热电式传感器

1、6.1 热电偶温度传感器热电偶温度传感器6.2 电阻式温度传感器电阻式温度传感器 第六章第六章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器：热电式传感器：将温度变化转换成电参量变化的装置。将温度变化转换成电参量变化的装置。热电式传感器热电式传感器热电偶传感器热电偶传感器：温度变化：温度变化 热电势变热电势变化化热电阻热电阻：金属式：金属式热敏电阻热敏电阻：半导体式：半导体式热电阻热电阻：温度变化：温度变化 电阻变化电阻变化热处理温控系统热处理温控系统6.1 热电偶温度传感器热电偶测温系统组成热电偶测温系统组成 如图如图6-1所示。所示。（1）热电极：）热电极：组成热电偶组成热电偶的两根导体或半导体。

2、的两根导体或半导体。（2）热端：）热端：直接置于被测直接置于被测温场中的一端称为温场中的一端称为热端，热端，又称又称测量端、工作端。测量端、工作端。 图61 热电偶测温系统示意图（3）冷端：）冷端：与导线连接的一端称为与导线连接的一端称为冷端，冷端，又称又称参考端、自由参考端、自由端。端。热电偶基本概念：热电偶基本概念：（自发（自发电型传感器：温度电型传感器：温度 mV级热电势）级热电势）特点：特点：性能稳定、结构简单、使用方便、测温范围广（性能稳定、结构简单、使用方便、测温范围广（-270 1800 1800 ）、准确度较高、信号可以远传等。）、准确度较高、信号可以远传等。 一、一、 热电偶

3、测温原理热电偶测温原理、热电效应、热电效应两种不同材料的导体（或半导体）组成一个闭合回路两种不同材料的导体（或半导体）组成一个闭合回路(如图如图-所示所示)，当两接点温度，当两接点温度T和和T0不同时，则在该回路中就会产生电不同时，则在该回路中就会产生电动势，这种现象称为动势，这种现象称为热电效应热电效应, 该电动势称为该电动势称为热电势热电势。TT0AB图热电偶回路两种不同的金属两种不同的金属A和和B构成闭合回路构成闭合回路当两个接触端当两个接触端 T T0时，回路中会产生热电势。时，回路中会产生热电势。热电效应热电效应两种不同的金属两种不同的金属A和和B构成闭合回路构成闭合回路当两个接触端

4、当两个接触端 T T0时，回路中会产生热电势时，回路中会产生热电势、热电动势的形成、热电动势的形成（）接触电势：接触电势：接触电势是接触电势是由于两种不同导体的自由电子密度由于两种不同导体的自由电子密度不同（设不同（设）而在接触处形成的电动势）而在接触处形成的电动势。两种导体接触。两种导体接触时，自由电子由密度大的导体向密度小的导体扩散，在接触处形时，自由电子由密度大的导体向密度小的导体扩散，在接触处形成静电场，又阻碍扩散运动，最后达到动平衡时，在接成静电场，又阻碍扩散运动，最后达到动平衡时，在接触面的两侧就形成稳定的接触电势。两接点的接触电势触面的两侧就形成稳定的接触电势。两接点的接触电势A

5、B(T)和和AB（T0）可表示为）可表示为 )()0()0(1)()()(1)(000)TETNTNneKTTETETNTNneKTTEBABAABBABAAB(-)(-) 式中：式中： K波尔兹曼常数；波尔兹曼常数；(1.381010-23-23J/K)J/K) e单位电荷电量；单位电荷电量； (1.60210-19-19C) NA（T）、NB（T）和和NA（T0）、NB（T0）温度分别温度分别为为T和和T0时，时，A、B两种材料的电子密度。两种材料的电子密度。 )()0()0(1)()()(1)(000)TETNTNneKTTETETNTNneKTTEBABAABBABAAB可见，接触电势

6、的大小取决于两种不同导体的电子密度可见，接触电势的大小取决于两种不同导体的电子密度和接触点的温度和接触点的温度。（）（）温差电势温差电势 温差电势是温差电势是同一导体的两端因其温同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势度不同而产生的一种电动势。同一导体。同一导体的两端温度不同（设）时，高的两端温度不同（设）时，高温端的电子能量要比低温端的电子能量温端的电子能量要比低温端的电子能量大，因而从高温端跑到低温端的电子数大，因而从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多，结果高比从低温端跑到高温端的要多，结果高温端因失去电子而带正电，低温端因获温端因失去电子而带正电，低温端因获得多余的电

7、子而带负电，因此，在导体得多余的电子而带负电，因此，在导体两端便形成温差电势。两端便形成温差电势。温差电势其大小温差电势其大小由下面公式给出：由下面公式给出： ), 0()(1),(), 0()(1),(0000TTEtNdNeKTTETTEtNdNeKTTEBBtBtTTBAAtAtTTA(-)式中式中, NAt和和NBt分别为分别为A导体和导体和B导体的电子导体的电子密度，是温度的函数。密度，是温度的函数。 可见，温差电势的大小只与导体可见，温差电势的大小只与导体材料（电子密度）和两端温度有关。材料（电子密度）和两端温度有关。（）热电偶回路中产生的总热电势热电偶回路中产生的总热电势在图在图

8、-所示的热电偶回路中产生的总热电势为所示的热电偶回路中产生的总热电势为 AB(T, T0)=AB(T)+B(T,T0)-AB(T0)-A(T,T0) TT0AB)(TEAB),(0TTEB),(0TTEA),(0TTEB)(0TEAB图 热电偶回路总热电势 在总热电势中，在总热电势中，温差电势比接触电势小很多，可忽略不计温差电势比接触电势小很多，可忽略不计， 则则热电偶的热电势热电偶的热电势可表示为可表示为 AB(T,T0)=AB(T)-AB(T0) （-7） 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T0恒定时，恒定时，AB(T0)=c为常数，则总的热电动势就只与温度为

