《智能传感器与智能仪表》课件-项目8：热电阻传感器

热电阻传感器的测量电路精准测温的“导线密码”项目四

位移传感器和物位传感器电气工程学院知识导入金属热电阻的接线奥秘|探寻各种接法背后的技术智慧与工程担当产品质量01生产安全02国家重点工程03目录CONTENTS两线制Smartsensorsandsmartmeters01三线制Smartsensorsandsmartmeters02四线制Smartsensorsandsmartmeters03二线制优点方式简单，费用低连接方式

|将金属热电阻传感器直接通过引线接入到测量电桥中，就构成二线制接线方法两线制接法缺点引线电阻及引线电阻的变化会带来附加误差这是产生测量误差的一个重要原因适用适于引线不长、测温精度要求较低的场合思考一下如果你的项目需要在近距离测量室温，且预算有限两线制是否是可行的选择结合所学思考

？考考你三线制三线制接法

|将金属热电阻传感器Rt通过电阻为r1，r2，r3的三根导线和电桥连接01G为检流计02R1，R2为固定电阻03R3为调整电桥零位的精密调节电阻三线制一般引线一致，电阻相同r1=r2如果是R3=R1，说明三线制接法中导线电阻对热电阻的测量毫无影响当电桥平衡时，有热电阻传感器的两根导线r1，r2分别接在电桥相邻的两臂内温度变化时：只要长度和电阻的温度系数相等，导线的电阻变化就不会影响电桥的状态以上结论只在R3=R1，且只有在平衡状态下才成立为了消除从热电阻感温体到接线端子间的导线对测量结果的影响一般要求从热电阻感温体的根部引出导线，且要求引出线一致，以保证它们的阻值相等三线制

主要目的消除（或大幅减小）连接导线电阻随温度变化带来的测量误差精度高，能有效补偿导线电阻影响，成本适中

适用场合些需要较高测量精度、且传感器安装位置与显示/控制仪表距离较远的工业过程测温场合除极端情况，三线制通常是首选的推荐接线方式四线制Rt

为热电阻r1a、r1b为引线电阻将热电阻与恒流源串联在热电阻引出的四根线中，2根接在电流回路上则该导线上引起的电压降，不在测量范围内另外2根接在电压回路上这些导线上虽有电阻但无电流，所以，四根导线的电阻对测量都没有影响四线制完全消除连接导线电阻、接触电阻以及它们不稳定的影响，实现最高精度的电阻测量核心目的主要用于那些对测量精度和可靠性有极端要求，且可以接受更高成本和接线复杂度的场合适用场合计量校准与实验室标定极高精度的科学实验与研究对长期稳定性和绝对准确性要求极高的工业过程案例分析某大型化工企业的反应釜温度测量项目中，初期采用两线制接线方式由于传感器与控制室距离较远(约50米)，冬季低温时频繁出现测温偏差达3℃导致反应参数控制不稳定，产品合格率下降技术团队排查后发现，是导线电阻随环境温度变化产生的附加误差所致案例分析030201团队将接线方式改为三线制严格按照规范从热电阻感温体根部引出相同规格的引线，调整R3=R1确保电桥平衡改造方式选择合适的接线方式是解决工业测温误差的关键案例说明测温偏差控制在±0.5℃以内产品合格率提升至99.8%改造结果课程小结热电阻测量的“金标准”用于追求绝对精度、可靠性和可溯源性的场合，不计成本地追求数据的真实性四线制性价比最高的选择超过90%的工业过程控制场景中，设计良好、安装规范的三线制提供足够的精度和稳定性三线制应用场合较少当精度要求不高时，若测温距离极短且成本敏感，可选二线制，易受到导线电阻影响二线制思想升华秉持严谨细致、精益求精的工匠精神，树立“科技报国、质量为先”的责任意识，将今天所学运用到实际工作中小小的接线方式看似细微，却直接关系到产品质量、生产安全乃至国家科技实力的提升热电偶的工作原理及基本定律智能传感赋能工业测温项目四

位移传感器和物位传感器电气工程学院知识导入能精准捕捉100～2000℃以上高温信号的“测温能手”——热电偶航空航天的核心设备医疗检测的精密仪器温度测量始终是保障安全、把控质量的关键环节知识导入01

