1、第二章第二章 溫度檢測溫度檢測本章主要內容：測溫原理及方法本章主要內容：測溫原理及方法 溫標及測溫方法溫標及測溫方法 電阻式溫度傳感與測試電阻式溫度傳感與測試 熱電偶溫度計熱電偶溫度計 輻射式溫度計輻射式溫度計 光導纖維溫度計光導纖維溫度計 集成溫度傳感技術集成溫度傳感技術 自然界中幾乎所有的物理化學過程都與溫度自然界中幾乎所有的物理化學過程都與溫度緊密相關，因此溫度是工農業生產、科學試驗以緊密相關，因此溫度是工農業生產、科學試驗以及日常生活中需要普遍進行測量和控制的一個重及日常生活中需要普遍進行測量和控制的一個重要物理量。要物理量。 溫度溫度是表征物體冷熱程度的物理量。溫度是表征物體冷熱程度

2、的物理量。溫度只能通過物體隨溫度變化的某些特性來間接測量，只能通過物體隨溫度變化的某些特性來間接測量，而用來量度物體溫度數值的標尺叫而用來量度物體溫度數值的標尺叫溫標溫標。它規定。它規定了溫度的讀數起點（零點）和測量溫度的基本單了溫度的讀數起點（零點）和測量溫度的基本單位。目前國際上用得較多的溫標有華氏溫標、攝位。目前國際上用得較多的溫標有華氏溫標、攝氏溫標、熱力學溫標氏溫標、熱力學溫標. .2.1 2.1 溫標及測溫方法溫標及測溫方法 （1）溫度與溫標）溫度與溫標q溫度定義溫度定義v對物體或系統的冷熱程度的衡量（宏觀）的對物體或系統的冷熱程度的衡量（宏觀）的物理量。物理量。v是物體分子運動平

3、均動能大小的標致（微觀）是物體分子運動平均動能大小的標致（微觀）q溫標：溫度標尺（定量）溫標：溫度標尺（定量）v起點、基本單位起點、基本單位溫標溫標q經驗溫標：經驗溫標：根據物體熱脹冷縮現象制定根據物體熱脹冷縮現象制定v攝氏溫標：攝氏溫標：在標準大氣壓下，冰點在標準大氣壓下，冰點0c，水的沸點，水的沸點100 c，中間，中間100等分，每份為攝氏等分，每份為攝氏1度，符號為度，符號為。v華式溫標：華式溫標：在標準大氣壓下，冰點在標準大氣壓下，冰點32f，水的沸點，水的沸點212 f，中間，中間180等分，每份為華氏等分，每份為華氏1度，符號為度，符號為of。攝氏溫度攝氏溫度 t 和華氏溫度和華

4、氏溫度 之間的關系：之間的關系：5(32)9tt(f)=t(c)x9/5+32q國際實用溫標：國際實用溫標：是一種協議溫標，是一種協議溫標， 熱力學溫度符號：熱力學溫度符號：t（t90） 單位：開爾文，符號為單位：開爾文，符號為k。 1k = = 水的三相點熱力學溫度的水的三相點熱力學溫度的1/273.16熱力學溫度是以水的三相點來定義的，規定水的三相點的熱力學溫度是以水的三相點來定義的，規定水的三相點的溫度為溫度為273.16k攝氏溫度攝氏溫度t 和和 熱力學溫度熱力學溫度t 的關系：的關系：tt273.15q國際溫標（熱力學溫標）國際溫標（熱力學溫標）：根據卡諾循環原理：根據卡諾循環原理建

5、立，實際難以實現。（建立，實際難以實現。（pv=rt）6n表表9-1 各溫標間的換算關系各溫標間的換算關系（2 2）測溫方法）測溫方法一、接觸式測溫一、接觸式測溫 傳感器和被測對象直接接觸，進行充分的熱交傳感器和被測對象直接接觸，進行充分的熱交換，達到熱平衡后，敏感元件與被測對象具有相同換，達到熱平衡后，敏感元件與被測對象具有相同溫度，傳感器的輸出即反映了被測溫度的高低。溫度，傳感器的輸出即反映了被測溫度的高低。 傳導換熱傳導換熱按照感溫元件是否與被測介質接觸，分為兩大類：按照感溫元件是否與被測介質接觸，分為兩大類： 優點：優點： 1、測溫儀表結構比較簡單、工作可靠，且價格低廉；、測溫儀表結構

6、比較簡單、工作可靠，且價格低廉； 2、測量精度較高，穩定性好；、測量精度較高，穩定性好； 缺點：缺點： 1、因測溫元件與被測介質需要進行充分的熱交換，需、因測溫元件與被測介質需要進行充分的熱交換，需要一定的時間才能達到熱平衡，所以存在測溫的延遲現象，要一定的時間才能達到熱平衡，所以存在測溫的延遲現象，有較大的滯后，不宜于快速變化的溫度測量或對運動物體有較大的滯后，不宜于快速變化的溫度測量或對運動物體進行測量；進行測量； 2、測溫范圍受感溫材料性質的限制，不能應用于很低、測溫范圍受感溫材料性質的限制，不能應用于很低或很高的溫度測量。溫度太高或腐蝕性介質對感溫元件的或很高的溫度測量。溫度太高或腐蝕

