传感器技术 课件 第2章-温度传感器

第2章温度传感器理论知识Contents目

录热电阻2.1

热敏电阻2.2

热电偶2.3理论知识Contents目

录

2.1热敏电阻2.2热电偶2.3热电阻2.1热电阻2.1热电阻采用纯金属为材料的热电阻式温度传感器一般称作热电阻传感器。是利用金属导体随温度升高而阻值增大的原理进行测温的。普通金属热电阻一般用于中低温区（-200~500℃）范围内的温度检测。金属热电阻材料多为纯铂金属丝，也有铜、镍等金属。金属热电阻的主要特点是测量精度高，性能稳定。铂热电阻测量精确度最高，广泛应用于工业测温，被制成基准仪。RT热电阻电路符号

温度是分子平均动能的标志

温度升高↑，金属晶格的动能增加↑

，从而导致振动加剧↑

，金属导电能力下降↓↑，电阻增加通过测量导体的电阻变化情况就可以得到温度变化情况

几乎所有的导体和半导体的电阻率都随其本身温度的变化而改变，并且有一个确定的数值，这种物理现象称为“热电阻效应”。2.1热电阻2.1热电阻根据测量温度范围和测量对象选择适当的热电阻的型号、规格以及保护管材料。01热电阻使用最高温度和工作压力不可超过该热1电阻的额定数值。02在腐蚀性介质中使用热电阻时，应采用由不锈钢制成的保护管。03敏感元件长度约为120mm，只能测量敏感元件附近范围内被测介质的平均温度。04热电阻的使用注意事项:2.1热电阻热电阻的使用注意事项热电阻接线时，先将接线盒打开，然后接线。01热电阻与显示仪表的连接导线应采用绝缘钢线，不得使用热电偶的补偿导线。02不能把一个热电阻与两个显示仪表并联使用。03合适的存放条件为:环境温度10~35℃;相对湿度不大于80%;周围空气中不应含有可能造成热电阻零件腐蚀的物质。04①电阻温度系数要大②在测温范围内，化学、物理性能稳定③具有良好的输出特性④具有比较高的电阻率⑤具有良好的可加工性感温电阻的选材要求比较适合的材料有铂、铜、铁和镍等，它们的阻值随温度的升高而增大，具有正温度系数2.1热电阻2.1热电阻金属热电阻结构图玻璃、陶瓷或金属等双芯或四芯氧化铝绝缘材料热电阻可以是一层薄膜，

采用电镀或溅射的方法涂敷在陶瓷类材料基底上，占用体积很小2.1热电阻

大多数金属导体的电阻具有随温度变化的特性RT表示任意绝对温度T时金属的电阻值R0表示基准状态T0时的电阻值ɑ是热电阻的温度系数(1/℃)只要ɑ

保持不变(常数)，则金属电阻RT将随温度线性地增加，其灵敏度S为ɑ越大，S就越大

ɑ

是有关温度的函数，在一定温度范围内，可近似地看成一个常数。纯金属的电阻温度系数ɑ为(0.3～0.6)%/℃。2.1热电阻（1）铂电阻铂金属易于提纯铂电阻在氧化性介质中、甚至在高温下其物理、化学性质都非常稳定复制性好，有良好的工艺性电阻率较高，线性度好在温度传感器中得到了广泛应用铂电阻的应用范围为-200～+650℃。在0～650℃范围内金属铂电阻阻值与温度变化之间的关系可以近似用下式表示:在-200～0℃范围内金属铂的电阻值与温度的关系为：Rt、R0——铂电阻在温度t、0℃时的电阻值。A，B，C—温度系数，对于纯度为1.391的铂丝，A=3.96847×10-3/℃

，B=-5.847×10-7/℃2，C=-4.22×10-12/℃3（2-10）（2-11）

上式表明热电阻是一个非线性函数，但由于B、C值较小，可以认为是准线性函数，可以通过补偿来提高测量精度。2.1热电阻在工业上将相应于R0=50Ω和100Ω(即分度号Pt50、Pt100)的Rt-t关系制成分度表，称为