9、常数，则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系成单值函数关系，即，即 AB(T,T0) =AB(T)-c = f(T) （-） 这一关系式在实际测量中是很有用的，即这一关系式在实际测量中是很有用的，即只要测出只要测出EAB（T， T0）的大小，就能得到被测温度）的大小，就能得到被测温度T，这就是利，这就是利用热电偶测温的原理。用热电偶测温的原理。 AB(T, T0)=AB(T)+B(T,T0)-AB(T0)-A(T,T0) （1） 热电偶回路热电偶回路热电动势热电动势的大小只与组成热电偶的的大小只与组成热电偶的材料和端点的温度有关；材料和端点的温度有关；与热电偶的尺寸、形状无关。与热电偶的尺寸

10、、形状无关。（2）热电偶的两个热电极必须使用不同的材料热电偶的两个热电极必须使用不同的材料，相，相同材料不会产生热电动势。同材料不会产生热电动势。（3）只有当热电偶两端温度不同时，不同材料组成只有当热电偶两端温度不同时，不同材料组成的热电偶才能的热电偶才能产生产生热电动势热电动势；当热电偶两端温度相；当热电偶两端温度相同时，不同材料组成的热电偶也不产生热电动势。同时，不同材料组成的热电偶也不产生热电动势。 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来热电势与温度之间关系是通过热电偶分度表来确定的。确定的。分度表分度表是是在参考端温度为在参考端温度为0时时, 通过实验建立起来

11、的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热电势与工作端温度之间的数值对应关系。用热电偶测温。用热电偶测温, 还要还要掌握热电偶基本定律。掌握热电偶基本定律。 3、 热电偶基本定律热电偶基本定律 （1 ）中间导体定律）中间导体定律内容内容 在热电偶回路中在热电偶回路中, 接入接入第三种材料的导体第三种材料的导体, 只要只要中间导体两端温度相同中间导体两端温度相同,该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。 证明证明 接入第三种导体回路等效原理如图接入第三种导体回路等效原理如图 所示。所示。 由于温差电势可忽略不计由于温差电势可忽略

12、不计, 则回路中的总热则回路中的总热电势等于各接点的接触电势之和。电势等于各接点的接触电势之和。 即即 EABC(T,T0)=EAB(T)+EBC(T0)+ECA(T0) 当当T= T0 时时, 有有 BC(T0)+ECA(T0)= - E(T0) 得得 (T, T0)=EAB(T)-EAB(T0)=EAB(T, T0) 同理同理, 加入第四、第五种导体后加入第四、第五种导体后, 只要加入的导体两端温度只要加入的导体两端温度相等相等, 同样不影响回路中的总热电势同样不影响回路中的总热电势。 0lnlnln),(0000000000ATCTCTBTBTATABCNNeKTNNeKTNNeKTTT

13、E应用应用 中间导体定律使得热电势测量成为可中间导体定律使得热电势测量成为可能。能。因热电势测量必须接入导线和仪表，因热电势测量必须接入导线和仪表，相当于接入第三种导体，只要保持第三种相当于接入第三种导体，只要保持第三种导体两端温度相同就不影响总电动势。导体两端温度相同就不影响总电动势。 实际应用中可方便地在热电偶回路中实际应用中可方便地在热电偶回路中直接接入各种显示仪表和放大电路，也可直接接入各种显示仪表和放大电路，也可将热电偶两端不焊接而直接插入液态金属将热电偶两端不焊接而直接插入液态金属中或直接焊在金属表面上进行温度测量。中或直接焊在金属表面上进行温度测量。（2）中间温度定律）中间温度定

14、律 内容内容 热电偶回路两接点温度为热电偶回路两接点温度为T、T0间间的热电势，等于热电偶在接点温度为的热电势，等于热电偶在接点温度为T、Tn和和Tn、T0时的热电势的代数和。时的热电势的代数和。 )(),(),(00TTETTETTEnABnABAB即即证明证明 0000ABABEETTETETETETETETETTTTABABABABnABnABABnn，即即)(),(),(00TTETTETTEnABnABAB，应用应用 中间温度定律为中间温度定律为热电偶补偿导线的使用热电偶补偿导线的使用和和冷端温度计冷端温度计算修正算修正提供了理论依据。提供了理论依据。 热电偶分度表按冷端温度为热电偶

15、分度表按冷端温度为0时分度，若在实际热时分度，若在实际热电偶测温回路中电偶测温回路中,冷端温度不为冷端温度不为0，则可视实际冷端温度，则可视实际冷端温度T0为中间温度为中间温度Tn，则满足，则满足 )0(),()0 ,(00，TETTETEABABAB二、热电偶种类与结构二、热电偶种类与结构 理论上讲理论上讲, 任何两种不同材料的导体都可以组成热电偶任何两种不同材料的导体都可以组成热电偶, 但为但为了准确可靠地测量温度了准确可靠地测量温度, 对组成热电偶的材料必须经过严格的选对组成热电偶的材料必须经过严格的选择。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

16、电势变化尽量热电势变化尽量大大, 热电势与温度关系尽量接近线性关系热电势与温度关系尽量接近线性关系, 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, 便于成批生产便于成批生产, 有良好的互换性。有良好的互换性。 （一）标准热电偶（一）标准热电偶 目前在国际上被公认比较好的热电材料只有几种。国际电目前在国际上被公认比较好的热电材料只有几种。国际电工委员会（工委员会（IEC）向世界各国推荐）向世界各国推荐S、B、K、E、J、T、R共共8种种标准化热电偶标准化热电偶, 所谓所谓标准化热电偶标准化热电偶, 它它已列入工业标准化文件中已列入工业标准化文件中, 具有统一的分度号

