山東建筑大學熱工檢測課

第一節(jié)熱電現象及熱電偶定律一熱電現象及熱電偶測溫原理二熱電偶基本定律當前1頁，總共114頁。一熱電現象及熱電偶測溫原理熱電偶是目前世界上科研和生產中應用最普遍、最廣泛的溫度測量元件。它將溫度信號轉換成電勢（mV）信號，配以測量毫伏的儀表或變送器可以實現溫度的測量或溫度信號的轉換。具有結構簡單、制作方便、測量范圍寬、準確度高、性能穩(wěn)定、復現性好、體積小、響應時間短等各種優(yōu)點。當前2頁，總共114頁。它既可以用于流體溫度測量，也可以用于固體溫度測量。既可以測量靜態(tài)溫度，也能測量動態(tài)溫度。并且直接輸出直流電壓信號，便于測量、信號傳輸、自動記錄和控制等。當前3頁，總共114頁。將兩種不同的導體或半導體連成閉合回路，當兩個接點處的溫度不同時，回路中將產生熱電勢。閉合回路中產生的熱電勢由兩種電勢組成：溫差電勢和接觸電勢當前4頁，總共114頁。兩種不同的導體相接觸時，因各自的電子密度不同而產生電子擴散，當達到動平衡后所形成的電勢，大小取決于兩種不同導體的性質和接觸點的溫度。指同一導體的兩端因溫度不同而產生的電勢，不同的導體具有不同的電子密度，所以它們的溫差電勢也不一樣。當前5頁，總共114頁。是導體A右端的溫度為T時的電子密度是導體B左端的溫度為T時的電子密度當前6頁，總共114頁。一一一+-高溫低溫溫差電動勢NAt為導體A在溫度t時的電子密度當前7頁，總共114頁。熱電偶回路中總熱電勢BEAB（T）EAB（T0）EA（T

，T0）EB（T

，T0）A經過簡化可得閉合回路的總熱電勢為接觸電勢要遠大于溫差電勢，閉合回路總電勢以接觸電勢為主當前8頁，總共114頁。EAB(T,T0)=f(T)-C閉合回路的總熱電勢取決于兩種材料及兩個端點的溫度.當熱電偶材料一定時,熱電偶的總熱電勢成為溫度T和T0的函數當T0維持一定時,對于確定的熱電偶熱電勢只與溫度T成單值函數關系,即:當前9頁，總共114頁。(1)熱電偶產生熱電勢的條件是兩種不同的導體材料構成回路，兩端接點處的溫度不同。小結當前10頁，總共114頁。(2)熱電勢大小只與熱電極材料及兩端溫度有關，與熱偶絲的粗細和長短無關。小結當前11頁，總共114頁。(3)熱電極材料確定以后，熱電勢的大小只與溫度有關。

小結當前12頁，總共114頁。測溫時，測量端置于被測溫度處。而參比端一般要保持恒定溫度，并與測量儀表相接。在這個閉合回路中，T端稱測量端或熱端，T0端稱參比端或冷端。當前13頁，總共114頁。

二熱電偶的基本定律

1均質導體定則2中間導體定則標準電極定則4中間溫度定則當前14頁，總共114頁。

1均質導體定則

由一種均質導體組成的閉合回路，不論導體的截面和長度以及其溫度分布如何，都不能產生熱電勢。這一定則說明，一種均質材料不能構成熱電偶由兩種不同材料組成的熱電偶則要求材質的均勻性要好，否則熱電極的溫度分布將會對熱電勢值產生影響當前15頁，總共114頁。

2中間導體定則在熱電偶回路中接入中間導體后，只要中間導體兩端的溫度相同，對熱電偶回路的總熱電勢值沒有影響。當前16頁，總共114頁。

2中間導體定則假設金屬的活性順序為A>B>C回路總電勢當前17頁，總共114頁。

2中間導體定則回路總電勢EAB(t)-EAC(t0)+EBC(t0)=EAB(t)-[EAC(t0)-EBC(t0)]=EAB(t)-EAB(t0)=EAB(t,t0)當前18頁，總共114頁。3標準電極定則已知熱電偶的兩個電極A、B分別與另一電極C組成的熱電偶的熱電勢為EAC(T,T0)和EBC(T,T0)，則在相同接點溫度(T,T0)下，由A、B電極組成的熱電偶的熱電勢EAB(T,T0)為:當前19頁，總共114頁。

