熱電偶傳感器

1熱電偶傳感器2025-2-242025/2/272目錄011.了解溫度測量的基本概念和方法；033.掌握控溫儀表的接線方法。022.了解熱電偶的工作原理，了解熱電偶的分類及特點；2025/2/273

一、溫度測量的基本概念溫度標志著物質(zhì)內(nèi)部大量分子無規(guī)則運動的劇烈程度。溫度越高，表示物體內(nèi)部分子熱運動越劇烈。模擬圖：在一個密閉的空間里，氣體分子在高溫時的運動速度比低溫時快！低溫高溫第一節(jié)溫度測量的基本概念2025/2/274溫度是表征物體的冷熱程度的物理量。為了定量分析，要給物體的冷熱程度一個定量的描述。溫標就是以此目的而建立的標準。二、溫標2025/2/275溫度的數(shù)值表示方法稱為溫標

1、溫標是溫度數(shù)值化的標尺，它給出了溫度數(shù)值化的一套規(guī)則和方法，規(guī)定了溫度的讀數(shù)的起點（即零點）以及溫度的單位。各類溫度計的刻度均由溫標確定。

2、溫標的建立方法：借助于隨溫度變化而變化的物理量（體積、壓力、電阻和熱電動勢等）來定義溫度數(shù)值、建立溫標。

3、國際上規(guī)定的溫標有：攝氏溫標、華氏溫標、熱力學溫標等。2025/2/276正常體溫為37

C，相當于華氏溫度多少度？幾種溫標的對比2025/2/277熱力學溫標是建立在熱力學第二定律基礎上的最科學的溫標，是由開爾文（Kelvin）根據(jù)熱力學定律提出來的，因此又稱開氏溫標。它的符號是T，單位是開爾文（K）。威廉·湯姆遜·開爾文勛爵像熱力學溫標（K）2025/2/278各種溫標均有局限性，華氏溫標和攝氏溫標只能標定0℃～100℃的溫度，而開氏溫標的起點只是理論上存在，無法達到。國際實用溫標是一種協(xié)議溫標，用來統(tǒng)一各國之間的溫度計量。①盡可能地接近熱力學（開氏）溫度；②各國均能以很高的準確度復現(xiàn)同樣的溫標；③用于復現(xiàn)溫標的標準溫度計使用方便、性能穩(wěn)定。第一個國際溫標是1927年國際計量大會決定采用的，“1927國際溫標”,后來又不斷改進修訂，相繼有1948國際溫標、1968國際實用溫標和1990國際實用溫標。目前推行的是1990年國際實用溫標ITS-90：熱力學溫度用符號T90表示,單位為開爾文，符號為K。

攝氏溫度的符號為t90，單位是攝氏度,符號為℃。國際實用溫標ITS-90國際實用溫標由三部分組成：定義固定點、內(nèi)插標準儀器及內(nèi)插公式。定義的固定點是指：某些純物質(zhì)的三相點（氣、液、固共存）、熔點或凝固點、沸點這些固定點的指定溫度值。固定點間的溫度用規(guī)定的內(nèi)插標準儀器和內(nèi)插公式來分度。熱力學溫標就是通過這種方法在標準儀器上來實現(xiàn)的。2025/2/2711

溫度傳感器按照用途可分為基準溫度計和工業(yè)溫度計；按照測量方法又可分為接觸式和非接觸式；按工作原理又可分為膨脹式、電阻式、熱電式、輻射式等等；按輸出方式分，有自發(fā)電型、非電測型等。

三、溫度測量及傳感器分類

接觸式溫度傳感器非接觸式溫度傳感器

接觸式溫度傳感器的特點：傳感器直接與被測物體接觸進行溫度測量，由于被測物體的熱量傳遞給傳感器，降低了被測物體溫度，特別是被測物體熱容量較小時，測量準確度較低。因此采用這種方式要測得物體的真實溫度的前提條件是被測物體的熱容量要足夠大。

