第九章热电偶传感器

第九章热电偶传感器章节导入：

在众多测温传感器中，热电偶传感器已成规格，并符合国际计量委员会的标准，在工业生产和科学研究得到广泛应用。本章要点:1、了解温度测量的基本概念和方法；2、热电偶的工作原理，了解热电偶的分类及特点，会对热电偶进行选型；3、理解中间计算修正定律，掌握冷端延长的方法，并会选择补偿导线。4、掌握控温仪表的接线方法。2/6/20231第一节温度测量的基本概念

一、温度测量的基本概念

温度标志着物质内部大量分子无规则运动的剧烈程度。温度越高，表示物体内部分子热运动越剧烈。

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！2/6/20232二、温标

1、温度的数值表示方法称为温标。它规定了温度的读数的起点（即零点）以及温度的单位。各类温度计的刻度均由温标确定。2、国际上规定的温标有：摄氏温标、华氏温标、热力学温标等。

2/6/20233几种温标的对比

正常体温为37C相当于华氏温度1.8×37+32=98F相当于热力学温标37+273=310K2/6/20234热力学温标（K）

热力学温标是建立在热力学第二定律基础上的最科学的温标，是由开尔文（Kelvin）根据热力学定律提出来的，因此又称开氏温标。它的符号是T，单位是开尔文（K）。1990国际温标(ITS-90)

从1990年1月1日开始在全世界范围内采用1990年国际温标，简称ITS-90。它定义了一系列温度的固定点，测量和重现这些固定点的标准仪器以及计算公式，例如水的三相点为273.16K（0.01C）等。

2/6/20235三、温度测量及传感器分类

温度传感器按照用途可分为基准温度计和工业温度计；按照测量方法又可分为接触式和非接触式；按工作原理又可分为膨胀式、电阻式、热电式、辐射式等等；按输出方式分，有自发电型、非电测型等。

2/6/20236

所利用的物理现象传感器类型测温范围/0C特点气体热膨胀气体温度计液体压力温度计玻璃水银温度计双金属片温度计-250～1000-200～300-50～350-50～300不需要电源、耐用；感温部件体积较大接触热电动势钨铼热电偶铂铑热电偶其它热电偶1000～2100200～1800-200～1200自发电型，标准化程度高，品种多、可根据需要选择；需注意冷锻温度补偿热电阻铂热电阻热敏电阻-200～900-50～200标准化程度高；需要接入桥路得到输出电压PN结结电压硅半导体-50～150体积小、线性好、测温范围小温度—颜色示温涂料液晶-50～13000～100面积大、可得到温度图像、易衰老、分辨力低光辐射热辐射红外辐射温度计光学高温温度计热释电温度计光子探测器-50～1500500～30000～10000～3500非接触式测量、反应快；易受环境及被测体表面影响；标定困难表：温度传感器种类及特点2/6/20237举例：变色涂料在电脑内部温度中的示温作用CPU散热风扇低温时显示蓝色温度升高后变为红色2/6/20238举例：体积热膨胀式

不需要电源，耐用；但感温部件体积较大。

气体的体积与热力学温度成正比2/6/20239举例：红外温度计2/6/202310第二节热电偶的工作原理

热电偶测温的主要优点1、它属于自发电型传感器：测量时可以不需外加电源，可直接驱动动圈式仪表；2、结构简单，使用方便，热电偶的电极不受大小和形状的限制，可按照需要选择。3、测温范围广：下限可达-270C，上限可达

1800C以上；4、精度高，各温区中的热电势均符合国际计量委员会的标准。2/6/202311一、热电效应：

先看一个实验——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。

热电极A一端称为：自由端、参考端、冷端

一端称为：测量端、工作端、热端

热电极B热电势AB2/6/202312通过以上演示得出结论

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Δt的函数：EAB（T，T0）=eAB（

T）-eAB（

T0

）热电势大致与两个结点的温差Δt成正比A(nA＞nB)BT0TeAB(T0)eAB(T)eAB(T)EAB（T，T0）(T＞T0)2/6/202313从实验到理论：热电效应

1821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（称为结点），发现放在回路中的指南针发生偏转，如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转角反而减小。显然，指南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有关。

2/6/202314第三节热电偶的种类及结构

一、热电偶的种类1、八种国际通用热电偶：B:铂铑30—铂铑6R:铂铑13—铂S:铂铑10—铂K:镍铬—镍硅N:镍铬硅—镍硅E:镍铬—铜镍J:铁—铜镍T:铜—铜镍用于制造铂热电偶的各种铂热电偶丝2/6/2023152、几种常用热电偶的测温范围及热电势