17、（名称用专用的字母表示）和分度表具有统一的分度号（名称用专用的字母表示）和分度表。 我国我国从从1988年开始采用年开始采用IEC标准生产热电偶。标准生产热电偶。热电偶名称由热电极材热电偶名称由热电极材料命名，正极写在前面，负极写在后面。料命名，正极写在前面，负极写在后面。表表6-1 为我国采用的几为我国采用的几种热电偶的主要性能和特点。种热电偶的主要性能和特点。 名名 称称分度号分度号代号代号测温范围测温范围/ C100 C时的时的热电势热电势/mV/mV特特 点点铂铑铂铑30铂铑铂铑6 B (LL-2)WRRWRR50 18200.033 熔点高，测温上限熔点高，测温上限高，性能稳定，精度

18、高，高，性能稳定，精度高，100 C以下热电势极小，所以下热电势极小，所以可不必考虑冷端温度补偿；以可不必考虑冷端温度补偿；价昂，热电势小，线性差；价昂，热电势小，线性差；只适用于高温域的测量只适用于高温域的测量铂铑铂铑13铂铂R(PR)-50 17680.647 使用上限较高，精使用上限较高，精度高，性能稳定，复现性好；度高，性能稳定，复现性好；但热电势较小，不能在金属但热电势较小，不能在金属蒸气和还原性气氛中使用，蒸气和还原性气氛中使用，在高温下连续使用时特性会在高温下连续使用时特性会逐渐变坏，价昂；多用于精逐渐变坏，价昂；多用于精密测量密测量铂铑铂铑10铂铂S(LB-3)WRPWRP-5

19、0 17680.646 优点同上；但性能优点同上；但性能不如不如R热电偶；长期以来曾热电偶；长期以来曾经作为国际温标的法定标准经作为国际温标的法定标准热电偶热电偶表表6-1 热电偶特性表热电偶特性表镍铬 - 镍硅K(EU-2)WRN-27013704.096 热电势大，线性好，稳定性好，价廉；但材质较硬，在1000C以上长期使用会引起热电势漂移；多用于工业测量镍铬硅镍硅N-27013002.744 是一种新型热电偶，各项性能均比K热电偶好，适宜于工业测量镍铬铜镍 （康铜）E(EA-2)WRK-2708006.319 热电势比K热电偶大50%左右，线性好，耐高湿度，价廉；但不能用于还原性气氛；多

20、用于工业测量铁铜镍 （康铜）J(JC)-2107605.269 价格低廉，在还原性气体中较稳定；但纯铁易被腐蚀和氧化；多用于工业测量铜铜镍 （康铜）T(CK)WRC-2704004.279 价廉，加工性能好，离散性小，性能稳定，线性好，精度高；铜在高温时易被氧化，测温上限低；多用于低温域测量。可作（-2000）C温域的计量标准铂铑30表示该合金含70%的 铂及30% 的铑，以下类推。括号内为我国旧的分度号。工作端温度 0102030405060708090热 电 动 势 mV-200-5.603-5.753 -5.889-6.007-6.105 -6.181 -6.232 -6.258 -10

21、0-3.378-3.378-3.923-4.177-4.419-4.648-4.865-5.069-5.261-5.439-00.0000.383-0.757-1.121-1.475-1.819-2.152-2.475-2.788-3.08900.0000.3910.7891.1961.6112.0352.4672.9803.3573.8131004.2774.7495.2275.7126.2046.7027.2077.7188.2358.7572009.2689.82010.36010.90511.45612.01112.57213.13713.70714.28130014.86015.44

22、316.03016.62117.21717.81618.42019.02719.63820.25240020.869 表表6-6 铜铜-康铜热电偶（分度号康铜热电偶（分度号T）分度表）分度表冷端温度冷端温度0 （二）非标准化热电偶（二）非标准化热电偶 非标准化热电偶在生产工艺上还不够成熟，在应非标准化热电偶在生产工艺上还不够成熟，在应用范围和数量上均不如标准化热电偶。用范围和数量上均不如标准化热电偶。没有统一的分度没有统一的分度表，也没有与其配套的显示仪表表，也没有与其配套的显示仪表。能满足一些特殊条件能满足一些特殊条件下测温的需要，如超高温、极低温、高真空或核辐射环下测温的需要，如超高温、极

23、低温、高真空或核辐射环境。境。 非标准化热电偶由铂铑系、铱铑系、钨铼系及金铁非标准化热电偶由铂铑系、铱铑系、钨铼系及金铁热电偶、双铂钼等热电偶。热电偶、双铂钼等热电偶。 如铱如铱50铑铑铱铱10钌、铱铑钌、铱铑40-铱、铱铑铱、铱铑60-铱热电偶。铱热电偶。它能在氧化环境中测量高达它能在氧化环境中测量高达2100的高温，且热电动势与温的高温，且热电动势与温度关系线性好。度关系线性好。 60年代发展起来的，是目前一种较好的高温热电偶，可年代发展起来的，是目前一种较好的高温热电偶，可使用在真空惰性气体介质或氢气介质中，但高温抗氧能力差。使用在真空惰性气体介质或氢气介质中，但高温抗氧能力差。国产钨铼

24、国产钨铼3-钨铼钨铼25、钨铼、钨铼-钨铼钨铼20热电偶使用温度范围在热电偶使用温度范围在3002000，分度精度为，分度精度为1。主要用于钢水连续测温、反应堆测温。主要用于钢水连续测温、反应堆测温等场合。等场合。主要用在低温测量，可在主要用在低温测量，可在2273K范围内使用，灵敏度约为范围内使用，灵敏度约为10V。 是一种高输出性能的热电偶，在是一种高输出性能的热电偶，在1398时的热电势为时的热电势为47.255mV，比铂铑，比铂铑10铂热电偶在同样温度下的热电势高铂热电偶在同样温度下的热电势高出出3倍，因而可配用灵敏度较低的指示仪表，常应用于航空倍，因而可配用灵敏度较低的指示仪表，常应