7、性介質對感溫元件的性能和壽命會產生不利影響。性能和壽命會產生不利影響。 3、感溫元件影響被測溫度場的分布，且接觸不良等因、感溫元件影響被測溫度場的分布，且接觸不良等因素都會帶來測量誤差。素都會帶來測量誤差。接觸式測溫方法的優缺點：接觸式測溫方法的優缺點：二、非接觸式測溫二、非接觸式測溫利用被測對象的熱輻射能量隨溫度的變化而變利用被測對象的熱輻射能量隨溫度的變化而變化的原理，通過測量一定距離處被測物體發出的熱化的原理，通過測量一定距離處被測物體發出的熱輻射強度來確定被測對象的溫度。輻射強度來確定被測對象的溫度。輻射換熱輻射換熱（傳感器不需和被測對象接觸）（傳感器不需和被測對象接觸） 優點：優點：

8、 1、測溫范圍廣，不受測溫上限的限制，也不會破壞被、測溫范圍廣，不受測溫上限的限制，也不會破壞被測物體的溫度場；測物體的溫度場； 2、反應速度一般比較快，幾乎不存在測量滯后，便于、反應速度一般比較快，幾乎不存在測量滯后，便于測量運動物體的溫度和快速變化的溫度；測量運動物體的溫度和快速變化的溫度； 3、因為非接觸，所以可在高溫、腐蝕、有毒等惡劣環、因為非接觸，所以可在高溫、腐蝕、有毒等惡劣環境中使用。境中使用。 缺點：缺點： 受到物體的發射率、測量距離、煙塵和水氣等外界因素受到物體的發射率、測量距離、煙塵和水氣等外界因素的影響，其測量精度較低。的影響，其測量精度較低。 非接觸式測溫方法的優缺點：

9、非接觸式測溫方法的優缺點： 按照溫度測量范圍，可分為超低溫、低按照溫度測量范圍，可分為超低溫、低溫、中溫、高溫和超高溫溫度測量。溫、中溫、高溫和超高溫溫度測量。超低溫一般是指超低溫一般是指010k低溫指低溫指10800k中溫指中溫指8001900k高溫指高溫指19002800k的溫度的溫度2800k以上被認為是超高溫以上被認為是超高溫熱電阻和熱敏電阻熱電阻和熱敏電阻 利用導體和半導體的電阻隨溫度變化這一性質做利用導體和半導體的電阻隨溫度變化這一性質做成的溫度計稱為電阻溫度計成的溫度計稱為電阻溫度計。大多數金屬在溫度。大多數金屬在溫度升高升高1 c 時電阻將增加時電阻將增加0.40.6。但半導體

10、。但半導體電阻一般隨溫度升高而減小，其靈敏度比金屬高，電阻一般隨溫度升高而減小，其靈敏度比金屬高，每升高每升高1 c ，電阻約減小，電阻約減小26。 目前由純金屬制造的熱電阻的主要材料是鉑、銅目前由純金屬制造的熱電阻的主要材料是鉑、銅和鎳，它們已得到廣泛的應用。和鎳，它們已得到廣泛的應用。2.2 2.2 電阻式溫度傳感器電阻式溫度傳感器 2.3.1 2.3.1 金屬熱電阻傳感器金屬熱電阻傳感器 一一 、熱電阻類型、熱電阻類型: :金屬熱電阻主要有鉑電阻、銅電阻和鎳金屬熱電阻主要有鉑電阻、銅電阻和鎳電阻等電阻等, ,其中鉑電阻和銅電阻最為常見。其中鉑電阻和銅電阻最為常見。 1 1、鉑熱電阻：、鉑

11、熱電阻： 在在-200-20000的范圍內的范圍內 在在0 0850850的范圍內的范圍內 2 2、銅熱電阻：可表示為、銅熱電阻：可表示為 工業熱電阻工業熱電阻鎧裝式熱電阻鎧裝式熱電阻 二、熱電阻的結構二、熱電阻的結構: :熱電阻主要由電阻體、熱電阻主要由電阻體、絕緣套管和接線盒等組成。絕緣套管和接線盒等組成。熱電阻測溫熱電阻測溫如何測量熱電阻？如何測量熱電阻？312rtdrrrr直流電橋的平衡條件直流電橋的平衡條件1819 三三 、熱電阻傳感器的測量電路、熱電阻傳感器的測量電路 1 1、三線制、三線制 2 2、四線制、四線制202411()tr rrr rrr124()()tr rrr rr