分度号

名称

测量温度范围

1000C热电势/mVB铂铑30－铂铑650～1820C4.834R铂铑13—铂-50～1768C10.506S铂铑10—铂-50～1768C9.587K镍铬－镍铬(铝)-270～1370C41.276E镍铬－铜镍(康铜)－270～800C——?2/6/2023163、几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线分析

N、K、E热电偶的测温上限较高

E、J、K、N热电偶的灵敏度较高

R、S、B热电偶的灵敏度较低多数热电偶的线性较差国际计量委员会公布了分度表，所以多采用查表法。

因为绘制热电势-温度曲线或制定分度表时，总是将冷端置于0℃这一规定环境中的缘故所有曲线均过原点。2/6/2023174、热电偶的分度表

我国从1991年开始采用国际计量委员会规定的“1990年国际温标”（简称ITS-90）的新标准。按此标准，制定了相应的分度表，并且有相应的线性化集成电路与之对应。直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是：自由端（冷端）温度必须为0C。

2/6/202318练习查K热电偶的分度表：分别查出00C、1000C的热电势。

2/6/202319

设冷端为0C，根据以下电路中的毫伏表的示值及K热电偶的分度表，查出热端的温度tx为7300C。t1AB00C接线盒1t2t3CuCuCuCutxux++--30mV2/6/2023205、八种国际通用热电偶特性

表：八种国际通用热电偶特性表名称分度号测温范围/℃100℃时的热电势/mV1000℃的热电势/mV特点铂铑30-铂铑6①B50～18200.0334.834熔点高，测温上限高，性能稳定，准确度高，100℃以下热电势极小，所以可不必考虑冷端温度补偿；价昂，热电势小，线性差；只适用于高温域的测量铂铑13-铂R-50～17680.64710.506

使用上限较高，准确度高，性能稳定，复现性好；但热电势较小，不能在金属蒸气和还原性气氛中使用，在高温下连续使用时特性会逐渐变坏，价昂；多用于精密测量铂铑10-铂S-50～17680.6469.587

优点同上；但性能不如R型热电偶；长期以来曾经作为国际温标的法定标准热电偶①铂铑30表示该合金含70%的铂及30%的铑，以下类推。2/6/202321镍铬-镍硅K-270～13704.09641.276

热电势大，线性好，稳定性好，价廉；但材质较硬，在1000℃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-270～13002.74436.256

是一种新型热电偶，各项性能均比K型热电偶好，适宜于工业测量镍铬-铜镍（锰白铜）E-270～8006.319－热电势比K型热电偶大50%左右线性好，耐高湿度，价廉；但不能用于还原性气氛；多用于工业测量铁-铜镍（锰白铜）J-210～7605.269－

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（锰白铜）T-270～4004.279－

价廉，加工性能好，离散性小，性能稳定，线性好，准确度高；铜在高温时易被氧化，测温上限低；多用于低温域测量。可作-200～0℃温域的计量标准2/6/202322二、结构形式

1、普通装配型热电偶的外形安装螺纹安装法兰2/6/202323普通装配型

热电偶的结构

放大图

接线盒引出线套管

固定螺纹

（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）

不锈钢保护管

2/6/2023242、铠装型热电偶外形法兰薄壁金属保护套管（铠体）

BA铠装型热电偶横截面绝缘材料A、B为两电极2/6/202325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、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绝，有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、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。2/6/2023263、薄膜型热电偶结构与外形

薄膜热电偶是由两种薄膜热电极材料,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热电偶。薄膜热电偶的热接点可以做得很小（可薄到0.01~0.1μm）,具有热容量小,反应速度快等的特点,热相应时间达到微秒级,适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量。12345BA+-冷端冷端1—工作端2—薄膜热电极3—绝缘基地4—引脚接头5—相同材料引出线2/6/2023274、（补充）隔爆型热电偶外形厚壁保护管压铸的接线盒2/6/202328结构特点：隔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。

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、生产现场常伴有各种易燃、易爆等化学气体或蒸汽，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）。2/6/202329第四节热电偶冷端的延长

