热电偶传感器

1热电偶传感器2025-2-242025/2/272目录011.了解温度测量的基本概念和方法；033.掌握控温仪表的接线方法。022.了解热电偶的工作原理，了解热电偶的分类及特点；2025/2/273

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！低温高温第一节温度测量的基本概念2025/2/274温度是表征物体的冷热程度的物理量。为了定量分析，要给物体的冷热程度一个定量的描述。温标就是以此目的而建立的标准。二、温标2025/2/275温度的数值表示方法称为温标

1、温标是温度数值化的标尺，它给出了温度数值化的一套规则和方法，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、温标的建立方法：借助于随温度变化而变化的物理量（体积、压力、电阻和热电动势等）来定义温度数值、建立温标。

3、国际上规定的温标有：摄氏温标、华氏温标、热力学温标等。2025/2/276正常体温为37

C，相当于华氏温度多少度？几种温标的对比2025/2/277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）。威廉·汤姆逊·开尔文勋爵像热力学温标（K）2025/2/278各种温标均有局限性，华氏温标和摄氏温标只能标定0℃～100℃的温度，而开氏温标的起点只是理论上存在，无法达到。国际实用温标是一种协议温标，用来统一各国之间的温度计量。①尽可能地接近热力学（开氏）温度；②各国均能以很高的准确度复现同样的温标；③用于复现温标的标准温度计使用方便、性能稳定。第一个国际温标是1927年国际计量大会决定采用的，“1927国际温标”,后来又不断改进修订，相继有1948国际温标、1968国际实用温标和1990国际实用温标。目前推行的是1990年国际实用温标ITS-90：热力学温度用符号T90表示,单位为开尔文，符号为K。

摄氏温度的符号为t90，单位是摄氏度,符号为℃。国际实用温标ITS-90国际实用温标由三部分组成：定义固定点、内插标准仪器及内插公式。定义的固定点是指：某些纯物质的三相点（气、液、固共存）、熔点或凝固点、沸点这些固定点的指定温度值。固定点间的温度用规定的内插标准仪器和内插公式来分度。热力学温标就是通过这种方法在标准仪器上来实现的。2025/2/2711

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。

三、温度测量及传感器分类

接触式温度传感器非接触式温度传感器

接触式温度传感器的特点：传感器直接与被测物体接触进行温度测量，由于被测物体的热量传递给传感器，降低了被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时，测量准确度较低。因此采用这种方式要测得物体的真实温度的前提条件是被测物体的热容量要足够大。

非接触式温度传感器：主要是利用被测物体热辐射而发出红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成本较高，测量准确度较低。

优点：不从被测物体上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场。温度传感器的种类及特点:物理现象

体积热膨胀

电阻变化温差电动势导磁率变化电容变化压电效应超声波传播速度变化物质颜色P–N结电动势晶体管特性变化晶闸管动作点变化热、光辐射种类铂测温电阻、热敏电阻热电偶BaSrTiO3陶瓷石英晶体振动器超声波温度计示温涂料液晶半导体二极管晶体管半导体集成电路温度传感器热敏晶闸管辐射温度传感器光学高温计1.气体温度计2.玻璃制水银温度计3.玻璃制有机液体温度计4.双金属温度计5.液体压力温度计6.气体压力温度计1．

热铁氧体2．

Fe-Ni-Cu合金温度测量及传感器分类2025/2/2714

示温涂料（变色涂料）装满热水后图案变得清晰可辨介绍几种温度测量方法变色陶瓷示温变色贴2025/2/2717CPU散热风扇低温时显示蓝色温度升高后变为红色变色涂料在电脑内部温度中的示温作用2025/2/2718

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体积热膨胀式2025/2/2719太阳表面温度约6000度左右，中心温度约1800万度左右，它们是如何测量的？红外温度计2025/2/27201、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、测温范围广：下限可达-270

C，上限可达1800

C以上；

3、各温区中的热电势均符合国际计量委员会的标准。热电偶测温的主要优点2025/2/2721先看一个实验——热电偶工作原理演示热电极A右端称为：自由端（参考端、冷端）

左端称为：测量端（工作端、热端）

热电极B热电势AB

结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。

第二节热电偶的工作原理2025/2/27221821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（说明什么？），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（又说明什么？）从实验到理论：热电效应2025/2/2723

