CHAPTER2溫度傳感器第2章溫度傳感器3課時CHAPTER2溫度傳感器學習目標和內容21溫度傳感器的基本知識基本概念分類22金屬熱電阻23熱敏電阻24熱電式溫度傳感器熱電偶25溫度熔斷器26測量溫度時的注意事項27溫度傳感器的實際應用28溫度傳感器在發動機排氣上的應用通過學習,要求了解溫度的基本概念和測量基本方法，掌握幾種溫度測量器件的結構、工作原理、特性,學會選用方法和技巧，熟悉在汽車上的應用。CHAPTER2溫度傳感器幾款溫度傳感器溫度傳感器熱電偶熱電阻熱敏電阻CHAPTER2溫度傳感器21溫度傳感器的基本知識一、溫度的基本概念熱平衡溫度是描述熱平衡系統冷熱程度的物理量。分子物理學溫度反映了物體內部分子無規則運動的劇烈程度。溫度越高，表示物體內部分子熱運動越劇烈。能量溫度是描述系統不同自由度間能量分配狀況的物理量。溫標表示溫度大小的尺度是溫度的標尺。溫度最本質的性質當兩個冷熱程度不同的物體接觸后就會產生導熱換熱，換熱結束后兩物體處于熱平衡狀態，則它們具有相同的溫度。測量方法接觸式測溫和非接觸式測溫熱力學溫標國際實用溫標攝氏溫標華氏溫標國際上規定的溫標CHAPTER2溫度傳感器1熱力學溫標如果在式中再規定一個條件,就可以通過卡諾循環中的傳熱量來完全地確定溫標。1954年，國際計量會議選定水的三相點為27316，并以它的1/27316定為一度，這樣熱力學溫標就完全確定了，即T27316Q1/Q2。1848年威廉湯姆首先提出以熱力學第二定律為基礎，建立溫度僅與熱量有關，而與物質無關的熱力學溫標。因是開爾文總結出來的，故又稱開爾文溫標，用符號K表示。它是國際基本單位制之一。根據熱力學中的卡諾定理，如果在溫度T1的熱源與溫度為T2的冷源之間實現了卡諾循環，則存在下列關系式Q1熱源給予熱機的傳熱量Q2熱機傳給冷源的傳熱量2121QQTTCHAPTER2溫度傳感器2國際實用溫標為解決國際上溫度標準的同意及實用問題，國際上協商決定，建立一種既能體現熱力學溫度（即能保證一定的準確度），又使用方便、容易實現的溫標，即國際實用溫標INTERNATIONALPRACTICALTEMPERATURESCALEOF1968簡稱IPTS68，又稱國際溫標。注意攝氏溫度的分度值與開氏溫度分度值相同，即溫度間隔1K1。T0是在標準大氣壓下冰的融化溫度，T027315K。水的三相點溫度比冰點高出001K。1968年國際實用溫標規定熱力學溫度是基本溫度，用T表示，其單位是開爾文，符號為K。1K定義為水三相點熱力學溫度的1/27316，水的三相點是指純水在固態、液態及氣態三項平衡時的溫度，熱力學溫標規定三相點溫度為27316K，這是建立溫標的惟一基準點。CHAPTER2溫度傳感器氫氧三相點沸點5436190188218798182962水三相點沸點27316373150011000鋅凝固點6927341958銀凝固點12350896193金凝固點133758106443物質三相點平衡狀態溫度T68/KT68/13817042208271022593125610825287246048沸點25/76ATM沸點沸點國際實用溫標（IPTS68）的固定點CHAPTER2溫度傳感器3攝氏溫標是工程上最通用的溫度標尺。攝氏溫標是在標準大氣壓即101325PA下將水的冰點與沸點中間劃分一百個等份，每一等份稱為攝氏一度攝氏度，一般用小寫字母T表示。與熱力學溫標單位開爾文并用。攝氏溫標與國際實用溫標溫度之間的關系如下4華氏溫標目前已用得較少，它規定在標準大氣壓下冰的融點為32華氏度，水的沸點為212華氏度，中間等分為180份，每一等份稱為華氏一度，符號用，它和攝氏溫度的關系如下TT27315KTT27315M18N32N5/9M32CHAPTER2溫度傳感器二溫度傳感器的種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，測量精度較低。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，測量精度卻較低。