热电阻分度表.铂热电阻中的铂丝纯度用电阻比W(100)表示：Rl00——铂热电阻在100℃时的电阻值R0——铂热电阻在0℃时的电阻值电阻比W(100)越大，其纯度越高。按IEC标准，工业使用的铂热电阻的W(100)≥1.3850。目前技术水平可达到W(100)=1.3930，其对应铂的纯度为99.99%。工业用铂电阻的纯度W(100)为1.387～1.390。

工业上金属铂热电阻常用型号：PT100、PT500、PT1000PT100表示为0℃时，其电阻值为100欧，是市场上最常用热电阻。2.1热电阻铂热电阻分度表

2.1热电阻铂电阻体常见形式

为云母片做骨架，两边做成锯齿状，铂丝采用双线法绕制，以消除电感。铂丝双绕在直径为3mm的石英玻璃上，在石英管外再套一个外径为5mm的石英管铂丝的引线采用银线，引线用双孔瓷绝缘套管绝缘2.1热电阻2.1热电阻铂电阻除用作一般工业测温外,主要作为标准电阻温度计,广泛地应用于温度的基准、标准的传递。铂电阻长时间稳定的复现性可达104K，是目前测温复现性最好的一种温度计。在国际实用温标中，铂电阻作为-259.34～630.74℃温度范围内的温度基准。铂电阻的缺点主要是：电阻温度系数较小，成本较高，在还原性介质中易变脆。铜热电阻化学、物理性能稳定灵敏度比铂电阻高，价格便宜易于提纯、加工，复制性较好输出-输入特性接近线性电阻温度系数比铂高（2）铜热电阻铜热电阻电阻率较小，测温范围较窄体积较大，热惯性大

铜热电阻的电阻丝细而且长，机械强度较低

在温度稍高时易于氧化

不适宜在腐蚀性介质或高温下工作

一般只用于150℃以下，无水分和无侵蚀性的低温环境中2.1热电阻铜电阻的阻值与温度间的关系为：Rt，R0分别为温度为t℃和0℃时的阻值A，B，C为常数，分别为：4.28899×10-3/℃

，-2.133×10-7/℃，1.233×10-9/℃。在-50～150℃范围内为线性变化，可用二项式表示：α为电阻温度系数，一般取α=4.25×10-3～4.28×10-3/℃。2.1热电阻我国生产的铜热电阻的代号为WZC，按其初始电阻R0的不同，有两种:50Ω

和100Ω，分度号分别为Cu50和Cu100采用直径约0.1mm的绝缘铜线用双线绕法分层绕在圆柱形塑料支架上用直径1mm的铜丝或镀银铜丝做引线铜电阻体的结构2.1热电阻种类优缺点温度范围铟电阻测量精度高，在4.2～15Κ范围内，铟电阻的灵敏度比铂电阻高10倍材料软，复制性差-269～

-258℃锰电阻在2~63K温度范围内随温度变化大，灵敏度高，价格低廉，操作简便热稳定性较差，材料脆性高，易损坏。-271～

-210℃碳电阻热容量小，灵敏度高，对磁场不敏感，价格低廉，操作简便。热稳定性较差。-273～

-268.5℃铁、镍电阻电阻率和电阻温度系数较高，可制体积小、灵敏度高的热电阻温度计易氧化，不易提纯，且电阻值与温度的关系是非线性的，应用少-50～100℃其他热电阻2.1热电阻2.2热敏电阻2.2热敏电阻热敏电阻是一种新型的半导体测温元件，用电阻值随温度而显著变化的半导体电阻制成热敏电阻温度系数大，灵敏度高，响应迅速，测量线路简单，有些型号不用放大器就能输出几伏的电压，测温范围为-50℃～+450℃。热敏电阻发展十分迅速,由于其性能得到不断改进,稳定性已大为提高,在许多场合下,热敏电阻已逐渐取代传统的温度传感器。由于本身阻值较大，因此可以不必考虑导线带来的误差，适于远距离的测量和控制。在需要耐湿、耐酸、耐碱、耐热冲击、耐振动的场合可靠性较高。2.2热敏电阻基础知识热敏电阻重复性好，工艺简单，便于工业化生产，成本低，体积小，寿命长，价格便宜，应用广泛。热敏电阻缺点：非线性较严重，在电路上要进行线性补偿，互换性较差，一般不在石油、钢铁、制造业上使用。主要用于点温度、小温差温度的测量；远距离、多点测量与控制；温度补偿和电路的自动调节等。

