电路线性化测温电路 7.1.1 金属热电阻金属热电阻 3A/D转换器比例工作的热电阻温度测量电路转换器比例工作的热电阻温度测量电路 测温电路如图测温电路如图7-11、图、图7-12所示。所示。 图图7-11 A/D转换比例工作电路转换比例工作电路 图图7-12 铂电阻铂电阻A/D转换测温电路转换测温电路 I 恒

13、温容器恒温容器 被测介质被测介质 玻璃管玻璃管 铂电阻丝铂电阻丝 tTR 平衡 真空度导热系数 tTR平衡 3 10 Pa 测量真空度： 7.1.1 金属热电阻金属热电阻 )1 (21 1 100 n ii i n i in 12、 1KR pR r E A 2KR 1XR 2XR wR R 12kkRR、 12XXRR、 7.1.1 金属热电阻金属热电阻 玻璃壳玻璃壳 热敏电阻热敏电阻 引线引线 7.1.2 半导体热敏电阻半导体热敏电阻 7.1.2 半导体热敏电阻半导体热敏电阻 PTC，温度控制，限流元件；，温度控制，限流元件； NTC，温度测量，补偿元件；，温度测量，补偿元件； CTR，温

14、度开关元件。，温度开关元件。 热敏电阻温度曲线如图热敏电阻温度曲线如图7-13所示。所示。 图图7-13 热敏电阻特性曲线热敏电阻特性曲线 热敏电阻的类型：热敏电阻的类型： 7.1.2 半导体热敏电阻半导体热敏电阻 7.1.2.1 热敏电阻主要特性热敏电阻主要特性(NTC热敏电阻) 1电阻温度特性电阻温度特性 ) 11 ( 0 / 0 TT B TB T eRAeR 1 0 01 01 ln R R TT TT B 0 0 TB eRA T020(293K) R0=R20 (额定电阻额定电阻)； T1T100 R1R100 ； 100 20 ln1365 R R B (20006000)K B

15、热敏电阻常数。热敏电阻常数。 热敏电阻温度系数：热敏电阻温度系数：2 1 T B dT dR R T T 若若B4000K，T323K(50)，则，则 3.8/，大！，大！ 图图7-14 NTC热敏电阻温度特性热敏电阻温度特性 若：若： 7.1.2 半导体热敏电阻半导体热敏电阻 2.伏伏-安特性安特性 在稳态下，通过热敏电阻的电流在稳态下，通过热敏电阻的电流I与其两端之间的电压与其两端之间的电压U的的 关系，称为热敏电阻的关系，称为热敏电阻的伏伏-安特性安特性。如图。如图7-15所示。所示。 当电流很小时，不足以使热敏电阻产生温升，则其电阻当电流很小时，不足以使热敏电阻产生温升，则其电阻 值只

16、决定于环境温度，伏值只决定于环境温度，伏-安特性安特性 呈呈线性线性，遵循欧姆定律，主要用，遵循欧姆定律，主要用 于测温。于测温。 当电流增大到一定值时，当电流增大到一定值时， 使热敏电阻产生温升，会出使热敏电阻产生温升，会出 现现负阻特性负阻特性。 图图7-15 热敏电阻伏安特性热敏电阻伏安特性 7.1.2 半导体热敏电阻半导体热敏电阻 3安安-时特性时特性 热敏电阻的热敏电阻的电流电流-时间时间曲线如图曲线如图7-16所示，表示热敏电阻所示，表示热敏电阻 在不同的外加电压下，电流达到稳定最大值所需要时间。在不同的外加电压下，电流达到稳定最大值所需要时间。 这这 是一热平衡过程，一般为是一热

17、平衡过程，一般为0.51s。 图图7-16 热敏电阻安热敏电阻安-时特性时特性 7.1.2 半导体热敏电阻半导体热敏电阻 7.1.2.2 热敏电阻的主要技术参数热敏电阻的主要技术参数 1标称电阻值标称电阻值RH，(250.2)时的电阻值，又称冷电阻。时的电阻值，又称冷电阻。 2电阻温度系数电阻温度系数 ，温度变化，温度变化1时，热敏电阻阻值的变化时，热敏电阻阻值的变化 率（率（/）。）。 3耗散系数耗散系数H，热敏电阻温度与周围介质温度相差热敏电阻温度与周围介质温度相差1时所时所 耗散的功率耗散的功率(W/)。 4热容热容c，热敏电阻温度变化热敏电阻温度变化1时所需吸收或释放的热量时所需吸收或

