02第2章_温度_热电偶冷端补偿与热电阻

1、1 2.2.5 热电偶的冷端补偿热电偶的冷端补偿 原因：原因： 1. 热电偶的测温原理：热电偶的测温原理：E(T, T0) = E(T) - - E(T0) ，只有，只有T0 稳定不变，才能测得稳定不变，才能测得T 2. 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t0 = 0 3. 在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化，这样在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化，这样 t0不但不是不但不是0 C，而且也不恒定，而且也不恒定， 因此将产生误差因此将产生误差 4. 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 C，热电势偏小，应，热电势偏

2、小，应 想办法消除或补偿热电偶的冷端损失想办法消除或补偿热电偶的冷端损失 常用的补偿方法：常用的补偿方法： 冰点法、热电势修正法、冷端补偿器法、补偿导线法冰点法、热电势修正法、冷端补偿器法、补偿导线法 2 （1）冰点法）冰点法 将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中，使将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中，使 冷端的温度保持在冷端的温度保持在0 C不变。此法也称不变。此法也称冰浴法冰浴法，它消除了，它消除了t0 不等于不等于0 C而引入的误差，由于冰融化较快，所以一般只适而引入的误差，由于冰融化较快，所以一般只适 用于用于实验室实验室中。在所有的方法中，精度最高。中。在所有的方法

3、中，精度最高。 在冰瓶中，冰水混合在冰瓶中，冰水混合 物的温度能较长时间地保物的温度能较长时间地保 持在持在0 0 C C不变。不变。 3 冰点法接线图冰点法接线图 1- -被测流体管道被测流体管道，2- -热电偶热电偶，3- -接线盒，接线盒，4- -补偿导线，补偿导线， 5- -铜质导线铜质导线，6- -毫伏表，毫伏表，7- -冰瓶，冰瓶，8- -冰水混合物，冰水混合物， 9- -试管（装有油类或水银），试管（装有油类或水银），10- -新的冷端新的冷端 4 （2）热电势修正法）热电势修正法 将冷端置于已知的恒温条件，保持将冷端置于已知的恒温条件，保持t0稳定不变稳定不变，根据中间，根据中

4、间 温度定律：温度定律： E(t, 0) = E(t , t0) + + E(t0 , 0) 再根据测得的热电势再根据测得的热电势E(t , t0)和查到的和查到的E(t0 , 0)之和去查分之和去查分 度表，即可得到被测的实际温度。度表，即可得到被测的实际温度。 5 例：现镍铬例：现镍铬-镍硅（分度号为镍硅（分度号为K）热电偶测一高温，输出电）热电偶测一高温，输出电 势为势为EAB（T，TN）=33.29mV，已知环境温度，已知环境温度TN=30，求，求 被测温度被测温度T。 解：查表的解：查表的EAB（30，0）=1.2mV EAB（T，0）=EAB（T，30）+EAB（30，0） =33

5、.29+1.203=34.493mV 再查分度号为再查分度号为K的分度表得：的分度表得： T=820时，时，EAB（820，0）=34.095mV T=830时，时，EAB（830，0）=34.502mV T=820+（34.493-34.095）/（34.502- 34.095）*（830-820） = 829.7 热电势修正法举例热电势修正法举例 另：另：33.29mV查表对于查表对于800.3 6 机械零点调整法机械零点调整法 指针被预调到室温（指针被预调到室温（30 C ） 可补偿冷端损失可补偿冷端损失 7 （3）冷端补偿器法）冷端补偿器法 很多工业生产过程既没有保持很多工业生产过程既

6、没有保持0的条件，也的条件，也 没有长期维持参比端恒温的条件，热电偶的参比没有长期维持参比端恒温的条件，热电偶的参比 端温度端温度t0往往是随时间和所处的环境而变化的。往往是随时间和所处的环境而变化的。 在此情况下可以采用冷端补偿器来自动补偿在此情况下可以采用冷端补偿器来自动补偿t0的的 变化。变化。 8 （3）冷端补偿器法）冷端补偿器法 冷端补偿器是一个不平冷端补偿器是一个不平 衡电桥，桥臂衡电桥，桥臂R1=R2=R3 =1，采用锰铜丝无感绕，采用锰铜丝无感绕 制，其电阻温度系数趋于制，其电阻温度系数趋于 零。桥臂零。桥臂R4用铜丝无感绕用铜丝无感绕 制，其电阻温度系数约为制，其电阻温度系数