实际测量时，热电偶长度有限，冷端温度直接受到被测物温度和环境温度的影响。工业中采用冷端延长的方法，使冷端远离高温区。如果将热电偶做得太长、不经济，采用补偿导线将冷端延长。一、可以证明：

补偿导线在0～100C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。二、补偿导线的好处：（1）将自由端从温度波动区延长到温度稳定区，使指示仪表的示数稳定。（2）补偿导线比使用相同长度的热电极便宜许多。（3）补偿导线用铜及铜合金制作，单位长度直流电阻比热电极小得多，可以减小测量误差。（4）补偿导线用塑料做绝缘层，自身为柔软的铜合金，易于弯曲，便于敷设。

2/6/202330三、补偿导线的注意事项：（1）两根补偿导线与两个热电极接点必须有相同温度（2）补偿导线必须与相应的型号的热电偶配用（3）必须在规定的温度范围内使用（4）极性切勿接反。型号配用热电偶正-负导线外皮颜色正-负SC铂铑10-铂红-绿KC镍铬-镍硅红-蓝WC5/26钨铼5-钨铼26

红-橙四、补偿导线型号2/6/202331补偿导线型号（续）型号配用热电偶正-负导线外皮颜色正-负100C时的热电势/mVRCR（铂铑13—铂）红-绿0.647NCN（镍铬硅—镍硅）红-黄2.744EXE镍铬—铜镍）红-棕6.319JXJ（铁—铜镍）红-紫5.264TXT（铜—铜镍）红-白4.2792/6/202332五、补偿导线外形

红色A′棕色B′屏蔽层保护层2/6/202333第五节热电偶的冷端温度补偿用热电偶的分度表查毫伏数-温度时，必须满足t0=0C的条件。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0C，而且也不恒定，因此将产生误差。一般情况下，冷端温度均高于0C，热电势总是偏小。应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失。冷端温度补偿的方法一、冷端恒温法：

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0C不变。此法也称冰浴法，它消除了t0不等于0C而引入的误差，由于冰融化较快，所以一般只适用于实验室中。2/6/202334冰浴法接线图

1—被测流体管道2—热电偶3—接线盒4—补偿导线

5—铜质导线6—毫伏表7—冰瓶8—冰水混合物

9—试管10—新的冷端

1、冰浴法

在冰瓶中，冰水混合物的温度能较长时间地保持在0C不变。2/6/2023352、恒温器法：

将热电偶的冷端置于电热恒温器中，恒温器的温度略高于环境温度的上限（例如40℃）。

3、空调法：

将热电偶的冷端置于恒温空调房间中，使冷端温度恒定。

应该指出的是：

除了冰浴法是使冷端温度保持0℃外，后两种方法只是使冷端维持在某一恒定（或变化较小）的温度上，因此后两种方法仍必须采用下述几种方法予以修正。

2/6/202336二、计算修正法

当热电偶的冷端温度t00C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EAB（t，t0）与冷端为0C时所测得的热电势EAB（t，0C）不等。若冷端温度高于0C，则EAB（t，t0）<EAB（t，0C）。可以利用下式计算并修正测量误差：

EAB（t，0C）=EAB（t，t0）+EAB（t0，0C）2/6/202337举例说明例：用镍铬-镍硅（K型）热电偶测炉温时，冷端温度t0=30℃，在直流毫伏表上测得的热电势EAB（t，30℃）=38.505mV，试求炉温为多少？解：查镍铬-镍硅热电偶分度表，得到EAB（30℃，0℃）=1.203mV。EAB（t，0℃）=EAB（t，30℃）+EAB（30℃，0℃）=（38.505+1.203）mV=39.708mV反查K型热电的偶分度表，得到t=960℃。该方法适用于热电偶冷端温度较恒定的情况。在智能化仪表中，查表及运算过程均可由计算机完成。2/6/202338三、仪表机械零点调整法

用螺丝刀调节仪表面板上的“机械零点”，使指针指到气温t0（图中为40C）的刻度上，进行冷端补偿，此法有一定误差，简单，工业中经常用。机械零点2/6/202339四、电桥补偿法

Rl,R2,R3一般由电阻温度系数很小的锰铜扮绕制，阻值一般不随温度变化，Rt由温度系数较大的铜线绕制，由稳压电源提供电桥电源。0℃时电桥平衡，R1=R2=R3=Rt,Uab=0，对测量无影响当环境温度变化时，Rt阻值随即变化，桥路失去平衡，此时Uab与热电偶的热电动势E叠加，最后输出,适当选择桥路电阻，使Uab正好补偿由于冷端温度变化引起的热电动势变化值，即可使输出端指示出正确温度。此方法选配繁琐，影响精度Rt-+ABabR1R2R3+-EABV2/6/202340电桥补偿法