18、释放的热量 （J/）。）。 5能量灵敏度能量灵敏度G(H/ )100，使热敏电阻的阻值变化，使热敏电阻的阻值变化1% 时所需耗散的功率时所需耗散的功率(W)。 6时间常数时间常数 cH，温度为，温度为T0的热敏电阻突然置于温度为的热敏电阻突然置于温度为T 的介质中，热敏电阻的温度增量的介质中，热敏电阻的温度增量 T=0.632(T-T0)时所需的时间时所需的时间 (s)。 参参 数数 单单 位位 定定 义义 标称阻值标称阻值 RH （冷电阻）（冷电阻） (25(250.2)0.2)时测得的阻值。时测得的阻值。 温度系数温度系数t t 1/1/ 20 20 时的电阻温度系数。时的电阻温度系数。

19、散热系数散热系数 H （耗散系数）（耗散系数） W/W/ 自身发热使温度比环境温度自身发热使温度比环境温度 高出高出 1 1 所需要的功率。所需要的功率。 时间常数时间常数 秒（秒（s s） 从温度从温度t0t0的介质移入温度为的介质移入温度为 t t 的介质中，温度升高的介质中，温度升高t = t = 0.632(t0.632(t- -t0) t0) 所需时间。所需时间。 7.1.2 半导体热敏电阻半导体热敏电阻 7.1.2 半导体热敏电阻半导体热敏电阻 7.1.2.3 热敏电阻的应用热敏电阻的应用 热敏电阻的热敏电阻的优点：优点：温度系数大，灵敏度高；热容量小，响应快，温度系数大，灵敏度高

20、；热容量小，响应快， 分辨率高；价格便宜等。分辨率高；价格便宜等。 缺点：缺点：互换性差，热电特性非线性大等。主要用于温度的测量、互换性差，热电特性非线性大等。主要用于温度的测量、 控制，温度补偿，流控制，温度补偿，流 速（或流量）测量等。速（或流量）测量等。 1.流量测量流量测量 基于流体基于流体流速流速（流量）与（流量）与散热散热 关系，利用热敏电阻桥式电路测关系，利用热敏电阻桥式电路测 流体流速（或流量），如图流体流速（或流量），如图7-17 所示。所示。 图图7-17 热敏电阻流量计热敏电阻流量计 7.1.2 半导体热敏电阻半导体热敏电阻 2.温度控制温度控制 利用热敏电阻的温度控制电

21、路如图利用热敏电阻的温度控制电路如图7-18所示所示。 图图7-18 温度控制电路温度控制电路 7.1.2 半导体热敏电阻半导体热敏电阻 3温度上、下限报警温度上、下限报警 热敏电阻温度上、下限报警电路如图热敏电阻温度上、下限报警电路如图7-19所示。所示。 图图7-19 温度上下限报警电路温度上下限报警电路 7.1.2 半导体热敏电阻半导体热敏电阻 4温度测量温度测量 图图7-20是利用是利用NTC热敏电阻组成的热敏电阻组成的0100的测温电的测温电 路，相应的输出电压为路，相应的输出电压为05V，其灵敏度为，其灵敏度为50mV/。 图图7-20 温度测量电路温度测量电路 5热电偶温度冷端补

22、偿热电偶温度冷端补偿 后面介绍。后面介绍。 7.2 pn结型温度传感器结型温度传感器 7.2.1 二极管温度传感器二极管温度传感器 PN结伏安特性：结伏安特性： kTqU S kTqU S eIeII / ) 1( 则则 S I I q kT Uln 式中，式中，IPN结正向电流；结正向电流；UPN结正向压降；结正向压降；IsPN结结 反向饱和电流；反向饱和电流；q电子电量（电子电量（1.6 10 19C）；）；T绝对温绝对温 度；度；k玻尔兹曼常数（玻尔兹曼常数（1.38 10-23J/K）。）。 保持保持I恒定，则恒定，则U与与T成线性关系，这就是成线性关系，这就是PN结的测温结的测温 原