热敏电阻的结构2.2热敏电阻热敏电阻是由一些金属氧化物的粉末(NiO、MnO、CuO、Tio等)按一定比例混合烧结而成的半导体。通过不同的材质组合，能得到热敏电阻不同的电阻值R0及不同的温度特性热敏电阻主要由热敏探头、引线、壳体等构成。020103热敏电阻一般做成二端器件、三端、四端器件：二端和三端器件为直热式，即热敏电阻直接从连接的电路中获得功率四端器件则为旁热式根据不同的使用要求，可以把热敏电阻做成不同的形状和结构。2.2

热敏电阻2.2热敏电阻在环境温度为25±0.2℃时测得的电阻值，又称冷电阻，单位为Ω。（1）标称电阻值RH热敏电阻在温度变化1℃时电阻值的变化率，通常指温度为20℃时的温度系数，单位为%/℃。（2）电阻温度系数α指热敏电阻的温度与周围介质的温度相差1℃时热敏电阻所耗散的功率，

单位为W/℃。（3）耗散系数H热敏电阻的主要参数2.2热敏电阻τ=c/H热敏电阻的温度变化1℃所需吸收或释放的热量，单位为J/℃。（4）热容c使热敏电阻的阻值变化1%所需耗散的功率，单位为W。能量灵敏度G与耗散系数H、电阻温度系数α之间有如下关系：（5）能量灵敏度G温度为T0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△T=0.63(T-T0)时所需时间，亦即热容c与耗散系数H之比：G=(H/α)×100（6）时间常数τ热敏电阻的主要参数南京时恒电子科技有限公司是集研发、生产、销售为一体的国家高新技术企业，国家级专精特新小巨人企业，南京市优秀民营企业。产品有NTC热敏电阻器、NTC温度传感器、PTC热敏电阻器和氧化锌压敏电阻器等敏感元器件，其中NTC热敏电阻器系列产品涵盖了浪涌抑制、温度补偿、精密测温、温度控制等应用。时恒电子作为行业重点企业，牵头起草制定了《用于抑制浪涌电流的MF72普通功率型负温度系数热敏电阻器》团体标准，参与了国家“十三五”、“十四五”规划的起草。2.2

热敏电阻由于半导体中参与导电的是载流子，载流子的浓度要比金属中的自由电子的浓度小得多，所以半导体的电阻率大。随着温度的升高，一方面，半导体中的价电子受热激发跃迁到较高能级而产生的新的电子—空穴对增加，电阻率减小；另一方面，半导体材料的载流子的平均运动速度升高，导致电阻率增大。热敏电阻按其物理特性分为3大类型负温度系数热敏电阻(NTC)正温度系数热敏电阻(PTC)临界温度系数热敏电阻(CTR)热敏电阻阻值温度特性曲线2.2

热敏电阻PTC（PositiveTemperatureCoefficient）意思是正的温度系数，指此材料的电阻会随温度的升高而增加。这种热敏电阻以钛酸钡为基本材料，再掺入适量的稀土元素，利用陶瓷工艺高温烧结而成。纯钛酸钡是一种绝缘材料，但掺入适量的稀土元素以后，变成了半导体材料。正温度系数的热敏电阻温度达到居里点时，阻值会发生