12、三線制三線制:ua1r2r4rtrrrree：電橋電源；：電橋電源；2r：相鄰臂：相鄰臂12rr若241tr rrr則212223熱電阻測溫熱電阻測溫缺點及實際問題缺點及實際問題q引線電阻的影響：引線也有阻值，且隨環境溫度引線電阻的影響：引線也有阻值，且隨環境溫度變化，影響可達變化，影響可達10甚至甚至50措施：采用措施：采用三線式或四線式三線式或四線式接法。接法。q響應速度慢；響應速度慢；q自熱問題：熱電阻測量需外加電源，電流流過熱自熱問題：熱電阻測量需外加電源，電流流過熱電阻使其發熱從而改變阻值。電阻使其發熱從而改變阻值。措施：措施：限制電流不超過限制電流不超過6ma。252.2.2 半導

13、體熱敏電阻器半導體熱敏電阻器 (semiconductor thermal resisitor) (semiconductor thermal resisitor) 近年來，幾乎所有的家用電器產品都裝有微處理器，溫度控近年來，幾乎所有的家用電器產品都裝有微處理器，溫度控制完全智能化，這些溫度傳感器幾乎都使用制完全智能化，這些溫度傳感器幾乎都使用熱敏電阻熱敏電阻。 熱敏電阻是利用半導體材料的電阻率隨溫度變化而變化的性熱敏電阻是利用半導體材料的電阻率隨溫度變化而變化的性質制成的。質制成的。 熱敏電阻用鈷熱敏電阻用鈷coco、錳、錳mnmn、鎳、鎳nini等半導體材料的氧化物采用不等半導體材料的氧化

14、物采用不同比例配方、高溫燒結而成，燒結表面玻璃封裝。同比例配方、高溫燒結而成，燒結表面玻璃封裝。26（一）熱敏電阻的優點：（一）熱敏電阻的優點： 1 1 結構簡單、體積小、可測點溫度；結構簡單、體積小、可測點溫度； 2 2 電阻溫度系數大，靈敏度高（電阻溫度系數大，靈敏度高（1010倍）；倍）； 3 3 電阻率高、熱慣性小、適宜動態測量。電阻率高、熱慣性小、適宜動態測量。 4 4 測量范圍窄，目前只能達到測量范圍窄，目前只能達到-50-50300300c c玻璃殼玻璃殼熱敏電阻熱敏電阻引線引線貼片式貼片式薄膜式薄膜式 大功率大功率 27（二）分類：（二）分類： 按熱敏電阻的阻值隨溫度變化的典型

15、特性分按熱敏電阻的阻值隨溫度變化的典型特性分為三類：為三類： (1) (1) 正溫度系數熱敏電阻器（正溫度系數熱敏電阻器（ptcptc） (positive temperature coefficient)(positive temperature coefficient) 電阻值隨溫度升高而增大的電阻器，電阻值隨溫度升高而增大的電阻器， 用于恒溫、加熱控制或溫度開關用于恒溫、加熱控制或溫度開關28(2) (2) 負溫度系數熱敏電阻器（負溫度系數熱敏電阻器（ntcntc） (negative temperature coefficient)(negative temperature coeff

16、icient) 電阻值隨溫度升高而下降的熱敏電阻器。電阻值隨溫度升高而下降的熱敏電阻器。 多用于溫度測量和補償。多用于溫度測量和補償。(3) (3) 突變型臨界溫度系數熱敏電阻器（突變型臨界溫度系數熱敏電阻器（ctrctr） (critical temperature resister)(critical temperature resister)在某一特性溫度下電阻值會發生突變，在隨在某一特性溫度下電阻值會發生突變，在隨溫度升高而降低溫度升高而降低3 34 4個數量級，具有很大個數量級，具有很大負溫度負溫度系數系數。用于溫度開關。用于溫度開關。291 12 23 34 4鉑絲鉑絲404060

17、60120120 1601600 010100 010101 110102 210103 310104 410105 510106 6r rt t/溫度溫度t/t/c c熱敏電阻的電阻熱敏電阻的電阻-溫度特性曲線溫度特性曲線1-ntc1-ntc；2-ctr2-ctr； 3-4 ptc3-4 ptc300011exptrrtt溫度測量中主要采用溫度測量中主要采用ntcntc，溫度特性如下：，溫度特性如下：r rt t、r r0 0溫度為溫度為t t、t t0 0時熱敏電阻器的電阻值；時熱敏電阻器的電阻值； ntcntc熱敏電阻的材料常數。熱敏電阻的材料常數。由測試結果表明，不管是由氧化物材料，還