23、理，其灵敏度原理，其灵敏度 const I I q k dT dU S ln 7.2 pn结型温度传感器结型温度传感器 7.2.2 晶体管温度传感器晶体管温度传感器 将将NPN型晶体管的型晶体管的bc结短接，利用结短接，利用be结作为感温器件，结作为感温器件， 接近接近PN结理想特性，如图结理想特性，如图7-21所示所示测温原理测温原理。 图图7-21 晶体管温度传感器晶体管温度传感器 7.2 pn结型温度传感器结型温度传感器 7.2.3 集成温度传感器集成温度传感器 一只晶体管发射极电流密度一只晶体管发射极电流密度Je ) 1( 1 / kTqU se eJ a J 通常通常a 1，JeJs

24、，则，则 s e be J aJ q kT Uln 若图若图7-22中，中，Js1Js2, a1a2 ，则图中，则图中 2 1 21 ln e e bebebe J J q kT UUU 只要只要Je1 ，Je2 （I1，I2）均为恒流，则）均为恒流，则 Ube与与T成线性关成线性关 系系测温原理。测温原理。 图图7-22 集成温度感温点电路集成温度感温点电路 7.2 pn结型温度传感器结型温度传感器 集成温度传感器主要类型：集成温度传感器主要类型： 电压型，三线制，电压型，三线制，ku10mV/， LM34/35，LM135/235， ； 电流型，两线制，电流型，两线制，kI1A/K， AD

25、590/592，LM134/234，； 数字输出型，数字输出型，TMP03/04，AD7416, ； 电阻可编程温度控制器，电阻可编程温度控制器，AD22105,TMP01，； 等。等。 7.2 pn结型温度传感器结型温度传感器 AD590电流型集成温度传感器电流型集成温度传感器 （图（图723） 测温原理：测温原理： 晶体管对晶体管对T3-T4使使IT分为分为I1=I2 ，起恒，起恒 流作用；流作用；T1, T2起感温作用；起感温作用； T1由由8 只与只与T2相同的晶体管并联而成，因相同的晶体管并联而成，因 此，此，T2中的电流密度中的电流密度J2为为T1中的电流中的电流 密度密度J1的的

26、8倍，即倍，即 J28 J1 图图7-23 输出电流正比于绝对温度的输出电流正比于绝对温度的AD590温度敏感电路温度敏感电路 7.2 pn结型温度传感器结型温度传感器 Ube1和和Ube2反极性串接施加在电阻反极性串接施加在电阻R上，则上，则R上电压为：上电压为： )(1798ln 8 ln 1 1 12 VT q kT J J q kT UUUU bebebeT RTII R /179 1 通过通过R的电流的电流 ，IT 2I1，若取，若取R358， 则则 kTIT/T2179/3581( A/K) 所以所以 ITkTT 7.2 pn结型温度传感器结型温度传感器 AD590的特性：的特性：

27、 1）伏安特性）伏安特性 当当U=430V时，理想恒流源，电流只随温度时，理想恒流源，电流只随温度T变化；变化； 2）温度特性）温度特性 55150，IT与与T有较好的线性，输出电流灵敏度有较好的线性，输出电流灵敏度kI 1 A/K；非线性误差为；非线性误差为 T (0.33)； 3）精度：）精度：可达可达 0.5 图图7-24 AD590基本特性曲线基本特性曲线 7.2 pn结型温度传感器结型温度传感器 7.2.4 集成温度传感器的典型应用集成温度传感器的典型应用 1测量温度测量温度 AD590远程温度测量远程温度测量 如图如图7-25所示。所示。 图图7-25 AD590摄氏温度测量电路摄