急剧变化。一般钛酸钡的居里点为120℃。PTC是一种限流保护器件，它有一个动作温度值TS，当

其本体内温度低于TS时，其阻值维持基本恒定，这时的

阻值称为冷电阻。当电阻本体内温度高于TS时，其阻值

迅速增大，可以达到的最大阻值能过比冷电阻值大10000

倍左右。（1）正温度系数热敏电阻(PTC)的工作原理2.2

热敏电阻2.2热敏电阻PTC热敏电阻的主要特点：灵敏度较高，其电阻温度系数比金属大10～100倍以上，能检测出10-6℃的温度变化；工作温度范围宽，常温器件适用于-55℃～315℃，高温器件适用温度高于315℃（目前最高可到达2000℃），低温器件适用于-273℃～55℃；体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；使用方便，电阻值可在0.1～100kΩ间任意选择；易加工成复杂的形状，可大批量生产；使用寿命长，正常环境下使用，寿命可达10年以上。稳定性好，利用PTC内部特性控温，永远不会超温。过载能力强，工作电压宽，当工作电压变化2倍时，外表温度的变化非常小。2.2热敏电阻目前PTC主要有高分子材料PTC和陶瓷PTC两种，其中陶瓷PTC的过电压耐受能力好，而高分子材料的PTC响应速度快，并且能实现低阻值。01PTC反应速度较慢，一般在毫秒级以上，热敏电阻的作用更多的体现在诸如电力线碰触等出现长时间过流保护的场合，常用于用户线路的保护中。02PTC在工业上可用作温度的测量与控制，如汽车部位的温度检测与调节，控制开水器的水温、空调器与冷库的温度，应用于彩电消磁，各种电器设备的过热保护，发热源的定温控制等方面。03当PTC热敏电阻用于电路自动调节时,为克服或减小其分布电容较大的缺点,应选用直流或60Hz以下的工频电源。多个PTC一起使用时，应并联，不可串联。042.2热敏电阻负温度系数热敏电阻(NTC)的工作原理负的温度系数，指此材料的电阻会随温度的升高而减小。负温度系数热敏电阻是以氧化锰、氧化钴和氧化铝等金属氧化物为主要原料，采用陶瓷工艺制造而成。这些金属氧化物材料都具有半导体性质，具有灵敏度高、稳定性好、响应快、寿命长、价格低等优点NTC热敏电阻研制得较早，也较成熟，也是目前使用最多的热敏电阻。NTC热敏电阻主要用于温度测量和补偿，在各种电子电路中抑制浪涌电流，起保护作用。如用作电子温度计的温度检测传感器，汽车的进气/排放温度检测器，以及空调的室内/室外机温度检测，以及通过检测智能手机和液晶显示器等移动设备的过热来控制电压。NTC热敏电阻的电阻－温度特性曲线如下图所示：R25:25℃时NTC本体的电阻值B值：材料常数，是用来表示NTC在工作温度范围内阻值随温度变化幅度的参数。ɑ值：所谓电阻温度系数(ɑ)，是指在任意温度下温度变化1°C时的零负载电阻变化率。NTC的B值会受温度变化的影响，因此通常我们会选取曲线上两个温度点来计算。表示B值时要把选取的温度点标明，如B25/85。B值越大表明阻值随温度的升高降低得越快，B值越小则相反。如下图：2.2

热敏电阻NTC的R-T表是电子工程师在设计电路时必须要得到的信息，表格是通过公式计算出来的，所以温度间隔可以自由设定，鉴于NTC检测温度的精度，通常温度间隔设为1℃。2.2

热敏电阻当NTC用来做温度检测，监控或者补偿时，通常需要串联一个电阻，阻值的选择可根据需要重点检测的温度区域和流过的电流大小来决定，一般情况下会串联一个和NTC常温电阻值一样的电阻，并且保证流过的电流要足够小以免产生自热，影响检测精度。检测到的信号是NTC电阻上的分压，如果希望得到分压与温度的曲线更加线性，可以采用图中所示的电路。2.2热敏电阻2.2热敏电阻NTC在使用中需要注意的事项：一定要加合适的串联电阻，不然NTC使用的时候会发生热崩溃，因为电流流过NTC会发热，如果热量不能及时耗散掉，NTC的温度会升高，然后阻值下降，这时电流会显著增加，NTC会变得更热，这样循环，最终可能导致NTC被烧毁，甚至起火。NTC的端部电极通常由Ag组成，在使用不当时会发生银迁移，导致NTC短路。使用中要避免NTC接触到水。焊接时的高温会造成NTC不可逆的阻值漂移，一些情况下可