優點是不從被測物體上吸收熱量；不會干擾被測對象的溫度場；連續測量不會產生消耗；反應快等。CHAPTER2溫度傳感器1常用熱電阻范圍260850；精度0001。改進后可連續工作2000H，失效率小于1，使用期為10年。2管纜熱電阻測溫范圍為20500，最高上限為1000，精度為05級。接觸式溫度傳感器3陶瓷熱電阻測量范圍為200500，精度為03、015級。4超低溫熱電阻兩種碳電阻，可分別測量2688253272927299的溫度。5熱敏電阻器適于在高靈敏度的微小溫度測量場合使用。經濟性好、價格便宜。CHAPTER2溫度傳感器L輻射高溫計用來測量1000以上高溫。分四種光學高溫計、比色高溫計、輻射高溫計和光電高溫計。2光譜高溫計前蘇聯研制的YCII型自動測溫通用光譜高溫計,其測量范圍為4006000,它是采用電子化自動跟蹤系統,保證有足夠準確的精度進行自動測量。非接觸式溫度傳感器3超聲波溫度傳感器特點是響應快約為10MS左右，方向性強。目前國外有可測到5000的產品。4激光溫度傳感器適用于遠程和特殊環境下的溫度測量。如NBS公司用氦氖激光源的激光做光反射計可測很高的溫度，精度為1。美國麻省理工學院正在研制一種激光溫度計，最高溫度可達8000，專門用于核聚變研究。瑞士BROWABORER研究中心用激光溫度傳感器可測幾千開K的高溫。CHAPTER2溫度傳感器物理現象體積熱膨脹電阻變化溫差電現象導磁率變化電容變化壓電效應超聲波傳播速度變化物質顏色PN結電動勢晶體管特性變化可控硅動作特性變化熱、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可控硅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2FENICU合金CHAPTER2溫度傳感器熱電偶、測溫電阻器、熱敏電阻、感溫鐵氧體、石英晶體振動器、雙金屬溫度計、壓力式溫度計、玻璃制溫度計、輻射傳感器、晶體管、二極管、半導體集成電路傳感器、可控硅分類特征傳感器名稱超高溫用傳感器1500以上光學高溫計、輻射傳感器高溫用傳感器10001500光學高溫計、輻射傳感器、熱電偶中高溫用傳感器5001000光學高溫計、輻射傳感器、熱電偶中溫用傳感器0500低溫用傳感器2500極低溫用傳感器270250BASRTIO3陶瓷晶體管、熱敏電阻、壓力式玻璃溫度計見表下內容測溫范圍溫度傳感器分類1CHAPTER2溫度傳感器溫度傳感器分類2測定精度分類特征傳感器名稱測溫范圍寬、輸出小測溫電阻器、晶體管、熱電偶、半導體集成電路傳感器、可控硅、石英晶體振動器、壓力式溫度計、玻璃制溫度計線性型測溫范圍窄、輸出大熱敏電阻指數型函數開關型特性特定溫度、輸出大感溫鐵氧體、雙金屬溫度計測溫特性測定精度0105鉑測溫電阻、石英晶體振動器、玻璃制溫度計、氣體溫度計、光學高溫計溫度標準用測定精度055熱電偶、測溫電阻器、熱敏電阻、雙金屬溫度計、壓力式溫度計、玻璃制溫度計、輻射傳感器、晶體管、二極管、半導體集成電路傳感器、可控硅絕對值測定用管理溫度測定用相對值15CHAPTER2溫度傳感器此外，還有微波測溫溫度傳感器、噪聲測溫溫度傳感器、溫度圖測溫溫度傳感器、熱流計、射流測溫計、核磁共振測溫計、穆斯保爾效應測溫計、約瑟夫遜效應測溫計、低溫超導轉換測溫計、光纖溫度傳感器等。這些溫度傳感器有的已獲得應用，有的尚在研制中。CHAPTER2溫度傳感器1超高溫與超低溫傳感器，如3000以上和250以下的溫度傳感器。2提高溫度傳感器的精度和可靠性。3研制家用電器、汽車及農畜業所需要的價廉的溫度傳感器。4發展新型產品，擴展和完善管纜熱電偶與熱敏電阻；發展薄膜熱電偶；研究節省鎳材和貴金屬以及厚膜鉑的熱電阻；研制系列晶體管測溫元件、快速高靈敏CA型熱電偶以及各類非接觸式溫度傳感器。5發展適應特殊測溫要求的溫度傳感器。6發展數字化、集成化和自動化的溫度傳感器。