28、氏温度测量电路 7.2 pn结型温度传感器结型温度传感器 数字温度计数字温度计 如图如图7-26所示。所示。 图图7-26 XSW-1型数字温度计型数字温度计 7.2 pn结型温度传感器结型温度传感器 2.测量温差测量温差 如图如图7-27所示。所示。 I=IT1 IT2kT( T1 T2)； U0IR3kTR3(T1 T2)f( T1 T2 ) 图图727 AD590温差测量电路温差测量电路 7.2 pn结型温度传感器结型温度传感器 3测最低温度测最低温度 AD590串连，如图串连，如图7-28所示；所示； 4测平均温度测平均温度 AD590并连，如图并连，如图7-28所示。所示。 图图72

29、8 AD590测最低温度、平均温度测最低温度、平均温度 7.2 pn结型温度传感器结型温度传感器 5.温度控制温度控制 AD590作为温度控制的感温元件，如图作为温度控制的感温元件，如图7-29所示所示 图图7-29 AD590温度控制系统温度控制系统 7.3 热电偶热电偶 7.3.1 热电偶的工作原理热电偶的工作原理 热电效应：热电效应：将两种不同的导体（金属或合金）将两种不同的导体（金属或合金）A和和B组成组成 一个闭合回路（称为热电偶，见图一个闭合回路（称为热电偶，见图7-30 ），若两接触点温度），若两接触点温度 (T,T0)不同，则回路中有一定大小电流，表明回路中有电势不同，则回路中

30、有一定大小电流，表明回路中有电势 产生，该现象称为产生，该现象称为热电动势效应热电动势效应或塞贝克或塞贝克(Seebeck)效应。回效应。回 路中的电势称为路中的电势称为热电势热电势或塞贝克电势，用或塞贝克电势，用EAB(T ,T0)或或 EAB(t, t0)表示。表示。 热电效应热电效应 热电势热电势EAB(T,T0)或或EAB(t , t0) 图图7-30 热电效应热电效应 热电偶：热电偶： 热电极（导体热电极（导体A、B）；）； 测量端（热端或工作端）测量端（热端或工作端）T(t)； 参考端（冷端或自由端）参考端（冷端或自由端）T0(t0)。 7.3.1 热电偶的工作原理热电偶的工作原理

31、 1接触电势接触电势Peltier效应效应 自由电子自由电子密度不同密度不同的两种金属接触处，由于电子的的两种金属接触处，由于电子的扩散扩散 现象在接触点处形成接触电势或现象在接触点处形成接触电势或Peltier电势，此现象称为电势，此现象称为 Peltier效应。接触电势为效应。接触电势为 B A AB n n e kT TEln)( B A AB n n e kT TEln)( 0 0 总接触电势：总接触电势： B A ABAB n n TT e k TETEln)()()( 00 图图7-31 热电效应示意图热电效应示意图 7.3.1 热电偶的工作原理热电偶的工作原理 2温差电势温差电势

32、Thomson效应效应 均质导体，两端均质导体，两端温度不相等温度不相等时，由于体内自由电子从高时，由于体内自由电子从高 温端向低温端的温端向低温端的扩散扩散，在其两端形成的电势称为温差电势，在其两端形成的电势称为温差电势 或或Thomson电势，此现象称为电势，此现象称为Thomson效应。效应。 T T AA dTTTE 0 ),( 0 T T BB dTTTE 0 ),( 0 T T BA dTTTE 0 )(),( 0 导体导体A中的中的Thomson电势：电势： 导体导体B中的中的Thomson电势：电势： 回路中总的回路中总的Thomson电势：电势： 式中，式中， A、 B分别为

33、导体分别为导体A、B中的中的Thomson系数。系数。 7.3.1 热电偶的工作原理热电偶的工作原理 v综合考虑综合考虑A、B组成的热电偶回路，当组成的热电偶回路，当TT0时，总的热电势为时，总的热电势为 dT n n TT e k dTTETETTE T T BA B A T T BAABABAB 0 0 )(ln)( )()()()( 0 00 ， 讨论：讨论： 如果热电偶两电极材料相同如果热电偶两电极材料相同(nAnB; A= B),两接点温度不同，不会产生两接点温度不同，不会产生 热电势；热电势； 如果两电极材料不同，但两接点温度相同如果两电极材料不同，但两接点温度相同(T=T0;)，