25、用于航空工业。工业。 （三）（三） 热电偶的结构形式热电偶的结构形式 为了适应不同生产对象的测温要求和条件，热电偶的结构为了适应不同生产对象的测温要求和条件，热电偶的结构形式有形式有普通型普通型热电偶、热电偶、铠装型铠装型热电偶和热电偶和薄膜热电偶薄膜热电偶等。等。 1、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，它一般由普通型结构热电偶工业上使用最多，它一般由热电极热电极、绝绝缘套管缘套管、保护管保护管和和接线盒接线盒组成，其结构如图组成，其结构如图6-9 所示。感温元所示。感温元件结构如图件结构如图6-8所示。普通型热电偶按其安装时的所示。普通型热电偶按其安装时的连接形式连

26、接形式可分可分为为固定螺纹连接固定螺纹连接、固定法兰连接固定法兰连接、活动法兰连接活动法兰连接、无固定装置无固定装置等多种形式。等多种形式。 接线盒热电极热端绝缘管保护管图6-9 普通型热电偶结构 图6-8 热电偶的感温元件接线盒接线盒引出线套管引出线套管 不锈钢不锈钢保护管保护管 固定螺纹固定螺纹 热电偶工作端（热端）热电偶工作端（热端） 普通热电偶的结构普通热电偶的结构无固定装置热电偶无固定装置热电偶固定螺纹式热电偶固定螺纹式热电偶活动法兰式热电偶活动法兰式热电偶固定法兰式热电偶固定法兰式热电偶固定螺纹锥形热电偶固定螺纹锥形热电偶直形管接头式热电偶直形管接头式热电偶 2、铠装型热电偶、铠装

27、型热电偶 铠装热电偶又称铠装热电偶又称套管热电偶（铠缆热电偶）套管热电偶（铠缆热电偶）。它是。它是由热由热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体体，如图，如图15-12所示。它可以做得很细很长，使用中随需要能所示。它可以做得很细很长，使用中随需要能任意弯曲。任意弯曲。 铠装热电偶的铠装热电偶的主要优点主要优点是测温端是测温端热容量小，动态响应快，热容量小，动态响应快，机械强度高，挠性好，机械强度高，挠性好，可安装在结构复杂的装置上，因此被广可安装在结构复杂的装置上，因此被广泛用在许多工业部门中。泛用在许多工业部门中。 铠装

28、型热电偶铠装型热电偶可长达上铠装型热电偶可长达上百米百米铠装型热电偶外形铠装型热电偶外形防水式铠装热电偶防水式铠装热电偶圆接插式铠装热电偶圆接插式铠装热电偶扁接插式铠装热电偶扁接插式铠装热电偶手柄式铠装热电偶手柄式铠装热电偶补偿导线式铠装热电偶补偿导线式铠装热电偶江苏金科仪表有限公司防喷式铠装热电偶防喷式铠装热电偶3、薄膜热电偶、薄膜热电偶 薄膜热电偶是薄膜热电偶是由两种薄膜热电极材料用真空蒸镀、化学涂由两种薄膜热电极材料用真空蒸镀、化学涂层等办法蒸镀到绝缘基板上而制成层等办法蒸镀到绝缘基板上而制成的一种特殊热电偶，的一种特殊热电偶， 如图所如图所示。示。 12347561 测 量 端 ； 2

29、 绝 缘 基 板 ； 3、 4 热 电 极 ； 5、 6 引 出 线 ； 7接 头 夹 具 薄膜热电偶的热接点可以做得很小（可薄到薄膜热电偶的热接点可以做得很小（可薄到0.010.1m），具有），具有热容量小、反应速度快热容量小、反应速度快等特点，等特点， 热响应时间热响应时间达到微秒级达到微秒级，适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量。由于使用温度受胶粘剂和衬垫材料限制，目动态温度测量。由于使用温度受胶粘剂和衬垫材料限制，目前只能用于前只能用于-200300 范围。范围。4、表面热电偶、表面热电偶 主要用于测量金属块、炉壁、涡轮叶片、轧辊

30、等固体表主要用于测量金属块、炉壁、涡轮叶片、轧辊等固体表面温度。面温度。5、浸入式热电偶、浸入式热电偶 主要用于测量钢水、铜水、铝水及熔融合金的温度。主要用于测量钢水、铜水、铝水及熔融合金的温度。三、 热电偶冷端温度的补偿方法热电偶冷端温度的补偿方法冷端温度补偿修正的原因：冷端温度补偿修正的原因： 当热电偶材料选定以后，热电动势只与热端和冷端温当热电偶材料选定以后，热电动势只与热端和冷端温度有关。因此度有关。因此只有当冷端温度恒定时，热电偶的热电势和只有当冷端温度恒定时，热电偶的热电势和热端温度才有单值的函数关系热端温度才有单值的函数关系。此外。此外热电偶的分度表是以热电偶的分度表是以冷端温度

31、冷端温度0作为基准进行分度的，而在实际使用过程中，作为基准进行分度的，而在实际使用过程中，冷端因靠近被测对象，受到周围环境温度的影响，其温度冷端因靠近被测对象，受到周围环境温度的影响，其温度不是恒定的，冷端温度往往也不为不是恒定的，冷端温度往往也不为0，所以必须对冷端温，所以必须对冷端温度进行处理，消除冷端温度的影响。度进行处理，消除冷端温度的影响。 热端温度为热端温度为t时，分度表所对应的热电势时，分度表所对应的热电势EAB(t, 0)与热电与热电偶实际产生的热电势偶实际产生的热电势EAB(t,t0)之间的关系可根据中间温度定律之间的关系可根据中间温度定律得到下式：得到下式： EAB(t,0