例如，鉑銠30—鉑熱電偶的EAC（1084.5℃,0℃）=13.976mv,鉑銠6—鉑熱電偶的EBC（1084.5℃,0℃）=8.354mv，根據標準電極定律，鉑銠30—鉑銠6熱電偶的EAB(1084.5℃,0℃）=13.976-8.354=5.622mv。當前20頁，總共114頁。

4中間溫度定則熱電偶AB在接點溫度為t1、t3時的熱電勢EAB(t1,t3)等于熱電偶AB在接點溫度為t1、t2和t2、t3時的熱電勢EAB(t1,t2)、EAB(t2,t3)的代數和。

EAB(t1,t3)=EAB(t1,t2)+EAB(t2,t3)根據這一定則，只需列出熱電偶在參比端溫度為0℃的分度表，就可以求出參比端在其它溫度時的熱電勢值。當前21頁，總共114頁。熱電偶參考端補償導線法處理※原理：在一定溫度范圍內，與配用熱電偶的熱電特性相同的一對帶有絕緣層的廉價金屬導線為補償導線。回路總熱電勢為E=EAB(T,T0’)+EA’B’(T0’,T0)E=EAB(T,T0)補償導線EA’B’(T0’,T0)=EAB(T0’,T0)當前22頁，總共114頁。常用補償導線的結構分為普通型和帶屏蔽層型兩種按照補償原理分為補償型及延伸型兩種補償導線按使用溫度可分為一般用（0～100℃）和耐熱用（0～200℃）當前23頁，總共114頁。注意

兩個接點溫度不能超過規(guī)定溫度兩個接點溫度應當相同。否則，由于熱電偶與補償導線的熱電特性并不完全相同，可能會引起較大的測量誤差。正負極不能接反當前24頁，總共114頁。在T0=0℃條件下，用實驗的方法測出各種不同熱電極組合的熱電偶在不同熱端溫度下所產生的熱電勢值，可以列出對應的分度表，常用熱電偶的熱電特性有分度表可查。通常表示熱電偶所用熱電極材料時，電子相對活躍的為正極，電子相對不活躍的為負極。分度表當前25頁，總共114頁。當前26頁，總共114頁。第二節(jié)標準化與非標準化熱電偶一熱電極材料及其熱電性質二標準化熱電偶三非標準化熱電偶四熱電偶的構造當前27頁，總共114頁。一熱電極材料及其熱電性質在測溫范圍內熱電性能穩(wěn)定，不隨時間和被測對象而變化；在測溫范圍內物理化學性能穩(wěn)定，不易氧化和腐蝕，耐輻射；所組成的熱電偶要有足夠的靈敏度，熱電勢隨溫度的變化牢要足夠大；當前28頁，總共114頁。一熱電極材料及其熱電性質熱電特性接近單值線性或近似線性；電導率高，電阻溫度系數小；機械性能好，機械強度高，材質均勻；工藝性好，易加工，復制性好價格便宜。當前29頁，總共114頁。二標準化熱電偶熱電偶分度號測量端溫度(℃)參考端溫度(℃)熱電勢(mV)S1300013.155B1400158.914K8503034.111T-14520-5.324E8053559.304J5651530.306當前30頁，總共114頁。

1廉金屬熱電偶1）T型（銅－康銅）熱電偶2）K型（鎳鉻－鎳鋁或鎳硅）熱電偶3）E型（鎳鉻－康銅）熱電偶4）J型（鐵－康銅）熱電偶當前31頁，總共114頁。K型（鎳鉻—鎳硅）熱電偶這是一種賤金屬熱電偶，它的特點是價格低廉，靈敏度高，復現性較好，高溫下抗氧化能力強，是工業(yè)和實驗室中大量采用的一種熱電偶。但在還原性介質或含硫化物氣氛中易被侵蝕。