34、也不会产生热电势；，也不会产生热电势； 热偶工作的基本条件：两电极材料不同，两接点温度不同；热偶工作的基本条件：两电极材料不同，两接点温度不同； 热电势大小与热电极的几何形状和尺寸无关。热电势大小与热电极的几何形状和尺寸无关。 当两热电极材料不同，且当两热电极材料不同，且A、B固定（即固定（即nA、nB、 A、 B为常数），热为常数），热 电势便为两接点温度（电势便为两接点温度（T，T0）的函数）的函数 （TO恒定）恒定） 这就是热偶这就是热偶测温原理测温原理。 热电势的极性：热端失去电子为正，获得电子为负，且有热电势的极性：热端失去电子为正，获得电子为负，且有 )()()()()( 00 T

35、CTETETETTE AB ， )()()( 000 TTETTETTE ABBAAB ， 7.3.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律 1.均质导体定律均质导体定律 要求热电极材质均匀，克服因热电极上各点温度不同时造要求热电极材质均匀，克服因热电极上各点温度不同时造 成附加误差。成附加误差。 2.中间导体定律中间导体定律 v导体导体A、B组成的热电偶中插入第三种导体组成的热电偶中插入第三种导体C，只要导体，只要导体C两两 端温度相同，则对热电偶总热电势无影响。端温度相同，则对热电偶总热电势无影响。 意义：意义： 可用电器测量仪表直接测量热电势可用电器测量仪表直接测量热电势，见图，见图7-32

36、。 图图7-32 热电偶测温电路原理图热电偶测温电路原理图 7.3.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律 3.中间温度定律中间温度定律 )()()( 00 TTETTETTE nABnABAB ， 若若T00， )0()()0(， nABnABAB TETTET，E 7.3.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律 4.标准（参考）电极定律标准（参考）电极定律 )()()( 000 TTETTETTE BCACAB ， 以以C作为标准电极作为标准电极(一般一般C为铂为铂)，构建热偶，构建热偶A、B。 例例 ： 则则 mVE76. 00100 , ），（ 铂铜 mVE5 . 30100 , ），（

37、铂康铜 ），（ 康铜铜 0100E BAABCC 0T T mV26. 45 . 376. 0）（ 7.3.3 热电偶的种类和结构热电偶的种类和结构 7.3.3.1 热电极材料和类型热电极材料和类型 1热电极材料的基本要求热电极材料的基本要求 热电极是感温元件，物理性质见表热电极是感温元件，物理性质见表7-1，基本要求：，基本要求： 热电势足够大，测温范围宽、线性好；热电势足够大，测温范围宽、线性好； 热电特性稳定；热电特性稳定； 理化性能稳定，不易氧化、变形和腐蚀；理化性能稳定，不易氧化、变形和腐蚀； 电阻温度系数电阻温度系数 、电阻率、电阻率小；小； 易加工、复制性好；易加工、复制性好；

38、价廉价廉 2 热电偶类型热电偶类型 标准化热电偶及其参数表标准化热电偶及其参数表7-2， 分度表及计算公式：见附表分度表及计算公式：见附表3附表附表6 7.3.3 热电偶的种类和结构热电偶的种类和结构 7.3.3 热电偶的种类和结构热电偶的种类和结构 7.3.3.2 热电偶的结构热电偶的结构 热电偶接点焊接要求和焊接方法（不引入第三种材料，热电偶接点焊接要求和焊接方法（不引入第三种材料， 接点大小适当）；电极之间绝缘。见图接点大小适当）；电极之间绝缘。见图7-34。 图图7-34 热电偶电极的绝缘方法热电偶电极的绝缘方法 （a）裸线热电偶；）裸线热电偶； （b）珠形绝缘热电偶；）珠形绝缘热电偶

39、； （c）双孔绝缘子热电偶；）双孔绝缘子热电偶； （d）石棉绝缘管热电偶）石棉绝缘管热电偶 7.3.3 热电偶的种类和结构热电偶的种类和结构 种种类类 特特点点 普普通通热热电电偶偶 测测量量气气体体、蒸蒸汽汽和和液液体体等等介介质质的的温温度度， 标标准准化化 铠铠装装热热电电偶偶 （缆缆式式热热电电偶偶） 动动态态响响应应快快、测测量量端端热热容容量量小小、挠挠性性好好、 强强度度高高、种种类类多多 薄薄膜膜热热电电偶偶 测测量量微微小小面面积积和和瞬瞬时时变变化化的的温温度度、热热容容量量 小小、动动态态响响应应快快 表表面面热热电电偶偶 测测量量金金属属块块、炉炉壁壁、橡橡胶胶筒筒、涡