能会造成5%的漂移，所以尽量避免高温焊接。NTCSMD是由陶瓷构成，安装时可能会造成断裂。2.2热敏电阻（3）临界温度系数热敏电阻(CTR)的工作原理CTR具有负电阻突变特性，电阻值在某特定温度范围内随温度升高而降低3-4个数量级,即具有很大负温度系数，主要用于温度开关类的控制。CTR工作原理是基于材料的热致电阻效应。当温度升高时，材料的电阻值会随之增加，这是因为温度升高会导致材料中的电子和离子的热运动增加，从而增加了电阻。而CTR临界温度热敏电阻的特殊之处在于，当温度达到一定的临界值时，材料的电阻值会发生急剧变化，这是因为材料的晶格结构发生了相变，从而导致电阻值的变化。CTR临界温度热敏电阻构成材料为钒、钡、锶、磷等元素氧化物的混合烧结体，是半玻璃状的半导体，所以也称CTR为玻璃态热敏电阻。CTR骤变温度随添加锗、钨、钼等的氧化物而变。这是由于不同杂质的掺入，使氧化钒的晶格间隔不同造成的。2.2热敏电阻CTR的特点:临界温度明显：CTR临界温度热敏电阻的特殊之处在于其有一个明显的临界温度，当温度小于该温度时，其电阻值变化不大，当温度超过该温度时，其电阻值迅速增加。01灵敏度高：CTR临界温度热敏电阻的温度系数较大，因此对温度变化的响应比较敏感，这使得其可以被广泛应用于温度测量、控制、保护等领域。02难度高：由于CTR临界温度热敏电阻的制造工艺比较复杂，材料成分和结构也有很高的要求，因此其制造成本比一般电阻要高，同时也难以达到高精度和高可靠性的要求。032.2热敏电阻CTR应用温度测量：CTR可以被广泛应用于温度测量领域，其灵敏度高、精度高的特点使其在工业领域获得了广泛的应用。01温度控制：CTR可以作为温度控制器中的重要元件，通过对热敏电阻值的监测和控制，实现对温度的调节和控制。02温度保护：CTR可以被应用于各种设备和仪器中，用于保护电路和设备免受过热损伤的影响。03

为温度为T时的电阻值；A为与热敏电阻尺寸、形式以及它的半导体物理性能有关的常数；B为与半导体物理性能有关的常数；T为热敏电阻的热力学温度(K)。电阻-温度特性热敏电阻的基本特性是电阻-温度特性。用于测量的NTC热敏电阻，在较小的温度范围内，其电阻-温度特性曲线是一条指数曲线，可表示为式中，图2-8热敏电阻温度特性2.2

热敏电阻伏—安特性在稳态情况下，通过热敏电阻的电流I与其两端之间的电压U的关系，称为热敏电阻的伏—安特性。当电流很小时，伏-安特性是直线，主要用来测温。当电流增大到一定值时，电阻减小，端电压反而下降。

伏安特性有助于我们正确选择热敏电阻的正常工作范围。图2-9热敏电阻伏—安特性2.2

热敏电阻安—时特性热敏电阻的电流—时间曲线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时间。热敏电阻受电流加热后，一方面使自身温度升高，另一方面也向周围介质散热，只有在单位时间内从电流获得的能量与向周围介质散发的热量相等，达到热平衡时，才能有相应的平衡温度，即有固定的电阻值。对于一般结构的热敏电阻，完成这个热平衡过程需要时间在0.5～1s之间。图2-10热敏电阻安—时特性2.2

热敏电阻2.3热电偶2.3热电偶电力冶金水利工程石油化工轻工纺织工业过程控制科研工业锅炉自动化仪表温室监测……应用广泛测温范围广准确度高性能稳定结构简单动态性能好能把温度转换为电动势信号不需外加电源能用于快速测量可测流体温度、固体温度可测量静态温度，动态温度。热电偶传感器是一种将温度变化转换为电动势变化的传感器。主要优点缺点：线性度较差，通过查表补偿方法来校正温度，提高测量精度。T0电流ABT0T两种不同材料的导体或半导体两个导体接点处不同温度

ABT热电效应把两种不同材料的导体或半导体A和B组成一个闭合回路，两种导体处于不同温度T和T0时，在两导体间产生电动势，在回路中会因产生热电动势而形成电流，两个节点的温差越大，所产生的电动势越大。组成回路的导体材料不同,所产生的电动势也不一样。热电势热电偶两种不同导体的组合热电偶所产生的电动势热电极组成热电偶的材料A和B2.3热电偶2.3热电偶热电偶通常用于高温测量。置于被测温度介质中的一端(温度为T)称为热端或工作端。另一端(温度为T0)称为冷端或自由端。热电偶的冷端通过导线与温度指示仪表相连。热端一般要插入需要测温的生产设备中。冷端置于生产设备外。如果两端所处温度不同，则测温回路中会产生热电动势。热电动势的大小是由两种材料的接触电动势和单一材料的温差电动势所决定的。testo922双通道热电偶测温仪（1）接触电动势在温度为T时，两接点的接触电动势为：㏑k—玻耳兹曼常数e—电子电荷量T—接触处的温度NA，NB—分别为导体A和B的自由电子密度