32、)= EAB(t,t0)+EB(t0，0) 由此可见，由此可见，EAB(t0，0)是冷端温度是冷端温度t0的函数，因此需要对热的函数，因此需要对热电偶冷端温度进行处理。电偶冷端温度进行处理。 （一）（一） 热电偶补偿导线热电偶补偿导线 在实际测温时，需要把热电偶输出的电势信号传输到远离在实际测温时，需要把热电偶输出的电势信号传输到远离现场数十米远的控制室里的显示仪表或控制仪表，这样现场数十米远的控制室里的显示仪表或控制仪表，这样, 冷端冷端温度温度t0比较稳定。热电偶一般做得较短，比较稳定。热电偶一般做得较短， 一般为一般为3502000mm，需要用导线将热电偶的冷端延伸出来。需要用导线将热电

33、偶的冷端延伸出来。 工程中采用一种工程中采用一种补偿补偿导线导线，它是，它是由两种不同性质的廉价金属导线制成，而且在一定由两种不同性质的廉价金属导线制成，而且在一定温度范围（温度范围（ 0100）内，与所配接的热电偶具有相同的热）内，与所配接的热电偶具有相同的热电特性的特殊导线。电特性的特殊导线。 表表6-2 常用热电偶补偿导线常用热电偶补偿导线延伸型（延伸型（X）补偿导线：）补偿导线：选用的金属材料与热电极材料相同；选用的金属材料与热电极材料相同；补偿型（补偿型（C）补偿导线：）补偿导线：选用的金属材料与热电极材料不同；选用的金属材料与热电极材料不同； 使用补偿导线时，要注意补偿导线型号与热

34、电偶型号匹使用补偿导线时，要注意补偿导线型号与热电偶型号匹配、正负极与热电偶正负极对应连接、补偿导线所处温度不配、正负极与热电偶正负极对应连接、补偿导线所处温度不超过使用温度范围。超过使用温度范围。AB屏蔽层屏蔽层保护层保护层补偿导线外形补偿导线外形 热电偶用补偿导线的作用是用来延伸热电偶的冷端，与测温仪连接构成测热电偶用补偿导线的作用是用来延伸热电偶的冷端，与测温仪连接构成测温系统。本产品等效采用温系统。本产品等效采用IEC584-3热电偶第三部分热电偶第三部分补偿导线补偿导线国际标国际标准准。产品技术优于。产品技术优于GB4989-94热电偶用补偿导线热电偶用补偿导线国家标准国家标准，耐热

35、补偿导，耐热补偿导线绝缘层和护层选用进口优质氟塑料，并采用了整体连续挤出新工艺线绝缘层和护层选用进口优质氟塑料，并采用了整体连续挤出新工艺,使该产品使该产品具有优良的防水、耐酸、碱、耐化学试剂、耐磨、耐油、耐老化和不燃之性能，具有优良的防水、耐酸、碱、耐化学试剂、耐磨、耐油、耐老化和不燃之性能，可浸入油水中长期使用，使用温度在可浸入油水中长期使用，使用温度在-60205，属于当代国际先进水平。，属于当代国际先进水平。沈阳瑞华特种电缆厂沈阳瑞华特种电缆厂（二）（二） 冷端温度校正法冷端温度校正法 采用补偿导线可使热电偶的冷端延伸到温度比较稳定的地采用补偿导线可使热电偶的冷端延伸到温度比较稳定的地

36、方，但方，但只要冷端温度只要冷端温度t0不等于不等于0，需要对热电偶回路的测量电，需要对热电偶回路的测量电势值势值EAB（t，t0）加以修正）加以修正。1、计算修正法、计算修正法 当工作端温度为当工作端温度为t时，分度表所对应的热电势时，分度表所对应的热电势EAB(t,0)与热电与热电偶实际产生的热电势偶实际产生的热电势EAB(t,t0)之间的关系可根据之间的关系可根据中间温度定律中间温度定律得得到下式：到下式： EAB(t,0)= EAB(t,t0)+EAB(t0，0) （6-14） 由此可见，测量电势值由此可见，测量电势值EAB(t, t0)的修正值为的修正值为EAB(t0, 0)。EAB

37、(t0，0)是参考端温度是参考端温度t0的函数，经的函数，经修正后的热电势为修正后的热电势为EAB（t，0），）， 可由分度表中查出被测实际温度值可由分度表中查出被测实际温度值t。 热电偶分度表的查表使用方法热电偶分度表的查表使用方法内插法内插法由由)0 ,()0 ,()0 ,()0 ,(121121tEtEtEtEtttt可得可得)0 ,()0 ,()0 ,()0 ,(112121tEtEtEtEtttt)()0 ,()0 ,()0 ,()0 ,(112121tttttEtEtEtE【已知【已知E(t,0)求求t】【已知【已知t求求E(t,0)】【例【例 】 用镍铬用镍铬-镍硅热电偶测量加热

38、炉温度。已知冷端温镍硅热电偶测量加热炉温度。已知冷端温度度t0=30，测得热电势，测得热电势EAB（t，t0）为）为33.29mV, 求加热求加热炉温度。炉温度。 解解：查镍铬：查镍铬-镍硅热电偶分度表得镍硅热电偶分度表得EAB（30，0）=1.203 mV。 由中间温度定律可得由中间温度定律可得 EAB（t，0）= EAB(t,t0)+EAB(t0,0)=33.29+1.203=34.493mV由镍铬由镍铬-镍硅热电偶分度表得镍硅热电偶分度表得 t=829.5。 由分度表查得由分度表查得 E (20,0 ) = 0.113 mv E (20,0 ) = 0.113 mv 则则 E (t, 0