定义热电偶是工业上常用的一种测温传感器02

应用广泛用于测量100～2000℃以上范围的温度测量03

优点结构简单使用方便精度高热惯性小04

作用将温度信号转换为电压信号可远距离传递或集中检测与控制05

原理将温度量转换为热电势，通过测量热电势的大小，实现温度的测量目录CONTENTS热电偶工作原理Smartsensorsandsmartmeters01热电偶的基本定律Smartsensorsandsmartmeters02热电偶工作原理塞贝克德国物理学家1821年在观察铋-铜和铋-锑电路的电磁效应时，发现了热电流的存在实验表明当两种不同的金属连接形成一个闭合回路时，如果两接点处温度不同，则将产生热电势，形成持续电流1－工作端2－热电极A3－热电极B4－指南针5－参考端热电偶工作原理假设一端温度为T0，另一温度为T（设T>T0），这时回路中就有电流或热电势EAB(T,T0)产生，大小可由测量电路测出测量电极利用热电效应可以测量物体的温度，此闭合回路称为热电偶A、B导体称为热电极，（T）接触点为热端，又称工作端（T0）接触点为冷端，又称参考端热电效应（塞贝克效应）两种不同材料的金属导体A和B组成闭合的回路中，当两个结点温度不相同时，回路中将产生热电动势热电偶工作原理热电势是怎么来的

|热电效应产生的热电势EAB(T,T0)是由两种导体的接触电动势（珀尔贴效应）和单一导体的温差电势（汤姆逊效应）引起的接触电动势（Peltier效应）温差电动势（Thomson效应）

k为波尔兹曼常数e为电子电荷量NA(t)、NB(t)分别为两种电极材料的在温度为t时的自由电子体密度热电偶工作原理接触电动势定义

|由于两种金属自由电子密度不同，接触时电子会扩散形成电位差接触电动势大小：由两种金属的特性和接触点处的温度所决定EAB(T)：A、B材料在温度T时的接触电动势T：接触处的热力学温度k：玻尔兹曼常数（k=1.38，10-23J/K）e：电子电荷（e=1.6，10-19C）NA、NB：热电极材料A、B的自由电子密度热电偶工作原理温差电动势单一导体两端温度不同时，高温端电子向低温端扩散，会产生电位差，该电位差称为温差电动势当电场对电子的作用力与扩散力相平衡时，达到动态平衡，温差电动势达到稳态值温差电动势的小取决于导体材料和两端温度热电偶工作原理回路总电动势热电极A、B组成的热电偶回路，当接触点温度T>T0时，总热电势为01如果热电偶两电极材料相同即使两接触点温度不同，热电偶回路的总热电势始终为零02如果热电偶两结点温度相等尽管导体材料不同，热电偶回路里的总热电势也为零热电偶工作原理必须使用两种不同材料的电极，且热端和冷端温度要存在差异这是热电偶能正常工作的核心前提制作热电偶时要满足什么条件

？想一想热电偶的基本定律均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体是否存在温度梯度，回路中都没有电流（即不产生电动势）回路中如果有电流流动，则此材料一定是非均质的，即热电偶必须采用两种不同材料作为电极可检查两种热电极材料是否相同|或一种热电极材料是否均匀热电偶的基本定律中间导体定律定义：在热电偶回路中插入第三种导体只要插入导体的两端温度相等，且插入导体是均质的，那么热电偶产生的热电动势就可以保持不变实际应用的意义：可在回路中直接接入各种类型的显示仪表或调节器可直接将热电偶两端直接插入液态金属中或者直接焊接在金属表面进行测温热电偶的基本定律标准电极定律定义将两种导体A，B分别与参考电极C（或称标准电极）组成热电偶，便可以同时得到A与B两个热电极配对后组成热电偶的热电势标准电极定律简化了热电偶的选配工作任何两种热电极配对时的热电动势均可求得，就能较快地筛选出适合需要的、性能良好的热电偶目前常用纯铂丝作为标准电极获得有关热电极与标准电极配对的热电动势热电偶的基本定律中间温度定律热电偶在结点温度为(T,T0)时的热电动势EAB(T,T0)等于其在结点温度为(T,Tn)与(Tn,T0)时的热电动势EAB(T,Tn)与EAB(Tn,T0)之和：中间温度定律是工业上运用补偿导线进行温度测量的理论基础，也为指定热电势分度表奠定了理论基础根据该定律，可以在冷端温度为任一恒定温度时，利用热电偶分度表，可求出工作端的被测温度案例分析在钢铁厂的炼钢车间，钢水温度高达1600℃以上，普通测温设备无法承受这样的高温工作人员将热电偶的热端直接插入钢水，冷端通过补偿导线连接到控制室的显示仪表由于采用了两种不同的耐高温电极材料，且利用中间温度定律补偿了冷端温度变化的影响，热电偶能实时、精准地测量钢水温度，误差控制在±5℃以内精准测量——让工人能及时调整冶炼工艺，确保钢水质量符合标准课程小结热电偶的发展历程是科学家勇于探索、坚持不懈的结果是工程技术人员将理论转化为实践的智慧结晶热电偶的精神映射结构简单却功能强大在高温、恶劣环境下依然能坚守岗位这种“朴实无华、精益求精”的特质是我们在学习和工作中需传承的精神热电偶的分类及冷端温度补偿智能传感技术赋能精准测温项目四