式中：

由于不同的金属材料内部的自由电子密度不相同，当两种金属材料A和B接触时，自由电子就要从自由电子密度大的金属材料扩散到自由电子密度小的金属材料中去，从而产生自由电子的扩散现象。自由电子密度大的金属材料A，有自由电子从扩散到B，当扩散达到平衡时，金属材料A失去电子带正电荷，而金属材料B得到电子带负电荷。这样，A、B接触处形成一定的电位差，这就是接触电动势。2.3热电偶（2）温差电动势

温差电动势大小表示为：其中：σA—汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1℃时所产生的温差电动势，例如在0℃时，

铜的σA=2μV/℃

在同一金属材料

A中，当金属材料两端的温度不同，两端电子能量就不同。温度高的一端电子能量大，则电子从高温端向低温端扩散的数量多，最后达到平衡。这样在金属材料A的两端形成一定的电位差，即温差电动势。2.3热电偶（3）热电偶回路的总热电动势

=lnln热电偶回路中的总电势导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0，如果T>T0，则必存在两个接触电势和两个温差电势，热电偶回路中产生的总热电动势为①热电偶的两个热电极必须是两种不同材料的均质导体②热电偶两接点温度必须不等③热电偶A，B产生的热电势与两个接点温度有关，与热电偶的材料有关④端点温差越大，回路的总电动势也越大结论：2.3热电偶2.3热电偶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℃。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。T/℃0102030405060708090热电势/mV00.0000.0550.1130.1730.2350.2990.3650.4320.50.5731000.6450.7190.7950.8720.9501.91.1091.1901.2731.3562001.4401.5251.6111.6981.7851.8731.9622.0512.1412.2323002.3232.4142.5062.5992.6922.7862.8802.9743.0693.1644003.2603.3563.4523.5493.6453.7433.8403.9384.0364.1355004.2344.3334.4324.5324.6324.7324.8324.9335.0345.1366005.2375.3395.4425.5445.6485.7515.8555.9606.0646.1697006.2746.3806.4866.5926.6996.8056.9137.07.1287.2368007.3457.4547.5637.6727.7827.8928.0038.1148.2258.3369008.4488.5608.6738.7868.8999.29.1269.2409.3559.47010009.5859.7009.8169.93210.04810.16510.28210.40010.51710.635110010.7541087210.99111.11011.22911.34811.46711.58711.70711.827120011.94712.06712.18812.30812.42912.55012.67112.79212.91313.034130013.15513.27613.39713.51913.64013.76113.88314.00414.12514.247140014.36814.48914.61014.73114.85214.97315.09415.21515.33615.456150015.57615.69715.81715.93716.05716.17616.29616.41514.53416.653160016.77116.89017.00817.12517.24517.36017.47717.59417.71117.826热电极的选材不仅要求热电动势要大，以提高灵敏度，还要求其具有较好的热稳定性和化学稳定性。国际上，按热电偶的A、B热电极材料不同分成若干个分度号，写在前面的为正极，后面的为负极。多数热电偶的输出都是非线性的热电偶的基本定律中间导体定律一个由几种不同导体材料连接成的闭合回路，只要它们彼此连接的接点温度相同，则此回路各接点产生的热电势的代数和为零。也就是说，在热电偶回路中接入第三种导体，只要该导体两端温度相同，则热电偶产生的总电动势不变。根据这个定律，我们可采取任何方式焊接导线，可以将热电动势通过导线接至测量仪表进行测量，且不影响测量精度。同时，利用这个定则，还可以使用开路热电偶测量液态金属和金属壁面的温度。图2-15接入中间导体的热电偶测温回路2.3热电偶2.3热电偶图中间温度定律原理示意图在热电偶回路中如果A、B分别连接导线a、b，其结点温度分别为T、TC和TC、T0，则回路的总电势EABab(T，Tc，T0)等于热电偶热电势EAB(T，Tc)与连接导线的热电势Eab(Tc，T0)的代数和。连接导体的中间温度定律其原理可用下式表示:EAB(T，T0)=EAB(T，TC)+Eab(TC，T0)利用这一性质，实际测量时可对参考端温度不为零度时的热电势进行修正。中间温度定律为在工业测量温度中使用补偿导线提供了理论基础。中间温度定律2.3热电偶均质导体定律由同一种均质导体(或半导体)两端焊接组成闭合回路，无论导体截面如何及温度如何分布，将不产生接触电势，温差电势相抵消，回路中总电势为零。可见，热电偶必须由两种不同的均质导体或半导体构成。