18、是由單晶體由測試結果表明，不管是由氧化物材料，還是由單晶體材料制成的材料制成的ntcntc熱敏電阻器，在不太寬的溫度范圍（小熱敏電阻器，在不太寬的溫度范圍（小于于450450），都能利用該式，它僅是一個），都能利用該式，它僅是一個經驗公式經驗公式。 31( (三三) ) 使用注意事項使用注意事項： 注意自熱效應注意自熱效應 熱敏電阻溫度特性的非線性（指數規律）熱敏電阻溫度特性的非線性（指數規律） 措施：措施：利用包含熱敏電阻的利用包含熱敏電阻的線性化網絡線性化網絡代替單個熱敏電阻代替單個熱敏電阻利用電子裝置中其他部件的特性進行利用電子裝置中其他部件的特性進行綜合修正綜合修正。計算修正法計算修正

19、法：線性插值法分段計算：線性插值法分段計算 穩定性和老化問題：工藝、選擇穩定性和老化問題：工藝、選擇32圖2.15 熱敏電阻的線性化網絡rr2 rtr1rtr3r#t / r# r3 /(r2 rt)or1、 r2、 r3的 溫度系數近似為零rt 具有負溫度系數r1r3r2rtrt利用包含熱敏電阻的利用包含熱敏電阻的線性化網絡線性化網絡代替單個熱敏電阻代替單個熱敏電阻:33(四四)、熱敏電阻的應用、熱敏電阻的應用:(p31)n 1、溫度測量、溫度測量n 2、溫度補償、溫度補償n 3、溫度控制、溫度控制n 4、過熱保護、過熱保護 34電阻式溫度傳感器：利用物體的電阻隨溫度的變化的特性來測溫的。熱

20、電阻：測溫范圍，一般-200850c熱敏電阻：測溫范圍-50300c外加電源；自熱；引線電阻等問題。熱敏電阻比熱電阻靈敏度高。非線性。35溫度測量汽車水溫測量自動熱水器電冰箱等家用電器的溫度控制36應用實例：基于熱敏電阻的電機過熱保護器：應用實例：基于熱敏電阻的電機過熱保護器： rt1 rt2 rt3 ：熱敏電阻：熱敏電阻(ntc) ，安裝在三相繞組附近，安裝在三相繞組附近 溫度低時溫度低時 ：電阻高：電阻高 三極管不導通三極管不導通 繼電器不吸合繼電器不吸合 電機運行電機運行溫度高時溫度高時 ：電阻低：電阻低 三極管導通三極管導通 繼電器吸合繼電器吸合 電機停止電機停止37熱敏電阻的應用熱敏

21、電阻的應用2 2、恒溫控制電路、恒溫控制電路 rtrt為熱敏電阻，為熱敏電阻，a a為比較器，為比較器，當環境溫度達到當環境溫度達到tt時，輸出信時，輸出信號實現自動調溫控制。號實現自動調溫控制。 同相端輸入有同相端輸入有r rp p、r2r2、r3r3分壓分壓確定作比較電平，確定作比較電平，r rp p可調節比較可調節比較器的比較電平，從而調節所需控器的比較電平，從而調節所需控制溫度。制溫度。38熱敏電阻的應用熱敏電阻的應用39降溫報警器降溫報警器402.42.4 熱電勢式測溫傳感器（熱電偶）熱電勢式測溫傳感器（熱電偶） 熱電偶（熱電偶（thermocouple）是目前溫度測量中使用是目前溫

22、度測量中使用最普遍的傳感元件之一。最普遍的傳感元件之一。 特點特點：結構簡單，測量范圍寬、準確度高、熱慣：結構簡單，測量范圍寬、準確度高、熱慣性小，性小，輸出信號為電信號，輸出信號為電信號，便于遠傳或信號轉換便于遠傳或信號轉換等優點，還能用來測量流體的溫度、測量固體以等優點，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。動態溫度的測量。41422.4.1 2.4.1 工作原理工作原理 兩種不同的導體或半導體兩種不同的導體或半導體a a和和b b組合成如圖所示閉組合成如圖所示閉合回路，若導體合回路，若導體a

23、a和和b b的連接處溫度不同（設的連接處溫度不同（設t tt t0 0），則在此閉合回路中就有電流產生，也就是），則在此閉合回路中就有電流產生，也就是說回路中有電動勢存在，這種現象叫做說回路中有電動勢存在，這種現象叫做熱電效應熱電效應。熱電偶原理圖熱電偶原理圖t tt t0 0a ab b熱端熱端冷端冷端b b一、熱電效應一、熱電效應43 這種現象早在這種現象早在18211821年首先由西拜克（年首先由西拜克（seeseebackback）發現）發現, ,所以又稱西拜克效應。所以又稱西拜克效應。 回路中所產生的電動勢，叫回路中所產生的電動勢，叫熱電動勢熱電動勢. . 熱電動勢是由兩種導體的熱電