非接觸式溫度傳感器：主要是利用被測物體熱輻射而發(fā)出紅外線，從而測量物體的溫度，可進行遙測。其制造成本較高，測量準確度較低。

優(yōu)點：不從被測物體上吸收熱量；不會干擾被測對象的溫度場。溫度傳感器的種類及特點:物理現(xiàn)象

體積熱膨脹

電阻變化溫差電動勢導磁率變化電容變化壓電效應超聲波傳播速度變化物質(zhì)顏色P–N結電動勢晶體管特性變化晶閘管動作點變化熱、光輻射種類鉑測溫電阻、熱敏電阻熱電偶BaSrTiO3陶瓷石英晶體振動器超聲波溫度計示溫涂料液晶半導體二極管晶體管半導體集成電路溫度傳感器熱敏晶閘管輻射溫度傳感器光學高溫計1.氣體溫度計2.玻璃制水銀溫度計3.玻璃制有機液體溫度計4.雙金屬溫度計5.液體壓力溫度計6.氣體壓力溫度計1．

熱鐵氧體2．

Fe-Ni-Cu合金溫度測量及傳感器分類2025/2/2714

示溫涂料（變色涂料）裝滿熱水后圖案變得清晰可辨介紹幾種溫度測量方法變色陶瓷示溫變色貼2025/2/2717CPU散熱風扇低溫時顯示藍色溫度升高后變?yōu)榧t色變色涂料在電腦內(nèi)部溫度中的示溫作用2025/2/2718

不需要電源，耐用；但感溫部件體積較大。

氣體的體積與熱力學溫度成正比體積熱膨脹式2025/2/2719太陽表面溫度約6000度左右，中心溫度約1800萬度左右，它們是如何測量的？紅外溫度計2025/2/27201、它屬于自發(fā)電型傳感器：測量時可以不需外加電源，可直接驅(qū)動動圈式儀表；

2、測溫范圍廣：下限可達-270

C，上限可達1800

C以上；

3、各溫區(qū)中的熱電勢均符合國際計量委員會的標準。熱電偶測溫的主要優(yōu)點2025/2/2721先看一個實驗——熱電偶工作原理演示熱電極A右端稱為：自由端（參考端、冷端）

左端稱為：測量端（工作端、熱端）

熱電極B熱電勢AB

結論：當兩個結點溫度不相同時，回路中將產(chǎn)生電動勢。

第二節(jié)熱電偶的工作原理2025/2/27221821年，德國物理學家賽貝克用兩種不同金屬組成閉合回路，并用酒精燈加熱其中一個接觸點（稱為結點），發(fā)現(xiàn)放在回路中的指南針發(fā)生偏轉(zhuǎn)（說明什么？），如果用兩盞酒精燈對兩個結點同時加熱，指南針的偏轉(zhuǎn)角反而減?。ㄓ终f明什么？）從實驗到理論：熱電效應2025/2/2723

熱電偶所產(chǎn)生的總的熱電勢由接觸電動勢和溫差電動勢兩部分組成熱電偶熱電勢：2025/2/2724

接觸電動勢：兩種不同的金屬互相接觸時，由于不同金屬內(nèi)自由電子的密度不同，在兩金屬A和B的接觸點處會發(fā)生自由電子的擴散現(xiàn)象。自由電子將從密度大的金屬A擴散到密度小的金屬B，使A失去電子帶正電，B得到電子帶負電，從而產(chǎn)生熱電勢。自由電子＋ABeAB（

T）T結點產(chǎn)生熱電勢的微觀解釋及圖形符號2025/2/2725接觸電動勢公式：2025/2/2726溫差電動勢：指同一導體由于溫差而產(chǎn)生的電動勢。2025/2/2727

熱電偶兩結點所產(chǎn)生的總的熱電勢（接觸電動勢）等于熱端熱電勢與冷端熱電勢之差，是兩個結點的溫差Δt的函數(shù)：

EAB（T，T0）=eAB（

T）-eAB（

T0

）熱電勢大致與兩個結點的溫差Δt成正比1）如果熱電偶兩根電極材料相同，即使兩端溫度不同（t≠t0），但總輸出熱電動勢仍為零。因此必須由兩種不同材料才能構成熱電偶。

2）如果熱電偶兩結點溫度相同，則回路總的熱電動勢必然等于零。兩結點溫差越大，熱電動勢越大。

3）式中未包含與熱電偶的尺寸形狀有關的參數(shù)，所以熱電動勢的大小只與材料和結點溫度有關。如果以攝氏溫度為單位，EAB(T，T0)也可以寫成EAB(t，t0)，其物理意義雖然有所不同，但電動勢的數(shù)值是相同的。有關熱電動勢的幾個結論若在熱電偶回路中插入“中間導體”(A、B熱電極之外的其他導體),只要中間導體兩端溫度相同,則對熱電偶回路的總熱電動勢無影響。1－鎳銅表棒2－磷銅接插件3－銅漆包線動圈表頭Cu－純銅導線