40、涡轮轮叶叶片片、 轧轧辊辊等等固固体体的的表表面面温温度度 浸浸入入式式热热电电偶偶 直直接接插插入入液液体体中中测测量量：钢钢水水、铜铜水水、铝铝水水、 熔熔融融合合金金 7.3.3 热电偶的种类和结构热电偶的种类和结构 1.普通型热电偶普通型热电偶 普通型热电偶结构见图普通型热电偶结构见图7-35。 引线口 不锈钢套管 接线盒 焊点 瓷绝缘套管 安装固定件 图图7-35 普通型热电偶结构普通型热电偶结构 7.3.3 热电偶的种类和结构热电偶的种类和结构 2铠装热电偶铠装热电偶 铠装热电偶结构见图铠装热电偶结构见图7-36。 图图7-36 铠装热电偶工作端结构铠装热电偶工作端结构 （a）单芯

41、结构；（）单芯结构；（b）双芯碰底型；（）双芯碰底型；（c）双芯不碰底型；（）双芯不碰底型；（d）双芯帽型）双芯帽型 7.3.3 热电偶的种类和结构热电偶的种类和结构 3薄膜热电偶薄膜热电偶 薄膜热电偶电极为厚度薄膜热电偶电极为厚度0.010.1 m薄膜构成，见图薄膜构成，见图7-37 图图7-37 铁铁-镍薄膜热电偶镍薄膜热电偶 7.3.4 热电偶的冷端补偿及处理热电偶的冷端补偿及处理 v热偶标准热偶标准分度表分度表是以是以T00为参考温度条件下测试制定的。为参考温度条件下测试制定的。 若若T00，则应进行，则应进行冷端补偿冷端补偿，其补偿方法：，其补偿方法： 1. 延长导线法延长导线法 利

42、用补偿导线代替热电极，引到温度较稳定的利用补偿导线代替热电极，引到温度较稳定的T0端测试。端测试。 要求：在一定的温度范围内，补偿导线与配对的热电偶具要求：在一定的温度范围内，补偿导线与配对的热电偶具 有相同或相近的热电特性。有相同或相近的热电特性。 2. 0恒温法恒温法 将热电偶冷端将热电偶冷端置于冰水混合物的置于冰水混合物的0恒温器内，使其工作恒温器内，使其工作 与分度状态达到一致。与分度状态达到一致。 7.3.4 热电偶的冷端补偿及处理热电偶的冷端补偿及处理 v图图7-38是延长导线法和是延长导线法和0恒温法的一个实例恒温法的一个实例。 图图7-38 冷端处理的延长导线法和冷端处理的延长

43、导线法和0恒温恒温法法 7.3.4 热电偶的冷端补偿及处理热电偶的冷端补偿及处理 3.冷端温度修正法冷端温度修正法 （1）热电势修正法）热电势修正法 利用中间温度定律利用中间温度定律 )0()()0(， nABnABAB TETTETE 式中，式中，T n 热电偶测温时的是环境温度；热电偶测温时的是环境温度；EAB(T，Tn）是实测热）是实测热 电势；电势；EAB(Tn，0)是冷端修正值。是冷端修正值。 例如：铂铑例如：铂铑10铂热电偶测温，参考冷端温度为室铂热电偶测温，参考冷端温度为室21，测，测 得得 mVTEAB465. 0)21(， 查表查表 mVEAB119. 0)021(，则则mV

44、TEAB584. 0119. 0465. 0)0(， 由此查分度表由此查分度表 T92 若直接用若直接用0.465mV查表，则查表，则T75。 也不能将也不能将752196作为实际温度。作为实际温度。 7.3.4 热电偶的冷端补偿及处理热电偶的冷端补偿及处理 （2）温度修正法）温度修正法 由实测热电势由实测热电势EAB（T，Tn）查表，得）查表，得T 真实温度为：真实温度为： TT kTn 式中，式中，k为热电偶修正系数，决定于热电偶种类和被测温度范为热电偶修正系数，决定于热电偶种类和被测温度范 围，见表围，见表7-4。 例如前例：例如前例： 实测实测EAB(T，Tn) =0.465mV， 查