24、動勢是由兩種導體的接觸電勢接觸電勢和單一導體和單一導體的的溫差電勢溫差電勢所組成。熱電動勢的大小與兩種導所組成。熱電動勢的大小與兩種導體材料的體材料的性質及接點溫度有關性質及接點溫度有關。熱電偶原理圖熱電偶原理圖t tt t0 0a ab b熱端熱端冷端冷端b b44 導體導體a a，b b 稱為稱為熱電極熱電極。 接點接點t t通常是焊接在一起的，測量時將它置于測溫場通常是焊接在一起的，測量時將它置于測溫場所感受被測溫度，故稱為所感受被測溫度，故稱為測量端（或工作端，熱測量端（或工作端，熱端）端）。 接點接點t t0 0要求溫度恒定，稱為要求溫度恒定，稱為參考端（或冷端）參考端（或冷端）。

25、由兩種導體的組合并將溫度轉化為熱電動勢的傳感由兩種導體的組合并將溫度轉化為熱電動勢的傳感器叫做熱電偶。器叫做熱電偶。 熱電偶原理圖熱電偶原理圖t tt t0 0a ab b熱端熱端冷端冷端b b45二、接觸電勢的形成原因分析：二、接觸電勢的形成原因分析： 導體內部的電子密度是不同的，當兩種電子密度不導體內部的電子密度是不同的，當兩種電子密度不同的導體同的導體a a與與b b接觸時，接觸面上就會發生電子擴散，接觸時，接觸面上就會發生電子擴散，電子從電子密度高的導體流向密度低的導體電子從電子密度高的導體流向密度低的導體。 電子擴散的電子擴散的速率速率與兩導體的電子與兩導體的電子密度密度有關并和接觸

26、有關并和接觸區的區的溫度溫度成正比。成正比。接觸電勢原理圖接觸電勢原理圖+ +a ab bt te eabab( (t t ) )- -46 設導體設導體a a和和b b的自由電子密度為的自由電子密度為n na a和和n nb b，且，且n na an nb b，電子擴散的結果使電子擴散的結果使導體導體a a失去電子而失去電子而帶正電帶正電，導體，導體b b則獲得電子而帶負電，在接觸面形成則獲得電子而帶負電，在接觸面形成電場電場。 這個電場阻礙了電子的擴散，達到動平衡時，在這個電場阻礙了電子的擴散，達到動平衡時，在接觸區形成一個穩定的電位差，即接觸區形成一個穩定的電位差，即接觸電勢（帕接觸電勢

27、（帕爾貼電勢爾貼電勢peltierpeltier）。接觸電勢原理圖接觸電勢原理圖+ +a ab bt te eabab( (t t ) )- -47baabnnektteln)(e eabab( (t t) )導體導體a a、b b結點在溫度結點在溫度t t 時形成的接觸電動勢；時形成的接觸電動勢；e e單位電荷，單位電荷， e e =1.6 =1.61010-19-19c c；k k波爾茲曼常數，波爾茲曼常數， k k =1.38 =1.381010-23 -23 j/kj/k ；n na a、n nb b 導體導體a a、b b在溫度為在溫度為t t 時的電子密度。時的電子密度。接觸電勢的

28、大小與溫度高低及導體中的電子密度有關。接觸電勢的大小與溫度高低及導體中的電子密度有關。產生接觸電勢：產生接觸電勢：48溫差電勢：溫差電勢：因導體兩端溫度不同而產生的電動勢因導體兩端溫度不同而產生的電動勢。aea(t,to)tot溫差電勢原理圖溫差電勢原理圖 由于溫度梯度的存在，改變了電子由于溫度梯度的存在，改變了電子的能量分布，高溫的能量分布，高溫( (t t）端電子將向）端電子將向低溫端低溫端( (t t0 0）擴散，致使高溫端因）擴散，致使高溫端因失去電子帶正電，低溫端因獲得電失去電子帶正電，低溫端因獲得電子而帶負電。子而帶負電。 因而在同一導體兩端也產生電位差，因而在同一導體兩端也產生電

29、位差，并阻止電子從高溫端向低溫端擴散，并阻止電子從高溫端向低溫端擴散，最終電子擴散形成動平衡，此時所最終電子擴散形成動平衡，此時所建立的電位差稱為建立的電位差稱為溫差電勢溫差電勢即湯姆即湯姆遜電勢遜電勢(thomoson) (thomoson) 。49e ea a( (t t，t t0 0) )導體導體a a兩端溫度為兩端溫度為t t、t t0 0時形成的時形成的 溫差電動勢；溫差電動勢；t t，t t0 0 高低端的絕對溫度；高低端的絕對溫度； 導體導體a在溫度為在溫度為t時的自由電子數時的自由電子數0a010atatnke ( ,)u-u=etaatd n tt tdtdt溫差電勢：溫差電

30、勢：ana01nketatd n tdtdt50回路總電勢：回路總電勢：由導體材料由導體材料a a、b b組成的閉合回路，其接點溫度組成的閉合回路，其接點溫度分別為分別為t t、t t0 0, ,如果如果t tt t0 0，則必存在著兩個接觸電勢，則必存在著兩個接觸電勢和兩個溫差電勢。和兩個溫差電勢。0000( ,)( )()( ,)( ,)ababababet tetete t te t tt0teab(t)eab(t0)ea(t,t0)eb(t,t0)abbtatnnektln00ln0btatnnekta01nketatd n tdtdtb01nketbtd n tdtdt51t0tea