溫度傳感器的主要發展方向CHAPTER2溫度傳感器22金屬熱電阻溫度升高，金屬內部原子晶格的振動加劇，從而使金屬內部的自由電子通過金屬導體時的阻礙增大，宏觀上表現出電阻率變大，電阻值增加，我們稱其為正溫度系數，即電阻值與溫度的變化趨勢相同。取一只100W/220V燈泡，用萬用表測量其電阻值，可以發現其冷態阻值只有幾十歐姆，而計算得到的額定熱態電阻值應為484。一、熱電阻的特性CHAPTER2溫度傳感器熱電阻是中低溫區最常用的一種溫度檢測器。它的主要特點是測量精度高，性能穩定。由于純金屬本身的電阻值低，需要制成非常細的金屬絲或薄膜。其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的，它不僅廣泛應用于工業測溫，而且被制成標準的基準儀。按材料分，熱電阻傳感器可分為金屬熱電阻式和半導體熱電阻式兩大類，前者簡稱熱電阻，后者簡稱熱敏電阻。1鉑電阻鉑易于提純，在高溫和氧化性介質中物理化學性質穩定，電阻率較大，能耐較高的溫度；制成的鉑電阻輸出輸入特性接近線性。鉑電阻制成的溫度計，除作溫度標準外，還廣泛應用于高精度的工業測量。由于鉑為貴金屬，一般在測量精度要求不高和測溫范圍較小時，均采用銅電阻。鉑電阻的電阻值與溫度之間的關系100TCTBTAT1RRC0200BTAT1RRC6500320T20TA、B、C常數CHAPTER2溫度傳感器式中A、B、C常量2銅電阻銅在50150范圍內銅電阻化學、物理性能穩定，輸出輸入特性接近線性，價格低廉。當溫度高于100時易被氧化，因此適用于溫度較低和沒有浸蝕性的介質中工作銅電阻阻值與溫度變化之間的關系3其他熱電阻鎳使用溫度范圍是50100和50150。但目前應用較少鎳非線性嚴重，材料提取也困難。但靈敏度都較高，穩定性好，在自動恒溫和溫度補償方面的應用較多。（我國定為標準化熱電阻）銦電阻適宜在269258溫度范圍內使用，測溫精度高，靈敏度是鉑電阻的10倍，但是復現性差。錳電阻適宜在271210溫度范圍內使用，靈敏度高，但是質脆易損壞。碳電阻適宜在2732685溫度范圍內使用，熱容量小，靈敏度高，價格低廉，操作簡便，但是熱穩定性較差。CHAPTER2溫度傳感器熱電阻的結構比較簡單，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。你好二、熱電阻的結構和類型CHAPTER2溫度傳感器感溫元件結構普通（裝配式）鉑電阻CHAPTER2溫度傳感器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，因此具有很強的抗污染性能和優良的機械強度，適合安裝在環境惡劣的場合。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CHAPTER2溫度傳感器薄膜鉑熱電阻元件，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CHAPTER2溫度傳感器鉑熱電阻分度表CHAPTER2溫度傳感器三、熱電阻的應用1、熱電阻溫度計R1R2R3R4RTR1R2通常工業上用于測溫是采用鉑電阻和銅電阻作為敏感元件，測量電路用得較多的是電橋電路。為了克服環境溫度的影響常采用圖所示的三導線四分之一電橋電路。由于采用這種電路，熱電阻的兩根引線的電阻值被分配在兩個相鄰的橋臂中，如果，則由于環境溫度變化引起的引線電阻值變化造成的誤差被相互抵消。CHAPTER2溫度傳感器熱敏電阻是利用某種半導體材料的電阻率隨溫度變化而變化的性質制成的。在溫度傳感器中應用最多的有熱電偶、熱電阻（如鉑、銅電阻溫度計等）和熱敏電阻。熱敏電阻發展最為迅速，由于其性能得到不斷改進，穩定性已大為提高，在許多場合下（40350）熱敏電阻已逐漸取代傳統的溫度傳感器。主要講述熱敏電阻的特點、分類，基本參數，主要特性和應用等。23半導體熱敏電阻CHAPTER2溫度傳感器（一）熱敏電阻的特點1電阻溫度系數的范圍甚寬有正、負溫度系數和在某一特定溫度區域內阻值突變的三種熱敏電阻元件。電阻溫度系數的絕對值比金屬大10100倍左右。2材料加工容易、性能好可根據使用要求加工成各種形狀，特別是能夠作到小型化。