45、分度表查分度表T =75； 查修正系数表查修正系数表7-4，此时该热电偶的，此时该热电偶的k=0.82，Tn =21 ， 则则 实际温度实际温度 T=75+0.8221=92.2 与前面结果基本一致。这种修正方法在工程上应用较为广泛。与前面结果基本一致。这种修正方法在工程上应用较为广泛。 7.3.4 热电偶的冷端补偿及处理热电偶的冷端补偿及处理 4、冷端温度自动补偿法、冷端温度自动补偿法 （1）电桥补偿法）电桥补偿法 原理：原理：电桥输出电压电桥输出电压U(T0 ,0 )= EAB(T0 ,0)，自动补偿。，自动补偿。 补偿电路：补偿电路：如图如图7-39所示。图中所示。图中R1、R2、R3、

46、RW为锰铜电阻，阻值为锰铜电阻，阻值 几乎不随温度变化，几乎不随温度变化，RCu为铜电阻，电阻值随温度升高而增大。为铜电阻，电阻值随温度升高而增大。T0=0 时，时，R1=R2=R3=RCu，电桥输出，电桥输出Uab=0，对热电偶电势无影响。，对热电偶电势无影响。T00 时，时，Uab0，Uab =U(T0 ,0 )= EAB(T0 ,0)，热电偶的热电势得到自动，热电偶的热电势得到自动 补偿。补偿。 图图7-39 冷端温度补偿线路图冷端温度补偿线路图 7.3.4 热电偶的冷端补偿及处理热电偶的冷端补偿及处理 （2）PN结冷端补偿结冷端补偿 PN结冷端补偿电路如图结冷端补偿电路如图7-40所示

47、。所示。 PN结温度系数结温度系数2.2mV/，其补偿电压，其补偿电压U。 设设EAB(T0 ,0)= k1T0，k1 为热电偶在为热电偶在0附近附近 灵敏度，则回路电势为：灵敏度，则回路电势为： EAB(T ,0) EAB(T0 ,0) U= EAB(T ,0) k1T0 UD /n 而而 UD = U0 2.2 T0 式中，式中，UD二极管二极管D的的PN结端电压；结端电压；U0PN结结 在在0时的端电压，时的端电压，(硅管约为硅管约为700mV)；n电电 位器位器RW的分压比。的分压比。 令令 k1 =2.2/n，则，则 EAB(T ,0)UD /n =EAB (T ,0)700/n 与

48、冷端温度变化无关，得到自动补偿。与冷端温度变化无关，得到自动补偿。 图图7-40 PN结冷端温度补偿器结冷端温度补偿器 7.3.4 热电偶的冷端补偿及处理热电偶的冷端补偿及处理 （3）AD590冷端温度补偿法冷端温度补偿法 AD590冷端温度补偿电路如图冷端温度补偿电路如图7-41所示。所示。 图图7-41 AD590冷端补偿应用冷端补偿应用 Mcz AB RRR TTE I ),(0 zcMRRR、 、 T 0TnT nT A B C D 0T M LR 仪表仪表 AABB 1T2T CC D TE 0T0 T 100()()()TABBDDBEETETE T 200()()()BAACCA

49、ETETET 12()()TABBAEETET 12()()ABABETET AABB 1T2T TE 0T0 T A B 0 T 3T 1E2E3E 仪表仪表3R2R1R 123 3 T EEE E 102030 1 (,)(,)(,) 3 ABABABET TET TET T AABB 1T2T TE 0T AB 3T 仪表仪表 0T 0T0T C CC D D D 10()()TABDCEETET 30()()ABDCETET 20()()ABDCETET 102()()()TABABABEETETET 030()()()ABABABETETET 102030(,)(,)(,)TABABABEET TET TET T 1 3 TEE平均 00()()DCBAETET 0()ABET 7.3.5 热电偶热电势测量及其