7、约为 4.310-3-1 当温度为当温度为0时时R4=1。Rg为限流电阻，配用不同分度为限流电阻，配用不同分度 号热电偶时号热电偶时Rg作为调整补偿器供电电流之用。桥路供电电作为调整补偿器供电电流之用。桥路供电电 压为直流电，大小为压为直流电，大小为4V。 9 （3）冷端补偿器法）冷端补偿器法 当热电偶参比端和补偿当热电偶参比端和补偿 器的温度器的温度t0=0时，补偿时，补偿 器桥路四臂电阻器桥路四臂电阻RR4 均为均为1，电桥处于平衡状，电桥处于平衡状 态，桥路输出端电压态，桥路输出端电压Uba ，指示仪表所测得的总，指示仪表所测得的总 电势为电势为 EE(t,t0)+Uba=E(t,0)

8、10 （3）冷端补偿器法）冷端补偿器法 EE(t,t0)+Uba=E(t,0) 当当t0随环境温度增高时，随环境温度增高时，R4增大，增大， 则则a点电位降低，使点电位降低，使Uba增加。同时增加。同时 由于由于t0增高，增高，E(t,t0)将减小。通过合将减小。通过合 理设计桥路限流电阻理设计桥路限流电阻Rg，使，使Uba的的 增加值恰等于增加值恰等于E(t,0)-E(t,t0),那么那么 指示仪表所测得的总电势将不随指示仪表所测得的总电势将不随t0 而变，相当于热电偶参比端自动处而变，相当于热电偶参比端自动处 于于0。 只有在平衡点温度和计算点温度下可以得到完全补偿，而在其它各参比只有在平

9、衡点温度和计算点温度下可以得到完全补偿，而在其它各参比 端温度值时只能得到近似的补偿。因此采用冷端补偿器作为参比端温度的端温度值时只能得到近似的补偿。因此采用冷端补偿器作为参比端温度的 处理方法会带来一定的附加误差。我国工业用的冷端补偿器有两种参数：处理方法会带来一定的附加误差。我国工业用的冷端补偿器有两种参数： 一种是平衡点温度定为一种是平衡点温度定为0；另一种是定为；另一种是定为20。它们的计算点温度均为。它们的计算点温度均为 40。 11 XT-WBC热电偶冷热电偶冷 端补偿器端补偿器 注意：与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥。注意：与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥。 （3）冷端补偿器法）

10、冷端补偿器法 12 热电偶冷端的延长热电偶冷端的延长 采用相对采用相对廉价廉价的补偿导线，可的补偿导线，可延长热电偶的冷延长热电偶的冷 端端，使之远离高温区；可节约大量贵金属；易弯曲，使之远离高温区；可节约大量贵金属；易弯曲， 便于敷设。便于敷设。 补偿导线在补偿导线在0 0100100 C范围内的热电势与配套的热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。电偶的热电势相等，所以不影响测量精度。 补偿导线型号（续）补偿导线型号（续） 2021-6-514 补偿导线分：补偿导线分： 型（与所配的热电极相同的合金）型（与所配的热电极相同的合金） 型（与所配的热电极型（与所配的热

11、电极不同不同的合金）的合金） 注：如镍铬注：如镍铬-考铜的前者（镍铬）为考铜的前者（镍铬）为“+”（用红色标示），（用红色标示）， 后者考铜为后者考铜为“-”（用白色标示）。（用白色标示）。 15 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 16 2.2.6 热电偶实用测温线路热电偶实用测温线路 一、一、测量某点温度的基本电路测量某点温度的基本电路 只要只要C的两端温度的两端温度 相等就对测量精相等就对测量精 度无影响。度无影响。 冷端在仪表外面（可以冷端在仪表外面（可以 在恒温器中）的线路。在恒温器中）的线路。 如果配用仪表是动圈式如果配用仪表是动圈式 的，则补偿导线电阻应