XT-WBC热电偶冷端补偿器。

电桥补偿法是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势变化值。自动电子电位计、温度变送器、数字式仪表等的测量电路已设置了冷端补偿器，热电偶与它们配套时不必另行配置冷端补偿器。

2/6/202341五、半导体集成温度传感器测量冷端温度

现在普遍使用半导体集成温度传感器来测量室温。它具有体积小、集成度高、准确度高、线性好、输出信号大、无需冷端补偿、不需要进行温度标定、热容量小、外围电路简单等优点。只要将它置于热电偶冷端附近，将该传感器的输出电压作简单的换算，就能得到热电偶的冷端温度，从而用计算修正法进行冷端温度补偿。常用的集成温度传感器有：

AD590系列电流输出型温度传感器、数字输出型集成温度传感器LM74、专用热电偶冷端温度补偿芯片MAX6675等。2/6/202342半导体集成温度传感器测量冷端温度举例AD590Rf=100KR2=20K+6V++--6V-RP=4.7K20K273uAUo=(0.1V/0C)半导体集成温度传感器的外形半导体集成温度传感器测量冷端温度线路2/6/202343半导体集成温度传感器测量冷端温度

电流输出型的AD590集成温度传感器的冷端温度。是两线制器件，其测温范围-55—+1500C，灵敏度为1uA/K，00C时该器件的输出电流为273uA。电阻Rl将电流转换成电压。由于输出信号所以其输出线即使长达200m，也不影响测量深度。若要达到与摄氏温度成正比的电压输出，可以用运算放大器的反相加法电路实现。2/6/202344第六节热电偶的应用及配套仪表

由于我国生产的热电偶均符合ITS-90国际温标所规定的标准，其一致性非常好，所以国家又规定了与每一种标准热电偶配套的仪表，它们的显示值为温度，而且均已线性化。国家标准的动圈式显示仪表命名为XC系列。有指示型（XCZ）和指示调节型（XCT）等系列品种。与K型热电偶配套的动圈仪表型号为XCZ-101或XCT-101等。数字式仪表也有指示型（XMZ）和指示调节型（XMT）等几种系列品种。

2/6/202345一、XCZ系列指针式显示仪表

XC系列动圈式仪表测量机构的核心部件是一个磁电式毫伏计。动圈式仪表与热电偶配套测温时，热电偶、连接导线（补偿导线）、调整电阻和显示仪表组成了一个闭合回路。1—热电偶2—补偿导线3—冷端补偿器4—外接调整电阻5—铜导线6—动圈7—张丝8—磁钢（极靴）

9—指针10—刻度面板

2/6/202346二、XMZ系列智能数字显示仪表

特点：

1、带冷端温度自动补偿；2、单片机智能化设计，仪表零点、量程等全部参数可按键设定；3、具有软件校验功能，可通过按键对仪表进行校准；4、具有超量程指示、断线指示等故障自诊断功能；5、采用开关电源，电压适应范围宽，仪表体积小、重量轻。6、220VAC或24VDC供电电源。2/6/202347XMZ系列智数字显示仪表外形

2/6/202348XMT系列热电偶智能数字显示控制仪表的特点带冷端温度自动补偿；具有超量程指示、断线指示等故障自诊断功能；双屏显示、副屏显示内容可设定；最多可带4路报警控制继电器输出；每个报警控制点的回差可设定；每个报警控制点的报警方式（上限报警或下限报警）可分别设定。2/6/202349其他与热电偶的配套的仪表

数字式温度显示调节仪2/6/202350

DDZ－Ⅲ型电动单元组合仪表中的变送单元之一：轨装式温度变送器

它能将热电偶（或热电阻）的输入信号线性地转换成与温度成比例的电流（电压）信号，供给显示、控制仪表及计算机集散系统，广泛用于冶金、石油化工、热电站、纺织、造纸等行业的测温控制系统中。2/6/202351根据常用电路设备的要求接线利用XMT仪表组成热电偶测温、控温电路

热电偶2/6/202352380V线圈的交流接触器连接过程

当温度控制器测得的温度达到设定值时，5-6两端开路，交流接触器失电，电炉回路被切断。