目前，最小的珠狀熱敏電阻其直徑僅為02MM。3阻值在110M之間可供自由選擇使用時，一般可不必考慮線路引線電阻的影響；由于其功耗小、故不需采取冷端溫度補償，所以適合于遠距離測溫和控溫使用。一、熱敏電阻的特點與分類4穩定性好商品化產品已有30多年歷史，加之近年在材料與工藝上不斷得到改進。據報道，在001的小溫度范圍內，其穩定性可達00002的精度。相比之下，優于其它各種溫度傳感器。5原料資源豐富，價格低廉燒結表面均已經玻璃封裝。故可用于較惡劣環境條件；另外由于熱敏電阻材料的遷移率很小，故其性能受磁場影響很小，這是十分可貴的特點。CHAPTER2溫度傳感器熱敏電阻的種類很多，分類方法也不相同。按熱敏電阻的阻值與溫度關系這一重要特性可分為1PTC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，發熱源的定溫控制，限流元件。2CTR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。3NTC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（二）熱敏電阻的分類CHAPTER2溫度傳感器二、熱敏電阻的基本參數標稱電阻值RH在環境溫度為2502時測得的電阻值，又稱冷電阻。其大小取決于熱敏電阻的材料和幾何尺寸。耗散系數H指熱敏電阻的溫度與周圍介質的溫度相差1時熱敏電阻所耗散的功率，單位為MW/；熱容量C熱敏電阻的溫度變化1所需吸收或釋放的熱量，單位為J；能量靈敏度G（W）使熱敏電阻的阻值變化1所需耗散的功率。時間常數溫度為T0的熱敏電阻突然置于溫度為T的介質中，熱敏電阻的溫度增量T063TT0時所需的時間。額定功率PE在標準壓力（750MMHG）和規定的最高環境溫度下，熱敏電阻長期連續使用所允許的耗散功率，單位為W。在實際使用時，熱敏電阻所消耗的功率不得超過額定功率100/HGHC/CHAPTER2溫度傳感器（一）NTC型熱敏電阻溫度特性（RTT）1234鉑絲40601201600100101102103104105106RT/溫度T/C電阻溫度特性曲線1NTC；2CTR；34PTC三、熱敏電阻器主要特性在較小的溫度范圍內，電阻溫度特性00273127310110TTBTTBTERERR式中RT,R0熱敏電阻在絕對溫度T，T0時的阻值；T0,T介質的起始溫度和變化溫度（K）；T0,T介質的起始溫度和變化溫度（）；B熱敏電阻材料常數，一般為20006000K，其大小取決于熱敏電阻的材料。0011LNTTRRBT21TBDTDRRTTB和值是表征熱敏電阻材料性能的兩個重要參數，熱敏電阻的電阻溫度系數比金屬絲的高很多，所以它的靈敏度很高。熱敏電阻的電阻溫度系數熱敏電阻在其本身溫度變化1時，電阻值的相對變化量CHAPTER2溫度傳感器伏安特性在穩態情況下，通過熱敏電阻的電流I與其兩端的電壓U之間的關系，當流過熱敏電阻的電流很小時不足以使之加熱。電阻值只決定于環境溫度，伏安特性是直線，遵循歐姆定律。主要用來測溫。當電流增大到一定值時流過熱敏電阻的電流使之加熱，本身溫度升高，出現負阻特性。因電阻減小，即使電流增大，端電壓反而下降。其所能升高的溫度與環境條件周圍介質溫度及散熱條件有關。當電流和周圍介質溫度一定時，熱敏電阻的電阻值取決于介質的流速、流量、密度等散熱條件。可用它來測量流體速度和介質密度。CHAPTER2溫度傳感器四熱敏電阻的結構構成熱敏探頭、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CHAPTER2溫度傳感器測表面電阻用的熱敏電阻器安裝方法ABCDEFGH油測量物體表面溫度時熱敏電阻器的安裝方式CHAPTER2溫度傳感器123412345IR/MAU/VURIT0RURIT1RURIT2RURIT0R0URIT1R1URIT2R2IT0IT1IT2自熱電橋測量溫線路熱敏電阻測溫電橋MAIRRURERRUTCHAPTER2溫度傳感器溫差熱電偶（簡稱熱電偶）是目前溫度測量中使用最普遍的傳感元件之一。