若热电极材料不均匀，由于温度梯度存在，将会产生附加热电势，造成无法估计的测量误差。因此，热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要技术指标之一。根据这一定律，可以检验两个热电极材料的成分是否相同(称为同名极检验法)，也可以检查热电极材料的均匀性。2.3热电偶标准(参考)电极定律如果两种导体(A、B)分别与第三种导体C组合成热电偶的热电势已知，则由这两种导体(A、B)组成的热电偶的热电势也就已知，这就是标准电极定律或参考电极定律。即电极定律根据标准电极定律，可以方便地选取一种或几种热电极作为标准(参考)电极，确定各种材料的热电特性，从而大大简化热电偶的选配工作。一般选取易提纯、物理化学性能稳定、熔点高的铂丝作为标准电极，确定出其他各种电极对铂电极的热电特性，便可知这些电极相互组成热电偶的热电势大小。1:12.3热电偶为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择。工程上用于热电偶的材料应满足以下条件:热电势变化尽量大，热电势与温度关系尽量接近线性关系；电阻温度系数小，电导率高；热电性质稳定，物理、化学性能稳定；易加工，复制性好，便于成批生产，有良好的互换性。实际上，一般纯金属热电极易于复制但热电势小，非金属的热电势大但熔点高，难复制，故许多热电极选择合金材料。2.3热电偶国际上，按热电偶的A、B热电极材料不同分成若干个分度号，如常用的K(镍铬-镍硅或镍铝)、E(镍铬-康铜)、T(铜-康铜)等。组成热电偶的两种材料，写在前面的为正极，后面的为负极。对于不同金属组成的热电偶，温度与热电势之间有着不同的函数关系。因为多数热电偶的输出都是非线性的，国际计量委员会已对这些热电偶的每一度的热电势作了非常精密的测试，并向全世界公布了它们的分度表。2.3热电偶温度℃0102030405060708090热电动势mV00.0000.3970.7981.2031.6112.0222.4362.8503.2663.6811004.0954.5084.9195.3275.7336.1376.5396.9397.3387.7372008.1378.5378.9389.3419.74510.15110.56010.96911.38111.79330012.20712.62313.03913.45613.87414.29214.71215.13215.55215.97440016.39516.81817.24117.66418.08818.51318.93819.36319.78820.21450020.64021.06621.49321.91922.34622.77223.19823.62424.05024.47660024.90225.32725.75126.17626.59927.02227.44527.86728.28828.70970029.12829.54729.96530.38330.79931.21431.62932.02432.45532.86680033.27733.68634.09534.50234.90935.31435.71836.12136.52436.92590037.32537.72438.12238.51938.91539.31039.70340.09640.48840.879100041.26941.65742.04542.43242.81743.20243.58543.96844.34944.729110045.10845.48645.86346.23846.61246.98547.35647.72648.09548.462120048.82649.19249.55549.91650.27650.63350.99051.34451.69752.049130052.39852.74753.09353.43953.78254.12554.46654.807——右图所示是分度号为K的镍铬—镍硅热电偶分度表。可通过测量热电偶输出的热电势再查分度表得到相应的温度值。约束条件是：自由端(冷端)温度必须为0C。每10℃分档，中间值按内插法计算。2.3热电偶这是目前工业上常用的几种标准化热电偶性能一览表。国际电工委员会(IFC)向世界各国推荐八种标准化热电偶。所谓标准化热电偶，就是已列入工业标准化文件中，具有统一的分度表。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。按此标准生产热电偶，制定了相应的分度表，并且生产与之相配的显示仪表和相应的线性化集成电路。图2-17热电偶导线的绝缘方法将两热电极的一个端点紧密地焊接在一起组成接点就构成热电偶。对接点焊接的要求是焊点具有金属光泽、表面圆滑、无沾污变质、夹渣和裂纹；焊点的形状通常有对焊、点焊、绞纹焊等；焊点尺寸应尽量小，一般为偶丝直径2倍。焊接方法主要有直流电弧焊、直流氧弧焊、交流电弧焊、乙炔焊、盐浴焊、盐水焊和激光焊接等。热电偶两电极之间的导线通常用耐高温材料绝缘做成。1.3热电偶热电偶的感温元件1.普通型热电偶主要用于测量气体、液体、蒸汽等物质的温度。主要有棒形、角形、锥形等，还做成无专门固定装置、有螺纹固定装置及法兰固定装置等多种形式。工业上常用的热电偶一般由热电极、绝缘套管、保护套管、接线盒、接线盒等几部分组成。其中，热电极、绝缘套管和接线座组成热电偶的感温元件，一般制成通用性部件，可以装在不同的保护管和接线盒中。接线座作为热电偶感温元件和热电偶接线盒的连接件，将感温元件固定在接线盒上，其材料一般使用耐火陶瓷。1.3热电偶热电极:核心部分，采用焊接方式构成。贵金属热电极直径一般为0.35～0.65mm；