39、) = E (t, tE (t, 0) = E (t, t0 0)+E (t)+E (t0 0, 0) , 0) = 7.32 + 0.113 = 7.32 + 0.113 = 7.434 mv = 7.434 mv再查分度表得其对应的被测温度再查分度表得其对应的被测温度t = 808t = 808练习练习 用用S S型热电偶测温，热电偶的冷端温度型热电偶测温，热电偶的冷端温度t t0 0=20=20，测得热电势为，测得热电势为7.32 mv7.32 mv，求被测对象的实际温度，求被测对象的实际温度t t 。解解2、温度显示仪表机械零位调整法、温度显示仪表机械零位调整法 当热电偶通过补偿导线接

40、至显示仪表时，若冷端温度已当热电偶通过补偿导线接至显示仪表时，若冷端温度已知且恒定（不为知且恒定（不为0 ）时，）时，可在未接入热电偶之前，预先将有可在未接入热电偶之前，预先将有零位调整器的显示仪表的指针从刻度的初始值（零位调整器的显示仪表的指针从刻度的初始值（ 0 ）调至）调至已知的冷端温度值上，由于此时外部输入电势为零，调整机已知的冷端温度值上，由于此时外部输入电势为零，调整机械零位相当于预先给仪表输入一个电势械零位相当于预先给仪表输入一个电势E(t0,0)。当接入热电偶。当接入热电偶后，输入热电势后，输入热电势E(t,t0)与预置电势与预置电势E(t0,0)叠加，使回路总电势叠加，使回路

41、总电势正好为正好为E(t,0)此后仪表的指示值即为热端温度此后仪表的指示值即为热端温度t。 指针被预指针被预调到室温（调到室温（40 C ），）， 可补可补偿冷端温度偿冷端温度答：答： 不对。不对。 因为热电势与温度为非线性，在此认为：因为热电势与温度为非线性，在此认为：E（430，30）E（400，0）是错误的。）是错误的。 正确做法：正确做法： 应将显示表得机械零位从应将显示表得机械零位从0 调至调至30 后再后再接入热电偶后的读数即为实际温度值。接入热电偶后的读数即为实际温度值。【例】【例】现用一支现用一支E型热电偶测温，其冷端温度为型热电偶测温，其冷端温度为30 ，动圈显，动圈显示仪表

42、（机械零位在示仪表（机械零位在0 ）指示值为）指示值为400 ，则认为热端实际温，则认为热端实际温度为度为430 ，对不对？为什么？正确的测温方法应如何做？，对不对？为什么？正确的测温方法应如何做？3、 冷端恒温法冷端恒温法 （1）0恒温法：恒温法：在实验室及精密测量中，通常把冷端放入在实验室及精密测量中，通常把冷端放入0恒温器或装满冰水混合物的容器中，以便冷端温度保持恒温器或装满冰水混合物的容器中，以便冷端温度保持0，这种方法又称这种方法又称冰浴法冰浴法。这是实验室常用的补偿方法，但工业中。这是实验室常用的补偿方法，但工业中使用极为不便。使用极为不便。 （2）其它恒温法：）其它恒温法：把热电

43、偶冷端放入各种恒温器内，把热电偶冷端放入各种恒温器内，使其温度保持恒定。使其温度保持恒定。如盛有变压器油的容器、电加热恒如盛有变压器油的容器、电加热恒温器等，这类恒温器的温度不是温器等，这类恒温器的温度不是0，所以最后还需对，所以最后还需对热电偶进行冷端温度修正。热电偶进行冷端温度修正。4、 冷端温度自动补偿法冷端温度自动补偿法 （1）补偿电桥法：）补偿电桥法：利用不平衡电桥产生的不平衡电压利用不平衡电桥产生的不平衡电压作为补偿信号，来自动补偿热电偶测量过程中因冷端温作为补偿信号，来自动补偿热电偶测量过程中因冷端温度不为度不为0或变化而引起热电势的变化值或变化而引起热电势的变化值。 补偿器（补

44、偿电桥）的应用补偿器（补偿电桥）的应用如图所示，它由三个电阻温度如图所示，它由三个电阻温度系数较小的锰铜丝绕制的电阻系数较小的锰铜丝绕制的电阻R1、R2、R3及电阻温度系数较大及电阻温度系数较大的铜丝绕制的的铜丝绕制的热电阻热电阻Rcu和稳压电源和稳压电源组成，组成，RS是是限流分压电限流分压电阻，阻值因阻，阻值因配用的热电配用的热电偶不同而不同。偶不同而不同。 补偿电桥与热电偶冷端处在同一环境温度补偿电桥与热电偶冷端处在同一环境温度，当冷端温度变，当冷端温度变化引起的热电势化引起的热电势EAB(t,t0)变化时，由于变化时，由于Rcu的阻值随冷端温度变的阻值随冷端温度变化而变化化而变化，适当

45、，适当选择桥臂电阻和选择桥臂电阻和桥路电流，桥路电流， 就就可以使电桥产可以使电桥产生的不平衡电压生的不平衡电压Uab补偿由于冷补偿由于冷端温度端温度t0变化引变化引起的热电势变化起的热电势变化量，从而达到自量，从而达到自动补偿的目的。动补偿的目的。 EAB=E(t,20)=E(t,t0)+E(t0,20)=Ex+ Uab XTWBC热热电电偶偶 冷冷端端补补偿偿器器上海希尔特机电仪表有限公司注：注：热电偶的温度特性为非线性，而铜热电阻的温度特性为线热电偶的温度特性为非线性，而铜热电阻的温度特性为线性，因此这种性，因此这种补偿方法是近似的补偿方法是近似的；因冷端温度变化范围一般不；因冷端温度变