12、的，则补偿导线电阻应 尽量小。尽量小。 17 图图2-14 多点测温线路多点测温线路 1工作端热电偶；工作端热电偶； 2工作端补偿导线；工作端补偿导线； 3接线板；接线板； 4铜导线；铜导线； 5切换开关；切换开关； 6数字显示仪；数字显示仪； 7参比端补偿导线；参比端补偿导线； 8参比端热电偶参比端热电偶 18 mV A A B B A B 2 T1 T 3 T 1 E 2 E 3 E E 一、一、串联电路串联电路 321 EEEE 三个热电偶工作在线三个热电偶工作在线 性区时代表着多点温度之性区时代表着多点温度之 和。任一热电偶烧坏都可和。任一热电偶烧坏都可 立即知道，且可得到较大立即知道

13、，且可得到较大 的电动势。的电动势。 每一热电偶引出的补每一热电偶引出的补 偿导线必须接到仪表的冷偿导线必须接到仪表的冷 端处。端处。 19 二、二、测量两点之间温度差的连接电路测量两点之间温度差的连接电路 用两支同型号热电偶配用相同的补偿导线，使两热电动势用两支同型号热电偶配用相同的补偿导线，使两热电动势 相互抵消，因此可测量温度差值。相互抵消，因此可测量温度差值。 注：热电动势注：热电动势E E必须必须 与温度与温度T T呈线性关系呈线性关系 mV A A A A BB B 1 T 2 T 20 mV A A B B A B 2 T1 T 3 T 1 E 2 E 3 E 1 R 2 R 3

14、 R 三、三、测量多点之间的平均温度的电路测量多点之间的平均温度的电路 并联电路并联电路 三个热电偶工作在线三个热电偶工作在线 性区时代表着平均温度。性区时代表着平均温度。 每个热电偶需串联较大电每个热电偶需串联较大电 阻，且分度与单个热电偶阻，且分度与单个热电偶 一样。一样。 某一热电偶坏了不易某一热电偶坏了不易 及时发现。及时发现。 21 2.3 电阻电阻温度计温度计 本节重点：本节重点： （1）热电阻的测温）热电阻的测温原理原理 （2）热电阻测温的）热电阻测温的特点特点 2.3.1 热电阻的测温原理热电阻的测温原理 利用某些导体或半导体材料的利用某些导体或半导体材料的电阻值随温度变化电阻

15、值随温度变化的的 性质来做成温度测量敏感元件，即热电阻温度计或半导性质来做成温度测量敏感元件，即热电阻温度计或半导 体热敏电阻温度计。体热敏电阻温度计。 大多数金属导体的电阻值与温度大多数金属导体的电阻值与温度t()的关系可表示为的关系可表示为 ： )1 ( 32 0 CtBtAtRRt 22 金属热电阻称为热电阻，半导体热电阻称为热敏电阻。金属热电阻称为热电阻，半导体热电阻称为热敏电阻。 热电阻广泛用来测量热电阻广泛用来测量-200850范围内的温度，少数情况下，范围内的温度，少数情况下， 低温可测量至低温可测量至1K，高温达，高温达1000。标准铂电阻温度计的精确度。标准铂电阻温度计的精确

16、度 高，作为复现国际温标的标准仪器。热电阻也可与温度变送器高，作为复现国际温标的标准仪器。热电阻也可与温度变送器 连接，转换为标准电流信号输出。连接，转换为标准电流信号输出。 金属热电阻和半导体热电阻两大类金属热电阻和半导体热电阻两大类热电阻热电阻 23 热电阻温度计的特点热电阻温度计的特点（与热电偶比较）（与热电偶比较） （1）同样温度下输出信号大，灵敏度高信号大，灵敏度高 例如：例如：0 100 0 100 ，K K热电偶热电偶 0 4.096mV 0 4.096mV S S热电偶热电偶 0 0.646mV 0 0.646mV 而而Pt100Pt100铂电阻铂电阻 100 100欧欧 13