當前32頁，總共114頁。T型（銅—康銅）熱電偶這是一種賤金屬熱電偶，測量精度高，穩(wěn)定性好，低溫時靈敏度高，價格低廉。

當前33頁，總共114頁。E型（鎳鉻—康銅）熱電偶這是一種賤金屬熱電偶，在以上幾種熱電偶中它的靈敏度最高，但抗氧化及抗硫化物介質的能力較差，適于在中性或還原性氣氛中使用。當前34頁，總共114頁。

2貴金屬熱電偶

1）S型（鉑銠10－鉑）熱電偶2）R型（鉑銠13－鉑）熱電偶3）B型（鉑銠30－鉑銠6）熱電偶當前35頁，總共114頁。

S型（鉑銠10—鉑）熱電偶這是一種貴金屬熱電偶，它的特點是精度高，物理化學性能穩(wěn)定，測溫上限高，適于在氧化或中性氣氛介質中使用。另外，它的熱電勢較小，靈敏度較低，價格昂貴。它不僅可用于工業(yè)和實驗室測溫，更為重要的是它可以保存為基準熱電偶和傳遞為各級標準熱電偶。

當前36頁，總共114頁。B型（鉑銠30—鉑銠6）熱電偶這是一種貴金屬熱電偶，它的特點是測溫上限短時可達1800℃，測量精度高，適于在氧化或中性氣氛介質中使用。但不宜在還原氣氛中使用，靈敏度較低，價格昂貴。當前37頁，總共114頁。三非標準化熱電偶（1）鎢－錸系熱電偶（2）鎢－銥系熱電偶（3）其他非標準化熱電偶當前38頁，總共114頁。四熱電偶的構造1普通熱電偶2鎧裝熱電偶3薄膜熱電偶當前39頁，總共114頁。1普通熱電偶（1）熱電極（2）絕緣材料（3）保護套管當前40頁，總共114頁。兩個熱電極當前41頁，總共114頁。熱電偶接點當前42頁，總共114頁。2鎧裝熱電偶

WRTK2-434/ⅡΦ8*1000mm

鎧裝固定卡套法蘭熱電偶

WRSK-143/ⅡΦ6*1000mmGh3030

鎧裝防爆熱電偶

WRNK-332/ⅠΦ4*1000mmGh2520

鎧裝可動卡套螺紋熱電偶當前43頁，總共114頁。由金屬套管、絕緣材料（一般為氧化鎂粉）和熱電偶線三者組合而成的堅實體。按測量端：絕緣型、接殼型、露端型和分離式絕緣型；按固定裝置：無、卡套式、螺紋、法蘭等當前44頁，總共114頁。測量范圍大和反應速度快安裝使用方便使用壽命長，機械強度和耐壓性能好從0.25mm~12mm直徑范圍，最大長度可到500m當前45頁，總共114頁。鎧裝型熱電偶可長達上百米當前46頁，總共114頁。第三節(jié)熱電偶冷端溫度補償一計算法二冰點槽法三補償電橋法當前47頁，總共114頁。3熱電偶冷端溫度補償熱電偶的總熱電勢為溫度T和T0的函數當T0維持一定時,對于確定的熱電偶熱電勢只與溫度T成單值函數關系,即:EAB(T,T0)=f(T)-C存在問題冷端溫度T0難以保持穩(wěn)定,所以要對冷端進行溫度補償當前48頁，總共114頁。一計算法熱電偶冷端溫度T0通常為環(huán)境溫度而不是0℃，此時需要進行計算修正。可查分度表求得然后可得當前49頁，總共114頁。

二冰點槽法當前50頁，總共114頁。工業(yè)應用時，一般把參比端放在電加熱的恒溫器中，使其維持在某一恒定的溫度。在實驗室情況及精密測量中，是把參比端置于能保持恒溫的冰點槽中，參比端溫度為0℃。測得熱電勢后，直接查分度表得知被測溫度。當前51頁，總共114頁。三補償電橋法

補償電橋法是在熱電偶測溫系統中串聯一個不平衡電橋，此電橋輸出的電壓隨熱電偶冷端溫度變化而變化，從而修正熱電偶冷端溫度波動引入的誤差。當前52頁，總共114頁。補償電橋法利用不平衡電橋產生相應的電勢，以補償熱電偶由于參比端溫度變化而引起的熱電勢變化。當前53頁，總共114頁。