它除具有結構簡單，測量范圍寬、準確度高、熱慣性小，輸出信號為電信號便于遠傳或信號轉換等優點外，還能用來測量流體的溫度、測量固體以及固體壁面的溫度。微型熱電偶還可用于快速及動態溫度的測量。熱電偶的工作原理熱電偶回路的性質熱電偶的常用材料與結構冷端處理及補償熱電偶的選擇、安裝使用和校驗24熱電偶傳感器CHAPTER2溫度傳感器熱電效應將兩種不同材料的導體A和B串接成一個閉合回路，當兩個接點溫度不同時，在回路中就會產生熱電勢，形成電流，此現象稱為熱電效應。這種現象早在1821年首先由西拜克（SEEBACK）發現,所以又稱西拜克效應。回路中所產生的電動勢，叫熱電勢。熱電勢由兩部分組成，即溫差電勢和接觸電勢。BAABNNEKTTELNABTT0K玻耳茲曼常數，E電子電荷量，T接觸處的溫度，NA，NB分別為導體A和B的自由電子密度。BAABNNEKTTELN00一、熱電偶工作原理CHAPTER2溫度傳感器1接觸電勢ABTEABTBAABNNEKTTELNEABT導體A、B結點在溫度T時形成的接觸電動勢；E單位電荷，E161019C；K波爾茲曼常數，K1381023J/K；NA、NB導體A、B在溫度為T時的電子密度。接觸電勢的大小與溫度高低及導體中的電子密度有關。CHAPTER2溫度傳感器AEAT,TOTOTEAT，T0導體A兩端溫度為T、T0時形成的溫差電動勢；T，T0高低端的絕對溫度；A湯姆遜系數，表示導體A兩端的溫度差為1時所產生的溫差電動勢，例如在0時，銅的2V/。2溫差電勢DTTTETTAA0,0溫差電勢原理圖CHAPTER2溫度傳感器由導體材料A、B組成的閉合回路，其接點溫度分別為T、T0,如果TT0，則必存在著兩個接觸電勢和兩個溫差電勢，回路總電勢BTATNNEKTLN00LN0BTATNNEKTDTTTBA03回路總電勢,0000TTETTETETETTEBAABABABNAT、NAT0導體A在結點溫度為T和T0時的電子密度；NBT、NBT0導體B在結點溫度為T和T0時的電子密度；A、B導體A和B的湯姆遜系數。CHAPTER2溫度傳感器根據電磁場理論得EABT,T0EABTEABT0FTCGT由于NA、NB是溫度的單值函數DTNNEKTTETTBAAB0LN,0在工程應用中，常用實驗的方法得出溫度與熱電勢的關系并做成表格，以供備查。由公式可得EABT,T0EABTEABT0EABTEAB0EABTEABT0EABT，0EABT0，0熱電偶的熱電勢，等于兩端溫度分別為T和零度以及T0和零度的熱電勢之差。CHAPTER2溫度傳感器導體材料確定后，熱電勢的大小只與熱電偶兩端的溫度有關。如果使EABT0常數，則回路熱電勢EABT，T0就只與溫度T有關，而且是T的單值函數，這就是利用熱電偶測溫的原理。只有當熱電偶兩端溫度不同,熱電偶的兩導體材料不同時才能有熱電勢產生。熱電偶回路熱電勢只與組成熱電偶的材料及兩端溫度有關；與熱電偶的長度、粗細無關。只有用不同性質的導體或半導體才能組合成熱電偶；相同材料不會產生熱電勢，因為當A、B兩種導體是同一種材料時，LNNA/NB0，也即EABT，T00。結論4點CHAPTER2溫度傳感器2中間導體定律在熱電偶回路中接入第三種材料的導體，只要其兩端的溫度相等，該導體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。TT0V3參考電極定律兩種導體A,B分別與參考電極C組成熱電偶，如果他們所產生的熱電動勢為已知，A和B兩極配對后的熱電動勢可用下式求得,000TTETTETTECBACABABTT0ACTT0CBTT0CHAPTER2溫度傳感器由一種均質導體組成的閉合回路，不論導體的橫截面積、長度以及溫度分布如何均不產生熱電動勢。E總EAB（T）EBC（T）ECA（T）0三種不同導體組成的熱電偶回路TABCTT2）中間導體定律一個由幾種不同導體材料連接成的閉合回路，只要它們彼此連接的接點溫度相同，則此回路各接點產生的熱電勢的代數和為零。