位移传感器和物位传感器电气工程学院知识导入热电偶——应用最广泛的测温元件，默默守护着每一个关键环节的温度稳定工业生产的高温炉膛科研实验的精密检测温度测量的精准度直接关系到产品质量与科研成败知识导入作为实用的测温元件，不是所有材料都适合于制作热电偶实际生产中很难找到一种完全理想的材料，通常要根据具体的测温情况，采用不同的材料来做成热电偶01热电偶分度表中的热电势是在冷端温度为0℃的条件下测得的，只有满足冷端温度为0℃时，才能直接应用分度表02工程测量中冷端温度通常不是0℃或常随环境温度的变化而变化，这样将引入测量误差，因此必须采取一定修正或补偿措施03目录CONTENTS热电偶的材料及分类Smartsensorsandsmartmeters01热电偶的结构Smartsensorsandsmartmeters02热电偶的冷端温度补偿Smartsensorsandsmartmeters03热电偶的材料及分类热电性能稳定，均匀性和稳定性好温度测量范围广，温度线性度好，测量精确度高，输出热电动势大物理化学性能好，不蒸发、抗氧化等用于制造铂热电偶的各种热电偶丝热电偶的材料及分类镍铬-考铜02-铜-康铜01-非标准热电偶：铂铑13-铂、

铂铑-铱发展中产品：镍铬-康铜、

铁-康铜镍铬-镍铝04-镍铬-镍硅03-铂铑30-铂铑606-铂铑10-铂05-热电偶的材料及分类分度号名称测量温度范围1000℃热电动势/mVB铂铑30－铂铑650～1820℃4.834R铂铑13—铂300～1300℃10.506S铂铑10—铂300～1300℃9.587K镍铬－镍硅(铝)100～1000℃41.276E镍铬－铜镍(康铜)-270～600℃—标准型热电偶热电偶的材料及分类铂铑－铂热电偶由直径0.5mm的纯铂丝和铂铑丝制成铂铑丝为正极，纯铂丝为负极01.测温范围为300℃～1300℃短期可达1600℃03.物理、化学性能稳定测温准确度高，常用于精密测量和标准热电偶02.热电势低，价格昂贵不能用于蒸汽和还原性气体中04.热电偶的材料及分类镍铬－镍硅热电偶01镍铬-镍硅热电偶以镍铬为正极、镍硅为负极02热电势大，与温度的关系接近线性，抗氧化性和抗腐蚀性较强03化学性能稳定，价格便宜，测温范围为100℃～1000℃热电偶的材料及分类镍铬－考铜热电偶

镍铬为正极考铜为负极

热电极丝直径一般为1.2mm～2mm

热电势大，电阻率小

价格便宜，但测温范围低

常用于温度不超过600℃的测量热电偶的材料及分类镍铬－康铜热电偶价格便宜03-镍铬为正极、康铜为负极01-测温范围80~500℃05-热电势大-02高温下铜极易氧化-04适于低温或超低温测量-06热电偶的结构普通装配型热电偶将双金属线安装在带绝缘管的保护套管内，结构简单，通用性强热电偶的结构铠装热电偶01|把双金属线装入金属管，用无机物实现电气隔离02|外径细、响应速度快，柔软可弯曲03|机械性能优异，耐振动、抗冲击，能适应复杂的安装环境热电偶的结构薄膜热电偶1-热电极2-热结点3-绝缘基板4-引出线-02厚度仅0.01～0.1mm，尺寸小巧-01通过真空蒸镀将热电偶材料沉积在绝缘基板上-03热接点热容量小，反应时间极短-04专门用于微小面积的温度测量和瞬变表面温度检测案例分析01最初选用普通装配型镍铬-镍硅热电偶，但发测量数据波动较大，响应速度慢，无法及时反馈反应釜内的温度变化，影响产品合成效率03企业更换为铠装镍铬-镍硅热电偶，配套使用冷端温度补偿器。提升了抗振动能力和响应速度，消除了环境温度对测量的影响02技术人员发现反应釜附近环境温度不稳定，导致热电偶冷端温度波动，难以匹配反应釜温度变化节奏某化工企业反应釜温度监测案例分析选择合适的热电偶类型并做好冷端温度补偿改造后温度测量误差从±5℃降至±1℃，反应釜的温度控制精度显著提升，产品合格率提高了8%，每年为企业减少经济损失数十万元对工业生产的重要性不言而喻热电偶的冷端温度补偿温度条件用热电偶的分度表查毫伏数对应的温度时，必须满足冷端温度为0℃的条件在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化，不仅不是0℃而且也不恒定，因此将产生误差一般情况下，冷端温度高于0℃，热电动势总是偏小热电偶的冷端温度补偿冷端恒温法

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℃不变这种方式适用于实验室中的精确测量和检定热电偶时使用热电偶的冷端温度补偿热电势修正法若冷端温度不是0℃而是某一恒定温度Tn，其输出电势EAB（T，Tn）与冷端温度为0℃时的电势EAB（T，0）不等热电偶温度测量将电势换算到冷端温度为0℃时的热电势为：中间温度定律

思考一下用镍铬-镍硅K