46、化范围一般不大，所以该方法常被采用。大，所以该方法常被采用。（2）热电偶补偿法：热电偶补偿法：在热电偶的冷端反向串接一支同型号的补在热电偶的冷端反向串接一支同型号的补偿热电偶，补偿热电偶的热端放入偿热电偶，补偿热电偶的热端放入0恒温器中。恒温器中。 U=EAB(t,t1)- EAB(t0, t1) = EAB(t, t1)+ EAB(t1, t0) = EAB(t, t0) 当当t0=0 时，时， U= EAB(t,0)可达到完全补偿。可达到完全补偿。补 偿 器温 度变 送 器温 度变 送 器显 示 仪 表显 示 仪 表显 示 仪 表显 示 仪 表tAB补 偿 导 线(a)tAB补 偿 导 线

47、(c)tAB补 偿 导 线(b)tAB铜 导 线(d) 热电偶典型测温线路热电偶典型测温线路(a)普通测温线路；普通测温线路； (b) 带有补偿器的测温线路；带有补偿器的测温线路；(c) 具有温度变送器的测温线路；具有温度变送器的测温线路； (d) 具有一体化温度变送器的测温线路具有一体化温度变送器的测温线路 四、热电偶测温线路四、热电偶测温线路1、单点温度测量：、单点温度测量： 热电偶测温时，它可以直接与显示仪表（如热电偶测温时，它可以直接与显示仪表（如电子电位差计、数字表等）配套使用，也可与温度变送器配套，电子电位差计、数字表等）配套使用，也可与温度变送器配套，转换成标准电流信号，图示为典

48、型的热电偶测温线路。转换成标准电流信号，图示为典型的热电偶测温线路。2、两点之间温差测量、两点之间温差测量 两支两支同型号同型号的热电偶的热电偶反向串联反向串联配配相同的补偿导线相同的补偿导线，输入，输入仪表得热电势为两热电偶得热电势之差，差值得大小反映了仪表得热电势为两热电偶得热电势之差，差值得大小反映了两热电偶的热端温差。为了提高测量精度，要两热电偶的热端温差。为了提高测量精度，要保证两热电偶保证两热电偶的冷端温度相同的冷端温度相同。 Et = EAB(t1,t0)-EAB(t2,t0) = EAB(t1,0)-EAB(t0,0)- EAB(t2,0)+EAB(t0,0) = EAB(t1

49、,0)+EAB(t2,0)3、测量多点的平均温度、测量多点的平均温度（1）串联测量线路串联测量线路 几支热电偶串联使用，但只几支热电偶串联使用，但只能是能是同一分度号同一分度号的热电偶，的热电偶，且冷且冷端应在同一温度下端应在同一温度下。如图所示。如图所示。 总电动势：总电动势：E=E1 + E2+En平均电动势：平均电动势： 特点：特点：输出热电势大，灵敏度高，输出热电势大，灵敏度高，便于测量；便于测量； 只要一支热电偶断路，整个只要一支热电偶断路，整个测量系统无法工作。测量系统无法工作。nEnEEEEt321(2)并联测量线路并联测量线路 几支热电偶并联使用，几支热电偶并联使用，但只能是但

50、只能是同一分度号同一分度号的热的热电偶，电偶，且冷端应在同一温且冷端应在同一温度下度下。如图所示。如图所示。输出电动势：输出电动势：特点：特点：其中一支热电偶断其中一支热电偶断路，不会中断整个测量系路，不会中断整个测量系统的工作；统的工作； 但某支热电偶烧断时但某支热电偶烧断时不易发现，不能及时修正不易发现，不能及时修正会产生误差。会产生误差。nEnEEEEt321REEtI11REEtI22REEtI330111REEtREEtREEtnEnEEEEt321又因又因 I1+I2+I3=04、多点温度测量：、多点温度测量：如如用一台显示仪表显示多点温度用一台显示仪表显示多点温度时，可按图时，可

51、按图连接，这样可节约显示仪表和补偿导线。连接，这样可节约显示仪表和补偿导线。 XCZ系列指针式显示仪表系列指针式显示仪表 XC系列动圈式仪表测系列动圈式仪表测量机构的核心部件是一个量机构的核心部件是一个磁电式毫伏计。磁电式毫伏计。动圈式仪动圈式仪表与热电偶配套测温时，表与热电偶配套测温时，热电偶、连接导线（补偿热电偶、连接导线（补偿导线）、调整电阻和显示导线）、调整电阻和显示仪表组成了一个闭合回路仪表组成了一个闭合回路。 1热电偶热电偶 2补偿导线补偿导线 3冷端补偿冷端补偿器器 4外接调整电阻外接调整电阻 5铜导线铜导线 6动动圈圈 7张丝张丝 8磁钢（极靴）磁钢（极靴） 9指针指针 10刻

52、度面板刻度面板 XMZ系列智能数字显系列智能数字显示仪表外形示仪表外形6.2 电阻式温度传感器电阻式温度传感器 原理：原理：利用导体或半导体的电阻随温度而变化这一物利用导体或半导体的电阻随温度而变化这一物理现象来工作。理现象来工作。热电阻热电阻：金属：金属热敏电阻热敏电阻：半导体：半导体分类分类测量范围：测量范围：-200960一、热电阻热电阻1、原理、原理 热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。而变化的原理进行测温的。2、常用热电阻及结构、常用热电阻及结构 用于制造热电阻的材料应具有尽可能用于制造热电阻的材料应

53、具有尽可能大和稳定的电阻大和稳定的电阻温度系数和电阻率温度系数和电阻率, R-t 关系最好成线性关系最好成线性, 物理化学性能稳定物理化学性能稳定, 复现性好复现性好等。等。 目前最常用的热电阻有目前最常用的热电阻有铂热电阻铂热电阻和和铜热电阻铜热电阻。（1）铂电阻）铂电阻特点特点 精度高、稳定性好、性能可靠精度高、稳定性好、性能可靠, 所以在温度传感器所以在温度传感器中得到了广泛应用。按中得到了广泛应用。按IEC标准标准, 铂热电阻的使用温度范铂热电阻的使用温度范围为围为-200+850。特性方程特性方程 在在-2000的温度范围内的温度范围内: Rt=R0（1+At+Bt2+Ct3） 在在