HNi－鎳黃銅QSn－錫磷青銅Sn－焊錫NiMn－鎳錳銅電阻絲中間導體定律總的熱電動勢與C無關。同理，熱電偶回路中插入多種導體（D、E、F……），只要保證插入的每種導體的兩端溫度相同，則對熱電偶的熱電動勢也無影響。熱電偶A、B回路插入中間導體C后，總的熱電動勢為：2025/2/2731為在工業(yè)測量溫度提供了理論基礎。T1CT0T1ABT0中間導體定律的意義利用熱電偶來實際測溫時，連接導線、顯示儀表和接插件等均可看成是中間導體，只要保證這些中間導體兩端的溫度各自相同，則對熱電偶的熱電動勢沒有影響。在使用熱電偶時，應盡量使上述元器件兩端的溫度相同，才能減少測量誤差。

在放大器中，若某個電阻或集成電路引腳兩端的溫度不相同，將產(chǎn)生熱電動勢。為了盡量減小由此產(chǎn)生的電動勢，可以用銅質(zhì)屏蔽罩將放大電路與熱源隔離，并使罩內(nèi)各個元件兩端的溫度相同。2025/2/2733

八種國際通用熱電偶：

B:鉑銠30—鉑銠6

、R:鉑銠13—鉑、S:鉑銠10—鉑、K:鎳鉻—鎳硅、N:鎳鉻硅—鎳硅、E:鎳鉻—銅鎳、J:鐵—銅鎳、

T:銅—銅鎳用于制造鉑熱電偶的各種鉑熱電偶絲第三節(jié)熱電偶的種類及結構分度號

名稱測量溫度范圍1000

C熱電勢/mVB鉑銠30－鉑銠650～1820

C4.834R鉑銠13—鉑-50～1768

C10.506S鉑銠10—鉑-50～1768

C9.587K鎳鉻－鎳鉻(鋁)-270～1370

C41.276E鎳鉻－銅鎳(康銅)－270～800

C——5種熱電偶的測溫范圍與熱電勢各有什么特點？幾種常用熱電偶的測溫范圍及熱電勢2025/2/2735

哪幾種熱電偶的測溫上限較高？結論：

哪幾種熱電偶的線性較差？

哪一種熱電偶的靈敏度較高？

哪一種熱電偶的靈敏度較低？為什么所有的曲線均過原點（零度點）？幾種常用熱電偶的熱電勢與溫度的關系曲線分析——熱電偶的線性較差，多數(shù)情況下采用查表法

我國從1991年開始采用國際計量委員會規(guī)定的“1990年國際溫標”（簡稱ITS-90）的新標準。按此標準，制定了相應的分度表，并且有相應的線性化集成電路與之對應。