31、b(t)eab(t0)ea(t,t0)eb(t,t0)abn natat、n nat0at0導體導體a a在結點溫度為在結點溫度為t t和和t t0 0時的電子密度；時的電子密度； n nbtbt、n nbt0bt0導體導體b b在結點溫度為在結點溫度為t t和和t t0 0時的電子密度；時的電子密度；a a 、b b導體導體a a和和b b的湯姆遜系數。的湯姆遜系數。00000( ,)lnln()tatatababtbtbtnktnktet tdtenen52注：在工程應用中，常用實驗的方法得出溫度與注：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。熱電勢的關系并做

32、成表格，以供備查。 如果冷端溫度如果冷端溫度 固定固定 則則e eabab( (t t, ,t t0 0) )成為成為t t的單值函數。的單值函數。 忽略溫差電勢，則總電勢為：忽略溫差電勢，則總電勢為：e eabab( (t t, ,t t0 0)=)=e eabab( (t t )-)-e eabab( (t t0 0 ) )0000( ,)lnln( )( )atatabbtbtnktnktet tf tcg tenen0t53e eabab( (t t, ,t t0 0)=)=e eabab( (t t)-)-e eabab( (t t0 0) ) = =e eabab( (t t)-)

33、-e eabab(0)-(0)-e eabab( (t t0 0)-)-e eabab(0) (0) = =e eabab( (t t，0)-0)-e eabab( (t t0 0，0)0)推論：熱電偶的熱電勢可認為等于兩端溫度分別為推論：熱電偶的熱電勢可認為等于兩端溫度分別為 t t 和零度和零度以及以及t t0 0和零度和零度的熱電勢之差。的熱電勢之差。54五點結論：五點結論：1 1、熱電偶回路熱電勢只與組成熱電偶的、熱電偶回路熱電勢只與組成熱電偶的材料及兩材料及兩端溫度有關端溫度有關；與熱電偶的長度、粗細無關。；與熱電偶的長度、粗細無關。2 2、只有用不同性質的導體、只有用不同性質的導體

34、( (或半導體或半導體) )才能組合成才能組合成熱電偶；熱電偶；相同材料相同材料不會產生熱電勢，因為當不會產生熱電勢，因為當a a、b b兩兩種導體是同一種材料時，種導體是同一種材料時，ln(nln(na a/n/nb b)=0)=0，也即，也即e eabab( (t t，t t0 0)=0)=0。554 4、熱電偶、熱電偶a a、b b在接點溫度為在接點溫度為t t1 1 、t t3 3時的熱電勢，時的熱電勢，等于此熱電偶在接點溫度為等于此熱電偶在接點溫度為t t1 1、t t2 2與與t t2 2、t t3 3兩個不同兩個不同狀態下的熱電勢之狀態下的熱電勢之和和。3 3、只有當熱電偶兩端、

35、只有當熱電偶兩端溫度不同溫度不同, ,熱電偶的兩導體材熱電偶的兩導體材料不同時才能有料不同時才能有熱電勢產生熱電勢產生。5 5、導體材料確定后，熱電勢的大小只與熱電偶兩、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。如果使端的溫度有關。如果使e eabab( (t t0 0)=)=常數，則回路熱電常數，則回路熱電勢勢e eabab( (t t，t t0 0) )就只與溫度就只與溫度t t有關，而且是有關，而且是t t的單值函的單值函數，這也是數，這也是利用熱電偶測溫的原理利用熱電偶測溫的原理。562.4.2 熱電偶回路的性質熱電偶回路的性質572. 2. 中間導體定律（或第三方導體定律

36、）中間導體定律（或第三方導體定律）當在當在a a、b b材料組成的熱電偶回路中接入第三材料組成的熱電偶回路中接入第三導體導體c c時時, ,只要引入的第三導體只要引入的第三導體c c兩端溫度相同兩端溫度相同, ,則則此導體的引入不會改變總電勢此導體的引入不會改變總電勢e eabab(t,t(t,t0 0) )的大小。的大小。58圖2.3 熱電偶回路中引入第三導體 tt0ac2134t1t1c(b)ta1t0t0cb(a)23b59此定律在實際中的應用：此定律在實際中的應用：根據上述原理，可以在熱電偶回路中接入電位計根據上述原理，可以在熱電偶回路中接入電位計e e，只要保證電位計與連接熱電偶處的