如圖，由A、B、C三種材料組成的閉合回路，則TT0二、熱電偶回路的性質1均質導體定律CHAPTER2溫度傳感器兩點結論L）將第三種材料C接入由A、B組成的熱電偶回路，如圖，則圖A中的A、C接點2與C、A的接點3，均處于相同溫度T0之中，此回路的總電勢不變，即同理，圖B中C、A接點2與C、B的接點3，同處于溫度T0之中，此回路的電勢也為T2T1AABC23EABAAT023ABEABT1T2CT0EAB（T1,T2）EAB（T1）EAB（T2）ABT0T0EABT1,T2EABT1EAB（T2）第三種材料接入熱電偶回路圖CHAPTER2溫度傳感器ET0T0TET0T1T1T根據上述原理，可以在熱電偶回路中接入電位計E，只要保證電位計與連接熱電偶處的接點溫度相等，就不會影響回路中原來的熱電勢，接入的方式見下圖所示。CHAPTER2溫度傳感器EAB（T,T0）EAC（T,T0）ECB（T,T0）2）如果任意兩種導體材料的熱電勢是已知的，它們的冷端和熱端的溫度又分別相等，如圖所示，它們相互間熱電勢的關系為CHAPTER2溫度傳感器3中間溫度定律如果不同的兩種導體材料組成熱電偶回路,其接點溫度分別為T1、T2如圖所示時,則其熱電勢為EABT1,T2；當接點溫度為T2、T3時，其熱電勢為EABT2,T3；當接點溫度為T1、T3時，其熱電勢為EABT1,T3，則BBAT2T1T3AABEAB（T1,T3）EAB（T1,T2）EAB（T2,T3）CHAPTER2溫度傳感器EAB（T1,T3）EAB（T1,0）EAB（0,T3）EAB（T1,0）EAB（T3,0）EAB（T1）EAB（T3）ABT1T2T2ABT0T0熱電偶補償導線接線圖E對于冷端溫度不是零度時，熱電偶如何分度表的問題提供了依據。如當T20時，則只要T1、T0不變，接入AB后不管接點溫度T2如何變化，都不影響總熱電勢。這便是引入補償導線原理。EABEABT1EABT0說明當在原來熱電偶回路中分別引入與導體材料A、B同樣熱電特性的材料A、B如圖即引入所謂補償導線時，當EAAT2EBBT2，則回路總電動勢為CHAPTER2溫度傳感器熱電偶材料應滿足物理性能穩定，熱電特性不隨時間改變；化學性能穩定，以保證在不同介質中測量時不被腐蝕；熱電勢高，導電率高，且電阻溫度系數小；便于制造；復現性好，便于成批生產。三、熱電偶的常用材料與結構CHAPTER2溫度傳感器1鉑鉑銠熱電偶S型分度號LB3工業用熱電偶絲05MM，實驗室用可更細些。正極鉑銠合金絲,用90鉑和10銠重量比冶煉而成。負極鉑絲。測量溫度長期1300、短期1600。特點材料性能穩定，測量準確度較高；可做成標準熱電偶或基準熱電偶。用途實驗室或校驗其它熱電偶。測量溫度較高，一般用來測量1000以上高溫。在高溫還原性氣體中（如氣體中含CO、H2等）易被侵蝕，需要用保護套管。材料屬貴金屬，成本較高。熱電勢較弱。1熱電偶常用材料CHAPTER2溫度傳感器2鎳鉻鎳硅鎳鋁熱電偶K型分度號EU2工業用熱電偶絲1225MM，實驗室用可細些。正極鎳鉻合金用884897鎳、910鉻，06硅，03錳，0407鈷冶煉而成。負極鎳硅合金用95797鎳,23硅,0407鈷冶煉而成。測量溫度長期1000，短期1300。特點價格比較便宜，在工業上廣泛應用。高溫下抗氧化能力強，在還原性氣體和含有SO2，H2S等氣體中易被侵蝕。復現性好，熱電勢大，但精度不如WRLB。CHAPTER2溫度傳感器3鎳鉻考銅熱電偶E型分度號為EA2工業用熱電偶絲122MM，實驗室用可更細些。正極鎳鉻合金負極考銅合金（用56銅，44鎳冶煉而成）。測量溫度長期600，短期800。特點價格比較便宜，工業上廣泛應用。在常用熱電偶中它產生的熱電勢最大。氣體硫化物對熱電偶有腐蝕作用。考銅易氧化變質，適于在還原性或中性介質中使用。CHAPTER2溫度傳感器4鉑銠30鉑銠6熱電偶B型分度號為LL2正極鉑銠合金（用70鉑，30銠冶煉而成）。負極鉑銠合金（用94鉑，6銠冶煉而成）。測量溫度長期可到1600，短期可達1800。