直接從熱電偶的分度表查溫度與熱電勢的關系時的約束條件是：自由端（冷端）溫度必須為0

C。本教材p345的附錄E列出了工業(yè)中常用的鎳鉻-鎳硅（K）熱電偶的分度表。熱電偶的分度表

假設熱電偶的冷端溫度為0

C，請根據(jù)本教材p345的附錄E——工業(yè)中常用的鎳鉻-鎳硅（K）熱電偶的分度表，查出－100

C、0

C、100

C時的熱電勢。數(shù)字式溫度表溫度上限設定值溫度上限值設定鍵如何利用熱電偶的分度表

比較查出的3個熱電勢，可以看出熱電勢是否線性？K熱電偶的分度表2025/2/2739

設冷端為0

C，根據(jù)以下電路中的毫伏表的示值及K熱電偶的分度表，查出熱端的溫度tx

。如何由熱電偶的熱電勢查熱端溫度值2025/2/2740安裝螺紋安裝法蘭普通裝配型熱電偶的外形2025/2/2741普通裝配型熱電偶的

結構放大圖引出線套管固定螺紋（出廠時用塑料包裹）熱電偶工作端（熱端）不銹鋼保護管

接線盒2025/2/2742法蘭鎧裝型熱電偶可長達上百米薄壁金屬保護套管（鎧體）BA絕緣材料鎧裝型熱電偶橫截面鎧裝型熱電偶外形2025/2/2743

鎧裝熱電偶的制造工藝：把熱電極材料與高溫絕緣材料預置在金屬保護管中、運用同比例壓縮延伸工藝、將這三者合為一體，制成各種直徑、規(guī)格的鎧裝偶體，再截取適當長度、將工作端焊接密封、配置接線盒即成為柔軟、細長的鎧裝熱電偶。鎧裝熱電偶特點：內(nèi)部的熱電偶絲與外界空氣隔絕，有著良好的抗高溫氧化、抗低溫水蒸氣冷凝、抗機械外力沖擊的特性。鎧裝熱電偶可以制作得很細，能解決微小、狹窄場合的測溫問題，且具有抗震、可彎曲、超長等優(yōu)點。

鎧裝型熱電偶2025/2/2744厚壁保護管壓鑄的接線盒電纜線隔爆型熱電偶外形2025/2/2745

結構特點：隔爆熱電偶的接線盒在設計時采用防爆的特殊結構，它的接線盒是經(jīng)過壓鑄而成的，有一定的厚度、隔爆空間，機構強度較高；采用螺紋隔爆接合面，并采用密封圈進行密封，因此，當接線盒內(nèi)一旦放弧時，不會與外界環(huán)境的危險氣體傳爆，能達到預期的防爆、隔爆效果。使用場合：工業(yè)用的隔爆型熱電偶多用于化學工業(yè)自控系統(tǒng)中（由于在化工生產(chǎn)廠、生產(chǎn)現(xiàn)場常伴有各種易燃、易爆等化學氣體或蒸汽，如果用普通熱電偶則非常不安全、很容易引起環(huán)境氣體爆炸）。隔爆型熱電偶2025/2/2746小形K型熱電偶其他熱電偶外形2025/2/2747利用XMT儀表組成熱電偶測溫、控溫電路熱電偶如何根據(jù)常用電路設備的要求接線2025/2/2748黃綠紅L1

L2

L3

接大地銅排接零熱電偶輸出端電爐交流接觸器三相空氣開關請將右圖各有關設備正確地連接起來，組成熱電偶測溫、控溫電路。2025/2/2749380V線圈的交流接觸器連接過程

當溫度控制器測得的溫度達到設定值時，5-6兩端開路，交流接觸器失電，電爐回路被切斷。接大地銅排黃綠紅L1

L2

L3

電爐接零熱電偶再看一次“3”端接何處2025/2/2750

采用相對廉價的補償導線，可延長熱電偶的冷端，使之遠離高溫區(qū)；可節(jié)約大量貴金屬；易彎曲，便于敷設。

補償導線在0～100

C范圍內(nèi)的熱電勢與配套的熱電偶的熱電勢相等，所以不影響測量精度。第九章：第四節(jié)熱電偶冷端的延長RCR（鉑銠13—鉑）紅-綠NCN（鎳鉻硅—鎳硅）紅-黃EXE（鎳鉻—銅鎳）紅-棕JXJ（鐵—銅鎳）紅-紫TXT（銅—銅鎳）紅-白型號配用熱電偶正-負導線外皮顏色正-負SC鉑銠10-鉑紅-綠KC鎳鉻-鎳硅紅-藍WC5/26鎢錸5-鎢錸26

紅-橙用A‘、B’與A及B連接后，測溫回路的總的熱電勢僅取決于A、B、T及T0（T0為新的自由端，它是穩(wěn)定的），而與A、A‘及B、B’連接處的溫度Tn（中間溫度，它是不穩(wěn)定的）無關，在T0處測得的總的熱電勢與直接將熱電偶延伸到T0無異。22025/2/2753A’B’屏蔽層保護層補償導線外形熱電偶的冷端延長電路2025/2/2755