37、只要保證電位計與連接熱電偶處的接點溫度相等接點溫度相等，就不會影響回路中原來的熱電勢，接入的方式見下就不會影響回路中原來的熱電勢，接入的方式見下圖所示。圖所示。 et0t0tet0t1t1t電位計接入熱電偶回路電位計接入熱電偶回路60 eab(t, t0)= eac(t, t0) ebc (t, t0) (2.10)t0teba(t,t0)bat0teac(t,t0)act0tebc (t,t0)cb3 3、標準熱電極定律標準熱電極定律 如果兩種導體如果兩種導體(a,b)(a,b)分別與第三種導體分別與第三種導體(c)(c)組成熱組成熱電偶所產生的熱電勢已知，則由這兩個導體組成的熱電偶所產生的

38、熱電勢已知，則由這兩個導體組成的熱電偶在相同的冷熱端溫度下產生的熱電勢可表示為：電偶在相同的冷熱端溫度下產生的熱電勢可表示為：61證明：證明：e eacac( (t t, ,t t0 0)=)=e eacac( (t t）- - e eacac( (t t0 0）e ebcbc( (t t, ,t t0 0)=)=e ebcbc( (t t）- - e ebcbc( (t t0 0）將上二式相減得：將上二式相減得：00000000( ,)( ,)( )()( )()( )( )()()( )()( ,)acbcacacbcbcacbcacbcabababet tet tetetetetetet

39、etetetetet t-=-+=-=-=注：通常用純鉑注：通常用純鉑(pt)(pt)作為標準熱電極。作為標準熱電極。623. 3. 中間溫度定律中間溫度定律如果不同的兩種導體材料組成熱電偶回路如果不同的兩種導體材料組成熱電偶回路, ,當接點溫度為當接點溫度為t1、t2時時, ,其熱電勢為其熱電勢為e eabab( (t t1 1, t, t2 2) )；當接點溫度為當接點溫度為t2、t3時，其熱電勢為時，其熱電勢為e eabab( (t t2 2, , t t3 3) )；當接點溫度為當接點溫度為t1、t3時，其熱電勢為時，其熱電勢為e eabab( (t t1 1, , t t3 3) )

40、，則，則 eab(t1, t3)=eab(t1, t2)+eab(t2, t3)bba t2 t1 t3 aab中間溫度定律圖示中間溫度定律圖示63必要性：必要性： 熱電偶的輸出電壓與溫度成非線性關系。對于任何一種熱電偶的輸出電壓與溫度成非線性關系。對于任何一種實際的熱電偶實際的熱電偶, ,并不是由精確的關系式表示其特性并不是由精確的關系式表示其特性, ,而是而是用特性分度表。為了便于統一用特性分度表。為了便于統一, ,一般手冊上所提供的熱電一般手冊上所提供的熱電偶特性分度表偶特性分度表, ,是在保持熱電偶冷端溫度是在保持熱電偶冷端溫度t t0 0=0=0的條件下，的條件下，給出熱電勢與熱端溫

41、度的數值對照。給出熱電勢與熱端溫度的數值對照。 但在實際測量中但在實際測量中, ,熱電偶的冷端溫度將受環境溫度或熱源熱電偶的冷端溫度將受環境溫度或熱源溫度的影響溫度的影響, ,并不為并不為00。為了使用特性分度表對熱電偶。為了使用特性分度表對熱電偶進行標定進行標定, ,實現對溫度的準確測量實現對溫度的準確測量, ,對冷端溫度變化所引對冷端溫度變化所引起的溫度誤差起的溫度誤差, ,必須采用相應的冷端處理或補償措施。必須采用相應的冷端處理或補償措施。2.4.32.4.3 冷端處理及補償冷端處理及補償64651 1、冰點槽法、冰點槽法(0(0恒溫法恒溫法) )實施方法：把熱電偶的參比端置于實施方法：

42、把熱電偶的參比端置于冰水混合物冰水混合物 容器里，使容器里，使t t0 0=0=0。注：注： 它能使冷端溫度誤差得到完全的克服。但有它能使冷端溫度誤差得到完全的克服。但有一定局限性，僅限于科學實驗中使用。一定局限性，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，浸入同須把連接點分別置于兩個玻璃試管里，浸入同一冰點槽，使其相互絕緣。一冰點槽，使其相互絕緣。66672 2、 零點遷移法（冷端恒溫法）零點遷移法（冷端恒溫法）實施方法：冷端置于恒溫器內實施方法：冷端置于恒溫器內( (如恒溫車間或有空調如恒溫車間或有

43、空調 的場所的場所) )，雖不是，雖不是00，但十分，但十分穩定穩定。實質：在測量結果中人為地加一個恒定值，因為冷端實質：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，電動勢溫度穩定不變，電動勢e eabab( (t th h,0),0)是常數，利用指示儀是常數，利用指示儀表上表上調整零點調整零點的辦法，或在回路中加入相應的的辦法，或在回路中加入相應的修正電修正電壓壓而實現補償。而實現補償。68 3 3、冷端補償器法冷端補償器法利用不平衡電橋產生利用不平衡電橋產生熱電勢補償熱電勢補償熱電偶因冷端溫熱電偶因冷端溫度變化而引起熱電勢的變化值。度變化而引起熱電勢的變化值。 冷端補償器冷端補償