特點材料性能穩定，測量精度高。還原性氣體中易被侵蝕。低溫熱電勢極小，冷端溫度在50以下可不加補償。成本高。CHAPTER2溫度傳感器幾種持殊用途的熱電偶（1）銥和銥合金熱電偶如銥50銠銥10釕熱電偶它能在氧化氣氛中測量高達2100的高溫。（2）鎢錸熱電偶是60年代發展起來的，是目前一種較好的高溫熱電偶，可使用在真空惰性氣體介質或氫氣介質中，但高溫抗氧能力差。國產鎢錸鎢錸20熱電偶使用溫度范圍3002000分度精度為1。（3）金鐵鎳鉻熱電偶主要用在低溫測量，可在2273K范圍內使用，靈敏度約為10V。（4）鈀鉑銥15熱電偶是一種高輸出性能的熱電偶，在1398時的熱電勢為47255MV，比鉑鉑銠10熱電偶在同樣溫度下的熱電勢高出3倍，因而可配用靈敏度較低的指示儀表，常應用于航空工業。（6）銅康銅熱電偶，分度號MK熱電偶的熱電勢略高于鎳鉻鎳硅熱電偶，約為43V/。復現性好，穩定性好，精度高，價格便宜。缺點是銅易氧化，廣泛用于20K473K的低溫實驗室測量中。（5）鐵康銅熱電偶，分度號TK靈敏度高，約為53V/，線性度好，價格便宜，可在800以下的還原介質中使用。主要缺點是鐵極易氧化，采用發藍處理后可提高抗銹蝕能力。CHAPTER2溫度傳感器1）工業用熱電偶下圖為典型工業用熱電偶結構示意圖。它由熱電偶絲、絕緣套管、保護套管以及接線盒等部分組成。實驗室用時，也可不裝保護套管，以減小熱慣性。工業熱電偶結構示意圖1接線盒；2保險套管3絕緣套管4熱電偶絲12342常用熱電偶的結構類型CHAPTER2溫度傳感器ABCD1322）鎧裝式熱電偶（又稱套管式熱電偶）優點是小型化（直徑從12MM到025MM）、壽命、熱慣性小，使用方便。測溫范圍在1100以下的有鎳鉻鎳硅、鎳鉻考銅鎧裝式熱電偶。斷面如圖所示。它是由熱電偶絲、絕緣材料，金屬套管三者拉細組合而成一體。又由于它的熱端形狀不同，可分為四種型式如圖。圖3212鎧裝式熱電偶斷面結構示意圖1金屬套管2絕緣材料3熱電極A碰底型B不碰底型C露頭型D帽型CHAPTER2溫度傳感器3快速反應薄膜熱電偶用真空蒸鍍等方法使兩種熱電極材料蒸鍍到絕緣板上而形成薄膜裝熱電偶。如圖，其熱接點極薄0010LM4123快速反應薄膜熱電偶1熱電極2熱接點3絕緣基板4引出線因此，特別適用于對壁面溫度的快速測量。安裝時,用粘結劑將它粘結在被測物體壁面上。目前我國試制的有鐵鎳、鐵康銅和銅康銅三種,尺寸為60602MM絕緣基板用云母、陶瓷片、玻璃及酚醛塑料紙等；測溫范圍在300以下；反應時間僅為幾MS。CHAPTER2溫度傳感器4快速消耗微型熱電偶下圖為一種測量鋼水溫度的熱電偶。它是用直徑為0050LMM的鉑銠10一鉑銠30熱電偶裝在U型石英管中，再鑄以高溫絕緣水泥，外面再用保護鋼帽所組成。這種熱電偶使用一次就焚化，但它的優點是熱慣性小，只要注意它的動態標定，測量精度可達土57。1423567891110快速消耗微型1剛帽；2石英；3紙環；4絕熱泥；5冷端；6棉花；7絕緣紙管；8補償導線；9套管；10塑料插座；11簧片與引出線CHAPTER2溫度傳感器方法冰點槽法計算修正法補正系數法零點遷移法冷端補償器法軟件處理法原因熱電偶熱電勢的大小是熱端溫度和冷端的函數差，為保證輸出熱電勢是被測溫度的單值函數，必須使冷端溫度保持恒定；熱電偶分度表給出的熱電勢是以冷端溫度0為依據，否則會產生誤差。四、冷端處理及補償CHAPTER2溫度傳感器把熱電偶的參比端置于冰水混合物容器里，使T00。這種辦法僅限于科學實驗中使用。為了避免冰水導電引起兩個連接點短路，必須把連接點分別置于兩個玻璃試管里，浸入同一冰點槽，使相互絕緣。MVABABTCC儀表銅導線試管補償導線熱電偶冰點槽冰水溶液T01冰點槽法CHAPTER2溫度傳感器2計算修正法用普通室溫計算出參比端實際溫度TH，利用公式計算例用銅康銅熱電偶測某一溫度T，參比端在室溫環境TH中，測得熱電動勢EABT，TH1999MV，又用室溫計測出TH21,查此種熱電偶的分度表可知，EAB21,00832MV，故得EABT，0EABT，21EAB21，T0199908322831MV再次查分度表，與2831MV對應的熱端溫度T68。