必要性：

1、用熱電偶的分度表查毫伏數(shù)-溫度時，必須滿足t0=0

C的條件。在實際測溫中，冷端溫度常隨環(huán)境溫度而變化，這樣t0不但不是0

C，而且也不恒定，因此將產(chǎn)生誤差。

2、一般情況下，冷端溫度均高于0

C，熱電勢總是偏小。應想辦法消除或補償熱電偶的冷端損失。第五節(jié)熱電偶的冷端溫度補償2025/2/2756

一、冷端恒溫法：將熱電偶的冷端置于裝有冰水混合物的恒溫容器中，使冷端的溫度保持在0

C不變。此法也稱冰浴法，它消除了t0不等于0

C而引入的誤差，由于冰融化較快，所以一般只適用于實驗室中。冷端溫度補償?shù)姆椒?025/2/2757

在冰瓶中，冰水混合物的溫度能較長時間地保持在0

C不變。冰浴法冰浴法接線圖——冷端至于0℃環(huán)境中2025/2/2759

當熱電偶的冷端溫度t0

0

C時，由于熱端與冷端的溫差隨冷端的變化而變化，所以測得的熱電勢EAB（t，t0）與冷端為0

C時所測得的熱電勢EAB（t，0

C）不等。若冷端溫度高于0

C，則EAB（t，t0）<EAB（t，0

C）?？梢岳孟率接嬎悴⑿拚郎y量誤差：

EAB（t，0

C）=EAB（t，t0）+EAB（t0，0

C）二、計算修正法2025/2/2760

右圖所示為鎳鉻-鎳硅（K）熱電偶測溫電路，熱電極A、B直接焊接在鋼板上（V型焊接），A’、B’為補償導線，Cu為銅導線，已知接線盒1的溫度t1=40

C，冰瓶中為冰水混合物，接線盒3的溫度t3=20.0

C。求：1）冰瓶的溫度t2；2）將熱電極直接焊在鋼板上是應用了熱電偶的什么定律？3）當Ux=29.97mV時，估算被測點溫度tx；4）如果冰瓶中的冰完全融化，溫度上升，與接線盒1的溫度相同，此時Ux=28.36mV，再求tx。計算修正法舉例1）接線盒1是熱電極與補償導線（延長導線）的接線位置，不影響測量結果，不必考慮t1溫度的大小和波動。冰瓶的溫度為:0℃,是補償導線（冷端）與銅導線的接線位置,所以可以直接查分度表。2）將熱電極直接焊在鋼板上是應用了熱電偶的中間導體定律。

3）當Ux=29.97mV時，直接查分度表得到被測點溫度tx=720℃

。注:接線盒3的溫度t3不是冷端溫度,屬于中間溫度,與測量結果無關.解：4）如果冰瓶中的冰完全融化，溫度上升到與接線盒1的溫度相同，即：冷端溫度不再是0℃，而為40℃。此時的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型熱電的偶分度表，仍然得到t

x

=720℃。2025/2/2763

用螺絲刀調(diào)節(jié)儀表面板上的“機械零點”，使指針指到氣溫t0（圖中為40

C）的刻度上。機械零點指針被預調(diào)到室溫（40

C）可補償冷端損失三、儀表機械零點調(diào)整法2025/2/2764XT-WBC熱電偶冷端補償器

電橋補償法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓來自動補償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢變化值，可購買與被補償熱電偶對應型號的補償電橋。

四、電橋補償法2025/2/27652025/2/2766

由于我國生產(chǎn)的熱電偶均符合ITS-90國際溫標所規(guī)定的標準，其一致性非常好，所以國家又規(guī)定了與每一種標準熱電偶配套的儀表，它們的顯示值為溫度，而且均已線性化。國家標準的動圈式顯示儀表命名為XC系列。有指示型（XCZ）和指示調(diào)節(jié)型（XCT）等系列品種。與K型熱電偶配套的動圈儀表型號為XCZ-101或XCT-101等。數(shù)字式儀表也有指示型（XMZ）和指示調(diào)節(jié)型（XMT）等幾種系列品種。第六節(jié)熱電偶的應用及配套儀表2025/2/2767XC系列動圈式儀表測量機構的核心部件是一個磁電式毫伏計。動圈式儀表與熱電偶配套測溫時，熱電偶、連接導線（補償導線）、調(diào)整電阻和顯示儀表組成了一個閉合回路。

1—熱電偶2—補償導線3—冷端補償器4—外接調(diào)整電阻5—銅導線6—動圈7—張絲8—磁鋼（極靴）9—指針10—刻度面板

XCZ系列指針式顯示儀表2025/2/2768

特點：

1、帶冷端溫度自動補償；

2、單片機智能化設計，儀表零點