17、8.51 138.51欧欧 （2）测温上限低；测量准确度高测温上限低；测量准确度高 热电阻在热电阻在-200650 -200650 的测量范围内使用；的测量范围内使用； 在低温区，热电偶热电特性非线性大，输出电势小，抗干在低温区，热电偶热电特性非线性大，输出电势小，抗干 扰能力较小，测量误差大。热电阻的线性度、复现性及稳定扰能力较小，测量误差大。热电阻的线性度、复现性及稳定 性均较好，故在测温范围性均较好，故在测温范围630 630 ，测温学上把铂电阻温度，测温学上把铂电阻温度 计选定为基准温度计。计选定为基准温度计。 24 （3）热电阻感温体结构复杂，体积较大，热惯性大， 不适宜测体积狭小和

18、温度变化快的温度，抗冲击和不适宜测体积狭小和温度变化快的温度，抗冲击和 振动性能也差。振动性能也差。 （4）热电阻的测量必须借助于外加电源 通常采用电桥将电阻值转换成电压输出，而热电通常采用电桥将电阻值转换成电压输出，而热电 偶可直接输出；热电偶需自由端温度补偿，热电阻偶可直接输出；热电偶需自由端温度补偿，热电阻 不需，其起始电阻不需，其起始电阻R R0 0 是利用电桥平衡原理自动消去。是利用电桥平衡原理自动消去。 25 热电阻温度传感器材料的选择标准 （1 1）电阻温度系数）电阻温度系数 尽可能大且稳定，有利于提高传尽可能大且稳定，有利于提高传 感器的灵敏度和准确度；感器的灵敏度和准确度；

19、电阻温度系数电阻温度系数：表征金属热电阻阻值随温度的变：表征金属热电阻阻值随温度的变 化大小，其定义式为：化大小，其定义式为： = =（R R100 100-R -R0 0）/100R/100R0 0 （2 2）电阻率尽可能大，有利于减小传感器的体积和）电阻率尽可能大，有利于减小传感器的体积和 热惯性；热惯性； （3 3）在规定的使用温度范围内，其物理与化学性能）在规定的使用温度范围内，其物理与化学性能 要稳定；要稳定； （4 4）材料的复现性好，价格便宜。）材料的复现性好，价格便宜。 26 常用热电阻常用热电阻 用于制造热电阻的材料应具有尽可能大和稳定的电阻温度用于制造热电阻的材料应具有尽可

20、能大和稳定的电阻温度 系数和电阻率，系数和电阻率，R-t关系最好成线性，物理化学性能稳定，复现关系最好成线性，物理化学性能稳定，复现 性好等。性好等。 目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。 (1) 铂热电阻铂热电阻 铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能 可靠，所以在温度传感器中得到了广泛应用。按可靠，所以在温度传感器中得到了广泛应用。按IEC标准，铂标准，铂 热电阻的使用温度范围为热电阻的使用温度范围为-200850。 27 在在0850的温度范围内的温度范围内 Rt = R0(1+At+Bt2) 式中：式中：

21、Rt和和R0铂热电阻分别在铂热电阻分别在t和和0时的电阻值；时的电阻值； A、B和和C常数。常数。 在在ITS90 中，这些常数规定为中，这些常数规定为 A=3.9684710-3/ B=-5.84710-7/2 C=-4.2210-12/4 28 热电阻在温度热电阻在温度t时的电阻值与时的电阻值与0时的电阻值时的电阻值R0有关。有关。 R0=50,100,300三种三种分别为分别为Pt50、Pt100、 、 Pt300 Rt-t的关系表称为分度表的关系表称为分度表 铂热电阻中的铂丝纯度用电阻比铂热电阻中的铂丝纯度用电阻比W（100）表示，即）表示，即 0 100 )100( R R W 式中

22、：式中： R100铂热电阻在铂热电阻在100时的电阻值；时的电阻值； R0铂热电阻在铂热电阻在0时的电阻值。时的电阻值。 电阻比电阻比W（100）越大，其纯度越高。按）越大，其纯度越高。按IEC标准，工业使用的标准，工业使用的 铂热电阻的铂热电阻的W1001.3851。目前技术水平可达到。目前技术水平可达到W（100） =1.3930， 其对应铂的纯度为其对应铂的纯度为99.9995%。 29 我国机械行业标准我国机械行业标准JB/T 8622 JB/T 8622 规定的工业用铂电阻允差：规定的工业用铂电阻允差： A级：(0.15+0.002 t ) B级：(0.3+0.005 t ) t 为