前述中間導體定則的推廣回路總電勢E=EAB(t,t0)

回路總電勢E=EAB(t,t0)+U

當前54頁，總共114頁?；芈房傠妱軪=EAB(t,t0)+U

回路總電勢E=EAB(t,t0)+Uab

當前55頁，總共114頁。E=E(t,t0)+Uab

當前56頁，總共114頁。RS為限流電阻,橋路供電電壓為直流4VR1=R2=R3=1Ω,采用錳銅絲無感繞制,其電阻溫度系數為0RCU用銅絲無感繞制,其電阻溫度系數為4.3×10-3℃-1,當溫度為20℃時為1Ω當前57頁，總共114頁?！舢敓犭娕祭涠撕脱a償端的溫度t0=20

℃時,補償器的4個橋臂電阻均為1Ω,電橋處于平衡狀態(tài),橋路輸出電壓為Uab=0,●當前58頁，總共114頁?！舢攖0隨環(huán)境溫度升高時Rcu增大則a點電位不變,b點電位降低，使Uab增加當前59頁，總共114頁?！舢攖0隨環(huán)境溫度升高時由于t0升高,E(t,t0)將減小選擇Rs,使Uab的增加值等于E(t,t0)減小量那么總電動勢E將不隨t0變化,相當于使冷端溫度自動處于20℃,達到了補償的目的.當前60頁，總共114頁。3.用兩支分度號為K的熱電偶測量A區(qū)和B區(qū)的溫差，連接回路如右圖所示。當熱電偶參考端溫度t0為0℃時，儀表指示200℃。問在參考端溫度上升25℃時，儀表的指示值為多少？為什么？當前61頁，總共114頁。第四節(jié)金屬測溫電阻一對金屬測溫電阻的要求二標準化熱電阻三工業(yè)用熱電阻的結構當前62頁，總共114頁。復水器出口水溫（熱電阻）當前63頁，總共114頁。WZC-111/Φ12*1000mmCu50銅熱電阻WZP2-240/A級3線300/150mmE(0-300℃)隔爆熱電阻WZPK2-103/B級Φ6*515mm(0-300℃)鉑熱電阻當前64頁，總共114頁。熱電阻溫度計被廣泛地用于低溫及中溫（-200～500℃）范圍內的溫度測量，目前應用范圍已擴展到1～5K的超低溫領域。在1000～1200℃的高溫范圍內，也具有較好特性。當前65頁，總共114頁。優(yōu)點：測溫準確度高，信號便于傳送。缺點：不能測太高的溫度，需外部電源供電，連接導線的電阻易受環(huán)境溫度影響而產生測量誤差。當前66頁，總共114頁。大多數金屬熱電阻隨其溫度升高而增加，當溫度升高1℃時，其阻值約增加0.4%~0.6%，稱具有正的電阻溫度系數。電阻值Rt與溫度t（℃）的關系可表示為Rt=R0（1+At+Bt2+Ct3）式中Rt——溫度為t℃時金屬導體的電阻；R0——溫度為0℃時金屬導體的電阻；A、B、C——與金屬材料有關的常數。對不同區(qū)間，系數不同當前67頁，總共114頁。一對金屬測溫電阻的要求雖然大多數金屬和半導體的電阻與溫度之間都存在著一定的關系，但并不是所有的金屬或半導體都能做成電阻溫度計。用于測溫的熱電阻（或熱敏電阻）應滿足以下要求：（1）電阻溫度系數要大，以得到高敏感度；當前68頁，總共114頁。

電阻溫度系數：在某一溫度間隔內，溫度變化1℃時的電阻相對變化量，單位為1/℃。當前69頁，總共114頁。（2）在測溫范圍內化學與物理性能要穩(wěn)定；

（3）復現性要好；（4）電阻率要大，以得到小體積的元件，進而保證熱容量和熱慣性小，使得對溫度變化的響應比較快；當前70頁，總共114頁。（5）電阻溫度特性盡可能接近線性，以便于分度和讀數；（6）價格相對低廉。