长度一般为250～300mm。绝缘套管:用于防止两根热电极短路，通常采用陶瓷、石英等材料。保护管:起到保护、固定和支撑热电极的作用。应有较好的气密性，足够的机械强度，

抗弯抗压；物理、化学性能稳定，不产生对热电极的腐蚀；高温环境使用，

耐高温和抗震性能好。接线盒:用来固定接线座和连接外接

导线，保护热电极免受外界

环境侵蚀，保证外接导线

与接线柱良好接触。一般

由铝合金制成，出线孔和

盖子都用垫圈加以密封。1.3热电偶2.铠装热电偶又称为缆式热电偶，它是由热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者一起拉制成型的。由于它的热端形状不同，可分为四种形式。优点是小型化(直径为0.25～12mm)、热惯性小、有良好的柔性，便于弯曲，动态响应快(时间常数可达0.01s)，适用于测量狭长对象上各点的温度。同时，机械性能好，结实牢固，抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、耐震动抗机械外力冲击。测温范围在11OO℃以下的有镍铬-镍硅、镍铬-考铜铠装式热电偶，1.3热电偶2.3热电偶3.薄膜热电偶是由两种金属薄膜连接而成的一种特殊结构的热电偶，常用真空蒸镀(或真空溅射)等方法，把热电偶材料沉积在绝缘基板上面而制成。由于热电偶可以做得很薄，测表面温度时不影响被测表面的温度分布，它的测量端既小又薄(微米级)，热容量很小，动态响应反应速度快，热响应时间达到微秒级，可用于微小面积上的表面温度测量，以及瞬时变化的动态温度测量，特别适用于对壁面温度的快速测量。日前我国试制的有铁-镍、铁-康铜和铜-康铜三种，

尺寸为60×6×0.2mm，绝缘基板用云母、陶瓷片、

玻璃及酚醛塑料纸等；测温范围在300℃以下；

反应时间仅为几毫秒(ms)。2.3热电偶4.表面热电偶主要用于现场流动的测量，广泛用于纺织、印染、造纸、塑料及橡胶工业。01上海仪表集团的WREM、WRNM系列表面热电偶专供测量0～800℃范围内各种不同形状静态固体介质表面温度、以及测量液体、气体和橡胶内部的温度等，不受物体表面形状限制，外形轻巧，携带方便，特别是加工现场，尤为适用。02本系列分手柄式和直柄式二种手杆，有七种形状探头，在其把手上装有动圈式仪表，读数方便。03热电偶探头采用镍铬－镍硅、镍铬－铜镍材料作感温元件，分度号E型和K型，热应时间T0.5小于10秒。042.3热电偶5.防爆热电偶在石油、化工、制药工业中，生产现场常伴有各种易燃易爆等化学气体、蒸汽，如果使用普通热电偶非常不安全，极易引起环境气体爆炸。这时需要采用防爆热电偶。防爆热电偶产品接线盒（外壳）在设计上采用高强度铝合金压铸