注意既不能只按1999MV查表，認為T49，也不能把49加上21，認為T70。EABT,T0EABT,THEABTH,T0CHAPTER2溫度傳感器3補正系數法把參比端實際溫度TH乘上系數K，加到由EABT，TH查分度表所得的溫度上，成為被測溫度T。用公式表達即式中T為未知的被測溫度；T為參比端在室溫下熱電偶電勢與分度表上對應的某個溫度；TH室溫；K為補正系數，其它參數見下表。例用鉑銠10鉑熱電偶測溫，已知冷端溫度TH35，這時熱電動勢為11348MV查S型熱電偶的分度表，得出與此相應的溫度T1150。再從下表中查出，對應于1150的補正系數K053。于是，被測溫度T11500533511683（）用這種辦法稍稍簡單一些，比計算修正法誤差可能大一點，但誤差不大于014。TTKTHCHAPTER2溫度傳感器溫度T/補正系數K鉑銠10鉑S鎳鉻鎳硅（K）1000821002000721003000690984000660985000631006000620967000601008000591009000561001000055107110005311112000531300052140005215000531600053熱電偶補正系數CHAPTER2溫度傳感器例用動圈儀表配合熱電偶測溫時，如果把儀表的機械零點調到室溫TH的刻度上,在熱電動勢為零時，指針指示的溫度值并不是0而是TH。而熱電偶的冷端溫度已是TH,則只有當熱端溫度TTH時，才能使EABT,TH0，這樣，指示值就和熱端的實際溫度一致了。這種辦法非常簡便，而且一勞永逸，只要冷端溫度總保持在TH不變，指示值就永遠正確。4零點遷移法應用領域如果冷端不是0，但十分穩定（如恒溫車間或有空調的場所）。實質在測量結果中人為地加一個恒定值，因為冷端溫度穩定不變，電動勢EABTH,0是常數，利用指示儀表上調整零點的辦法，加大某個適當的值而實現補償。CHAPTER2溫度傳感器5冷端補償器法利用不平衡電橋產生熱電勢補償熱電偶因冷端溫度變化而引起熱電勢的變化值。不平衡電橋由R1、R2、R3錳銅絲繞制、RCU銅絲繞制四個橋臂和橋路電源組成。設計時，在0下使電橋平衡R1R2R3RCU，此時UAB0，電橋對儀表讀數無影響。冷端補償器的作用注意橋臂RCU必須和熱電偶的冷端靠近，使處于同一溫度之下。MVEABT,T0T0T0TABABUUABRCUR1R2R3RT0UAUABEABT,T0供電4V直流，在040或2020的范圍起補償作用。注意，不同材質的熱電偶所配的冷端補償器，其中的限流電阻R不一樣，互換時必須重新調整。CHAPTER2溫度傳感器6軟件處理法對于計算機系統，不必全靠硬件進行熱電偶冷端處理。例如冷端溫度恒定但不為0的情況，只需在采樣后加一個與冷端溫度對應的常數即可。對于T0經常波動的情況，可利用熱敏電阻或其它傳感器把T0信號輸入計算機，按照運算公式設計一些程序，便能自動修正。后一種情況必須考慮輸入的采樣通道中除了熱電動勢之外還應該有冷端溫度信號，如果多個熱電偶的冷端溫度不相同，還要分別采樣，若占用的通道數太多，宜利用補償導線把所有的冷端接到同一溫度處，只用一個冷端溫度傳感器和一個修正T0的輸入通道就可以了。冷端集中，對于提高多點巡檢的速度也很有利。CHAPTER2溫度傳感器1熱電偶的選擇、安裝使用熱電偶的選用應該根據被測介質的溫度、壓力、介質性質、測溫時間長短來選擇熱電偶和保護套管。其安裝地點要有代表性，安裝方法要正確，圖3217是安裝在管道上常用的兩種方法。在工業生產中，熱電偶常與毫伏計連用（XCZ型動圈式儀表）或與電子電位差計聯用，后者精度較高，且能自動記錄。另外也可圖3217熱電偶安裝圖通過與溫度變送器經放大后再接指示儀表，或作為控制用的信號。五、熱電偶的選擇、安裝使用和校驗CHAPTER2溫度傳感器熱電偶分度號校驗溫度/熱電偶允許偏差/溫度偏差溫度偏差LB3600，800，1000，1200060024600占所測熱