54、0850的温度范围内的温度范围内: Rt = R0(1+At+Bt2) 式中式中Rt和和R0分别为分别为t和和0时铂电阻值时铂电阻值; A、 B和和C为常为常数。数。 在在ITS-90 中中, 这些常数规定为这些常数规定为: A=3.9684710-3/ B=-5.84710-7/2 C=-4.2210-12/3 从上式看出从上式看出, 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R0 有关有关。目。目前我国规定前我国规定工业用铂热电阻有工业用铂热电阻有R0=10和和R0=100两种两种, 它们它们的的分度号分别为分度号分别为Pt10和和Pt100, 其中以其中以Pt100为常用。铂热电

55、阻不为常用。铂热电阻不同分度号亦有相应同分度号亦有相应分度表分度表, 即即Rt-t 的关系表的关系表, 这样在实际测量这样在实际测量中中, 只要测得热电阻的阻值只要测得热电阻的阻值Rt, 便可从分度表上查出对应的温便可从分度表上查出对应的温度值。度值。 Pt100的分度表见表的分度表见表 6 - 7 。 在在-2000的温度范围内的温度范围内: Rt=R0（1+At+Bt2+Ct3） 在在0850的温度范围内的温度范围内: Rt = R0(1+At+Bt2) 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W100表示表示, 它是铂热电它是铂热电阻在阻在100时电阻值时电阻值R100与

56、与0时电阻值时电阻值R0之比。之比。 按按IEC标准标准, 工业使用的铂热电阻的工业使用的铂热电阻的W1001.3850。 铂电铂电阻体的阻体的结构结构(2)铜热电阻铜热电阻 由于铂是贵重金属由于铂是贵重金属, 因此因此, 在一些测量精度要求不高且在一些测量精度要求不高且温度较低的场合温度较低的场合, 可采用铜热电阻进行测温可采用铜热电阻进行测温 。 特点特点 铜热电阻线性好铜热电阻线性好, 价格便宜价格便宜, 但它易氧化但它易氧化, 不适宜在腐蚀不适宜在腐蚀性介质或高温下工作，它的测量范围为性介质或高温下工作，它的测量范围为-50+150 。特性方程特性方程 铜热电阻在测量范围内其电阻值与温

57、度的关系几乎是铜热电阻在测量范围内其电阻值与温度的关系几乎是线性的线性的, 可近似地表示为可近似地表示为: Rt=R0（1+t）式中式中为铜热电阻的电阻温度系数为铜热电阻的电阻温度系数, 取取=4.2810-3/。 铜热电组的两种分度号为铜热电组的两种分度号为Cu50(R0=50)和和Cu100（R100=100）。）。 铜热电阻的分度表分度号：Cu50 050R 温度/0102030405060708090电阻/050.0047.8545.7043.5541.4039.24050.0052.1445.2856.4258.5660.7062.8464.9867.1269.2610071.407

58、3.5475.6877.8379.9882.13分度号：Cu100 R0=100铜电铜电阻体的阻体的结构结构 （三）热电阻的结构（三）热电阻的结构 工业用热电阻的结构如图所示。工业用热电阻的结构如图所示。 它由它由电阻体电阻体、 绝缘管绝缘管、保护套管保护套管、引线引线和和接线盒接线盒等部分组成。等部分组成。 电阻体由电阻丝和电阻支架组成。电阻体由电阻丝和电阻支架组成。 电阻丝采用双线无感电阻丝采用双线无感绕法绕制在具有一定形状的云母、石英或陶瓷塑料支架上绕法绕制在具有一定形状的云母、石英或陶瓷塑料支架上, 支支架起支撑和绝缘作用架起支撑和绝缘作用, 引出线通常采用直径引出线通常采用直径1mm

59、的银丝或镀的银丝或镀银铜丝银铜丝, 它与接线盒柱相接它与接线盒柱相接, 以便与外接线路相连而测量显示以便与外接线路相连而测量显示温度。用热电阻传感器进行测温时温度。用热电阻传感器进行测温时, 测量电路经常采用电桥电测量电路经常采用电桥电路。路。 而热电阻与检测仪表相隔一段距离而热电阻与检测仪表相隔一段距离, 因此热电阻的引线因此热电阻的引线对测量结果有较大的影响。对测量结果有较大的影响。 （四）测量电路（四）测量电路 多采用电桥电路。多采用电桥电路。1、两线制接法、两线制接法（1）电阻体引线方式）电阻体引线方式（2）测量电路）测量电路（3）特点）特点 引线方式简单、费用引线方式简单、费用低，导

60、线电阻分配在电桥低，导线电阻分配在电桥的一个桥臂，引线电阻及的一个桥臂，引线电阻及其阻值随环境温度变化，其阻值随环境温度变化，会给测量结果带来误差会给测量结果带来误差。用于引线不长、精度要求用于引线不长、精度要求不高的场合。不高的场合。2、三线制接法、三线制接法（1）电阻体引线方式）电阻体引线方式（2）测量电路）测量电路（3）特点）特点 导线电阻分配到电桥相邻的两个桥臂，环境温度变化引导线电阻分配到电桥相邻的两个桥臂，环境温度变化引起的导线电阻值变化造成的误差被相互抵消；起的导线电阻值变化造成的误差被相互抵消；工业上一般都工业上一般都采用三线制接法采用三线制接法 ，一般精度，一般精度 。3、四