热电偶所产生的总的热电势由接触电动势和温差电动势两部分组成热电偶热电势：2025/2/2724

接触电动势：两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，从而产生热电势。自由电子＋ABeAB（

T）T结点产生热电势的微观解释及图形符号2025/2/2725接触电动势公式：2025/2/2726温差电动势：指同一导体由于温差而产生的电动势。2025/2/2727

热电偶两结点所产生的总的热电势（接触电动势）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1）如果热电偶两根电极材料相同，即使两端温度不同（t≠t0），但总输出热电动势仍为零。因此必须由两种不同材料才能构成热电偶。

2）如果热电偶两结点温度相同，则回路总的热电动势必然等于零。两结点温差越大，热电动势越大。

3）式中未包含与热电偶的尺寸形状有关的参数，所以热电动势的大小只与材料和结点温度有关。如果以摄氏温度为单位，EAB(T，T0)也可以写成EAB(t，t0)，其物理意义虽然有所不同，但电动势的数值是相同的。有关热电动势的几个结论若在热电偶回路中插入“中间导体”(A、B热电极之外的其他导体),只要中间导体两端温度相同,则对热电偶回路的总热电动势无影响。1－镍铜表棒2－磷铜接插件3－铜漆包线动圈表头Cu－纯铜导线

HNi－镍黄铜QSn－锡磷青铜Sn－焊锡NiMn－镍锰铜电阻丝中间导体定律总的热电动势与C无关。同理，热电偶回路中插入多种导体（D、E、F……），只要保证插入的每种导体的两端温度相同，则对热电偶的热电动势也无影响。热电偶A、B回路插入中间导体C后，总的热电动势为：2025/2/2731为在工业测量温度提供了理论基础。T1CT0T1ABT0中间导体定律的意义利用热电偶来实际测温时，连接导线、显示仪表和接插件等均可看成是中间导体，只要保证这些中间导体两端的温度各自相同，则对热电偶的热电动势没有影响。在使用热电偶时，应尽量使上述元器件两端的温度相同，才能减少测量误差。

在放大器中，若某个电阻或集成电路引脚两端的温度不相同，将产生热电动势。为了尽量减小由此产生的电动势，可以用铜质屏蔽罩将放大电路与热源隔离，并使罩内各个元件两端的温度相同。2025/2/2733

八种国际通用热电偶：

B:铂铑30—铂铑6

、R: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第三节热电偶的种类及结构分度号

名称测量温度范围1000

C热电势/mVB铂铑30－铂铑650～1820

C4.834R铂铑13—铂-50～1768

C10.506S铂铑10—铂-50～1768

C9.587K镍铬－镍铬(铝)-270～1370

C41.276E镍铬－铜镍(康铜)－270～800

C——5种热电偶的测温范围与热电势各有什么特点？几种常用热电偶的测温范围及热电势2025/2/2735

哪几种热电偶的测温上限较高？结论：

哪几种热电偶的线性较差？

哪一种热电偶的灵敏度较高？

哪一种热电偶的灵敏度较低？为什么所有的曲线均过原点（零度点）？几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线分析——热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法

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0

C。本教材p345的附录E列出了工业中常用的镍铬-镍硅（K）热电偶的分度表。热电偶的分度表

假设热电偶的冷端温度为0

C，请根据本教材p345的附录E——工业中常用的镍铬-镍硅（K）热电偶的分度表，查出－100

C、0

C、100

C时的热电势。数字式温度表温度上限设定值温度上限值设定键如何利用热电偶的分度表

比较查出的3个热电势，可以看出热电势是否线性？K热电偶的分度表2025/2/2739

设冷端为0

C，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

。如何由热电偶的热电势查热端温度值2025/2/2740安装螺纹安装法兰普通装配型热电偶的外形2025/2/2741普通装配型热电偶的

结构放大图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

接线盒2025/2/2742法兰铠装型热电偶可长达上百米薄壁金属保护套管（铠体）BA绝缘材料铠装型热电偶横截面铠装型热电偶外形2025/2/2743

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。

铠装型热电偶2025/2/2744厚壁保护管压铸的接线盒电缆线隔爆型热电偶外形2025/2/2745

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）。隔爆型热电偶2025/2/2746小形K型热电偶其他热电偶外形2025/2/2747利用XMT仪表组成热电偶测温、控温电路热电偶如何根据常用电路设备的要求接线2025/2/2748黄绿红L1