當前71頁，總共114頁。

目前已被采用的電阻溫度計具有如下特點：（3）熱電阻感溫部分體積比熱電偶的熱接點大得多，因此不宜測量點溫度與動態(tài)溫度，半導體熱敏電阻雖然體積較小，但其穩(wěn)定性和復現性卻較差。當前72頁，總共114頁。

目前已被采用的電阻溫度計具有如下特點：（1）在中低溫范圍內其精確度高于熱電偶溫度計；（2）靈敏度高，當溫度升高1℃時，大多數熱電阻的阻值增加0.4%~0.6%，半導體材料的阻值降低3%~6%；

當前73頁，總共114頁。二標準化熱電阻1．鉑熱電阻特點：精度高，穩(wěn)定性好，性能可靠。在氧化性的氣氛中，甚至在高溫下的物理化學性質都非常穩(wěn)定。它易于提純，復現性好，有良好的工藝性，可以制成極細的鉑絲或極薄的鉑箔。與其他熱電阻材料相比，有較高的電阻率。當前74頁，總共114頁。缺點：電阻溫度系數較小，在還原性氣氛中，特別是在高溫下易被沾污變脆，價格較貴。

當前75頁，總共114頁。在－200℃~0℃范圍內，鉑的電阻溫度關系為Rt=R0[1+At+Bt2+C(t－100)t3]在0~850℃范圍內，其關系為Rt=R0(1+At+Bt2)式中，A、B、C——分度常數。當前76頁，總共114頁。鉑的純度用百度電阻比W（100）表示，即W（100）=R100/R0式中，R100——100℃時鉑電阻值；R0——0℃時鉑電阻值。W（100）越高，則其純度越高。

當前77頁，總共114頁。2．銅熱電阻

特點：它的電阻值與溫度的關系是線性的，電阻溫度系數也比較大，而且材料易提純，價格比較便宜，但它的電阻率低，易于氧化。在－50℃~150℃范圍內，銅的電阻溫度關系為Rt=R0(1+αt)式中，α——銅的電阻溫度系數。

當前78頁，總共114頁。某銅電阻在20℃時的阻值R20＝16.28Ω，α＝4.25×10-3℃-1，求該熱電阻在100℃時的阻值。當前79頁，總共114頁。3.鎳熱電阻特點：電阻溫度系數較鉑大，約為鉑的1.5倍。在－50～150℃內，其電阻與溫度關系為Rt=100+0.5485t+0.665×10-3t2+2.805×10-9t4當前80頁，總共114頁。一般將電阻絲統在云母、石英、陶瓷、塑料等絕緣骨架上，經過固定，外面再加上保護套管。但骨架性能的好壞，影響其測量精度、體積大小和使用壽命。三工業(yè)用熱電阻的結構當前81頁，總共114頁。電阻體（無感雙繞法）1-外殼或絕緣體2-鉑絲3-骨架4-引出線當前82頁，總共114頁。銅熱電阻結構示意圖

鉑熱電阻結構示意圖

當前83頁，總共114頁。感溫元件結構普通（裝配式）鉑電阻當前84頁，總共114頁。熱電阻的引出線

①兩線制。方式簡單，費用低引線電阻以及引線電阻的變化會帶來附加誤差。②三線制?？梢暂^好地消除引線電阻的影響，測量準確度高于兩線制，應用較廣。③四線制。精度高，但是麻煩。1、熱電阻2、引出線3、接線盒4、連接線5、顯示儀表當前85頁，總共114頁。鎧裝式鉑電阻比裝配式鉑電阻直徑小，易彎曲，抗震性好，適宜安裝在裝配式鉑電阻無法安裝的場合。鎧裝式鉑電阻外保護套管采用不銹鋼，內充滿高密度氧化物絕緣體，因此，它具有很強的抗污染性能和優(yōu)良的機械強度，適合安裝在環(huán)境惡劣的場合。鎧裝式鉑電阻當前86頁，總共114頁。可直接用銅導線和二次儀表相連接使用。由于它具有良好的電輸出特性，可為顯示儀、記錄儀、調節(jié)器、掃描器、數據記錄儀以及計算機提供準確的溫度變化信號。鎧裝式鉑電阻當前87頁，總共114頁。把金屬鉑研制成粉漿，采用先進的激光噴濺薄膜技術，及光刻法和干燥蝕刻法把鉑附著在陶瓷基片上形成膜，引線經過激光調阻制成。鉑金屬的長期穩(wěn)定性、可重復操作性、快速響應及較寬的工作溫度范圍等特性使其能夠適合多種應用。薄膜鉑熱電阻陶瓷、玻璃、薄膜鉑熱電阻元件當前88頁，總共114頁。6機電一體化溫度變送器