23、温度的绝对值， 换算成换算成00时电阻误差：时电阻误差： A级：0.06%R0 B级：0.12% R0 温度误差与阻值误差的关系温度误差与阻值误差的关系，以以P Pt100t100为例为例( (R0=100） 灵敏度大约0.385/ 0.3*0.385/=0.115=0.12 0.12/100=0.12% 30 (2) 铜热电阻铜热电阻 由于铂是贵重金属，因此，在一些测量精度由于铂是贵重金属，因此，在一些测量精度 要求不高且温度较低的场合，可采用铜热电阻进行测温，它的要求不高且温度较低的场合，可采用铜热电阻进行测温，它的 测量范围为测量范围为-50150。 铜热电阻在测量范围内其电阻值与温度的

24、关系可近似地表铜热电阻在测量范围内其电阻值与温度的关系可近似地表 示为示为 Rt= R0 (1+At+Bt2+Ct3) 式中式中A=4.2889910-3(-1); B=-2.13310-7(-2); C=1.23310-9 (-3) 。 铜热电阻有两种分度号，分别为铜热电阻有两种分度号，分别为Cu50和和Cu100。 铜热电阻线性好，价格便宜，但它测量范围窄，易氧化，铜热电阻线性好，价格便宜，但它测量范围窄，易氧化， 不适宜在腐蚀性介质或高温下工作。不适宜在腐蚀性介质或高温下工作。 31 2.3.2 热电阻的结构热电阻的结构 热电阻结构 直径直径1 mm的银的银 丝或镀银铜丝丝或镀银铜丝 云

25、母、石英或陶云母、石英或陶 瓷塑料瓷塑料 双线无感双线无感 绕法绕法 外接线路外接线路 相连相连 电阻丝和电阻丝和 电阻支架电阻支架 测量电路：经常采用电桥电路测量电路：经常采用电桥电路 32 图图 内部引线方式内部引线方式 电 阻 体 二 线 制 电 阻 体 三 线 制 电 阻 体 四 线 制 连接方式：引线方式有二线制、三线制和四线制三种连接方式：引线方式有二线制、三线制和四线制三种 二线制中引线二线制中引线 电阻对测量影电阻对测量影 响大，响大， 用于用于 测温精度不高测温精度不高 的场合的场合 三线制可以减小热电三线制可以减小热电 阻与测量仪表之间连阻与测量仪表之间连 接导线的电阻因环

26、境接导线的电阻因环境 温度变化所引起的测温度变化所引起的测 量误差。量误差。 四线制可以完全消四线制可以完全消 除引线电阻对测量除引线电阻对测量 的影响，用于高精的影响，用于高精 度温度检测。度温度检测。 33 图图 热电阻传感器热电阻传感器 显 示 仪 表 控 制 室现 场 热 电 阻 热电阻传感器由热电阻、连接导线及显示仪表组成，如下图所示。热电阻传感器由热电阻、连接导线及显示仪表组成，如下图所示。 34 2.3.3 2.3.3 特殊特殊热电阻热电阻 铠装热电阻铠装热电阻 薄膜铂电阻薄膜铂电阻 厚膜铂电阻厚膜铂电阻 热敏电阻热敏电阻 35 铠装热电阻铠装热电阻 它是将它是将热电阻装入有内引线的金属套管内，热电阻装入有内引线的金属套管内，并并 用用氧化镁填实、焊封而成的坚实整体。氧化镁填实、焊封而成的坚实整体。 外径尺寸小，响应速度快，抗振，可挠外径尺寸小，响应速度快，抗振，可挠。 36 薄膜铂热电阻 它以激光喷镀，显微照相和平版印刷光刻技术对电 阻值以数字修整方式作出微调，因而能提供最精确的 电阻值。 1、阻值：PT20、PT50、PT100、PT200、PT500、PT1000 2、级别：A级，B级，1/