L2

L3

接大地铜排接零热电偶输出端电炉交流接触器三相空气开关请将右图各有关设备正确地连接起来，组成热电偶测温、控温电路。2025/2/2749380V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。接大地铜排黄绿红L1

L2

L3

电炉接零热电偶再看一次“3”端接何处2025/2/2750

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，便于敷设。

补偿导线在0～100

C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。第九章：第四节热电偶冷端的延长RCR（铂铑13—铂）红-绿NCN（镍铬硅—镍硅）红-黄EXE（镍铬—铜镍）红-棕JXJ（铁—铜镍）红-紫TXT（铜—铜镍）红-白型号配用热电偶正-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-橙用A‘、B’与A及B连接后，测温回路的总的热电势仅取决于A、B、T及T0（T0为新的自由端，它是稳定的），而与A、A‘及B、B’连接处的温度Tn（中间温度，它是不稳定的）无关，在T0处测得的总的热电势与直接将热电偶延伸到T0无异。22025/2/2753A’B’屏蔽层保护层补偿导线外形热电偶的冷端延长电路2025/2/2755

必要性：

1、用热电偶的分度表查毫伏数-温度时，必须满足t0=0

C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0

C，而且也不恒定，因此将产生误差。

2、一般情况下，冷端温度均高于0

C，热电势总是偏小。应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失。第五节热电偶的冷端温度补偿2025/2/2756

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0

C不变。此法也称冰浴法，它消除了t0不等于0

C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。冷端温度补偿的方法2025/2/2757

在冰瓶中，冰水混合物的温度能较长时间地保持在0

C不变。冰浴法冰浴法接线图——冷端至于0℃环境中2025/2/2759

当热电偶的冷端温度t0

0

C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0

C时所测得的热电势EAB（t，0

C）不等。若冷端温度高于0

C，则EAB（t，t0）<EAB（t，0

C）。可以利用下式计算并修正测量误差：

EAB（t，0

C）=EAB（t，t0）+EAB（t0，0

C）二、计算修正法2025/2/2760

右图所示为镍铬-镍硅（K）热电偶测温电路，热电极A、B直接焊接在钢板上（V型焊接），A’、B’为补偿导线，Cu为铜导线，已知接线盒1的温度t1=40

C，冰瓶中为冰水混合物，接线盒3的温度t3=20.0

C。求：1）冰瓶的温度t2；2）将热电极直接焊在钢板上是应用了热电偶的什么定律？3）当Ux=29.97mV时，估算被测点温度tx；4）如果冰瓶中的冰完全融化，温度上升，与接线盒1的温度相同，此时Ux=28.36mV，再求tx。计算修正法举例1）接线盒1是热电极与补偿导线（延长导线）的接线位置，不影响测量结果，不必考虑t1温度的大小和波动。冰瓶的温度为:0℃,是补偿导线（冷端）与铜导线的接线位置,所以可以直接查分度表。2）将热电极直接焊在钢板上是应用了热电偶的中间导体定律。

3）当Ux=29.97mV时，直接查分度表得到被测点温度tx=720℃

。注:接线盒3的温度t3不是冷端温度,属于中间温度,与测量结果无关.解：4）如果冰瓶中的冰完全融化，温度上升到与接线盒1的温度相同，即：冷端温度不再是0℃，而为40℃。此时的Ux=28.36mV，再求tx。EAB(t,0℃)=EAB(t,40℃)+EAB(40℃,0℃)=(28.36+1.61)mV=29.97mV反查K型热电的偶分度表，仍然得到t

x

=720℃。2025/2/2763

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40

C）的刻度上。机械零点指针被预调到室温（40

C）可补偿冷端损失三、仪表机械零点调整法2025/2/2764XT-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，可购买与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥。

四、电桥补偿法2025/2/27652025/2/2766

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。第六节热电偶的应用及配套仪表2025/2/2767XC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

XCZ系列指针式显示仪表2025/2/2768

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