溫度變送器為24V供電、二線制的一體化變送器。將熱電阻或熱電偶的信號放大，并轉換成4-20mA或0-10mA的輸出電流,或0～5V的輸出電壓。其中鎧裝變送器可以直接測量氣體或液體的溫度特別適用于低溫范圍測量。

當前89頁，總共114頁。溫度變送器直流毫伏、熱電偶、熱電阻這三種輸入信號的量程單元各不相同，但其后所接的放大單元相同，可以互換。當前90頁，總共114頁。第五節(jié)半導體熱敏電阻一半導體熱敏電阻的材料和溫度特性二半導體熱敏電阻的結構及應用當前91頁，總共114頁。由金屬氧化物和化合物按不同的配方比例燒結而成，電阻值隨電阻體的溫度變化而顯著變化。熱敏電阻以體積小、結構簡單、靈敏度高、穩(wěn)定性好、價格低廉等優(yōu)點，在工業(yè)生產的溫度控制和電子線路的溫度補償以及測量儀器、醫(yī)療設備、家電等領域有廣泛的應用當前92頁，總共114頁。一半導體熱敏電阻的材料和溫度特性優(yōu)點：(1)熱敏電阻的溫度系數比金屬大（4～9倍）(2)電阻率大，體積小，熱慣性小，適于測量點溫、表面溫度及快速變化的溫度。(3)結構簡單、機械性能好。缺點：線性度較差，復現性和互換性較差。當前93頁，總共114頁。熱敏電阻分類：正溫度系數(PTC)負溫度系數(NTC)臨界溫度系數(CTR)當前94頁，總共114頁。PTC熱敏電阻－正溫度系數鈦酸鋇摻合稀土元素燒結而成用途：彩電消磁，各種電器設備的過熱保護，發(fā)熱源的定溫控制，限流元件。

CTR熱敏電阻－負溫度系數 以三氧化二釩與鋇、硅等氧化物，在磷、硅氧化物的弱還原氣氛中混合燒結而成用途：溫度開關。當前95頁，總共114頁。NTC熱敏電阻－很高的負電阻溫度系數 主要由Mn、Co、Ni、Fe、Cu等過渡金屬氧化物混合燒結而成應用：點溫、表面溫度、溫差、溫場等測量自動控制及電子線路的熱補償線路當前96頁，總共114頁。

半導體電阻

函數關系當前97頁，總共114頁。二熱敏電阻的結構及應用構成：熱敏探頭、引線、殼體二端和三端器件：為直熱式，即熱敏電阻直接由連接的電路獲得功率；四端器件：旁熱式當前98頁，總共114頁。當前99頁，總共114頁。熱敏電阻的線性化串聯在熱敏電阻中的R的最佳值當前100頁，總共114頁。

熱電阻式傳感器的應用為消除由于連接導線電阻隨環(huán)境溫度變化而造成的測量誤差，常采用三線制和四線制連接法。當前101頁，總共114頁。三線制熱電阻測溫電橋的三線制接法工業(yè)用熱電阻一般采用三線制G——檢流計，R1，R2，R3——固定電阻，Ra——零位調節(jié)電阻，Rt——熱電阻當前102頁，總共114頁。四線制接法熱電阻測溫電橋的四線制接法精密測量中，采用四線制接法當前103頁，總共114頁。金屬絲熱電阻作為氣體傳感器的應用1—連通玻璃管2—流通玻璃管3—鉑絲（a）真空度測量方法對環(huán)境溫度變化比較敏感，