44、器 mvmve eabab( (t t, ,t t0 0) )t t0 0t t0 0t ta ab b+ + +- -a ab bu uu uababr rcucur r1 1r r2 2r r3 3r r69 不平衡電橋由不平衡電橋由r1、r2、r3(錳銅絲繞制，溫度系數為零錳銅絲繞制，溫度系數為零)、rcu(銅絲繞制，其值隨溫度變化銅絲繞制，其值隨溫度變化)四個橋臂和橋路電源四個橋臂和橋路電源組成。組成。 橋臂橋臂rcu必須和熱電偶的冷端靠近，使處于同一溫度之下。必須和熱電偶的冷端靠近，使處于同一溫度之下。 通常設計在通常設計在20下使電橋平衡下使電橋平衡(r1=r2=r3=rcu)，此

45、時，此時uab=0 ，電橋對儀表讀數無影響。電橋對儀表讀數無影響。 冷端補償器冷端補償器 mvmve eabab( (t t, ,t t0 0) )t t0 0t t0 0t ta ab b+ + +- -a ab bu uu uababr rcucur r1 1r r2 2r r3 3r r70當當t t0 0上升時，上升時，r rcucu增大，增大，u uabab上升，當上升，當t t0 0=t=tn n時電勢時電勢u u為：為：( )(20)(20)ababababnuueteet而補償器選擇的而補償器選擇的r rcucu產生的產生的u uabab為：為：(20)ababnue t所以輸

46、出電壓所以輸出電壓u u保持不變保持不變71b4 4、補償導線法、補償導線法 熱電偶補償熱電偶補償導線接線圖導線接線圖abt1t2t2at0t0eb 當熱電偶冷端的溫度由于受熱端溫度的影響在很大當熱電偶冷端的溫度由于受熱端溫度的影響在很大范圍內變化時范圍內變化時, ,直接采用冷端溫度補償法將很困難。直接采用冷端溫度補償法將很困難。 采用補償導線將冷端遠移至溫度變化比較平緩的環采用補償導線將冷端遠移至溫度變化比較平緩的環境中境中, , 再采用上述的補償方法進行補償。再采用上述的補償方法進行補償。725 、冷端溫度計算校正法、冷端溫度計算校正法一般與熱電偶配套使用的指示儀表刻度是根據分一般與熱電偶

47、配套使用的指示儀表刻度是根據分度表取值，而分度表是在度表取值，而分度表是在 時得到的，所時得到的，所以當以當 ，指示儀的示值就必須加以修正，指示儀的示值就必須加以修正，修正方法如下：修正方法如下： 0 ,0 ,000tetetetetteababababab0 ,0 ,00tetteteababab測量儀表值測量儀表值校正值校正值真實值真實值ct000ct00073例：例：s型熱電偶在工作時自由端溫度型熱電偶在工作時自由端溫度 ，現測得熱電偶的電勢為現測得熱電偶的電勢為7.5mv，求被測介質的實，求被測介質的實際溫度。際溫度。ct0030已知，熱電偶測得的電勢為已知，熱電偶測得的電勢為 即即

48、其中其中 為被測介質溫度。為被測介質溫度。由分度表可查得由分度表可查得 則：則：30,temvte5 . 730,tmve173. 00 ,30673. 7173. 05 . 70 ,3030,0 ,etete由表由表2.4.1分度表可查的分度表可查的 對應的溫度對應的溫度為為 ，則被測介質的實際溫度為，則被測介質的實際溫度為 。673. 70 ,tec0830c08307475熱電偶材料應滿足：熱電偶材料應滿足：l 物理性能穩定，熱電特性不隨時間改變；物理性能穩定，熱電特性不隨時間改變；l 化學性能穩定，以保證在不同介質中測量時不被腐蝕；化學性能穩定，以保證在不同介質中測量時不被腐蝕；l 熱

49、電勢高，導電率高，且電阻溫度系數??；熱電勢高，導電率高，且電阻溫度系數??；l 便于制造；便于制造；l 復現性好，便于成批生產。復現性好，便于成批生產。一、熱電偶的常用材料與結構一、熱電偶的常用材料與結構2.4.4 2.4.4 常用熱電偶的特性常用熱電偶的特性76 1鉑鉑銠熱電偶(s型) 分度號lb3工業用熱電偶絲：工業用熱電偶絲：0.5mm0.5mm，實驗室用可更細些。，實驗室用可更細些。正極：鉑銠合金絲正極：鉑銠合金絲, ,用用9090鉑和鉑和1010銠銠( (重量比重量比) )冶煉而成。冶煉而成。負極：鉑絲。負極：鉑絲。測量溫度：長期：測量溫度：長期：13001300、短期：、短期：160

50、01600。特點：特點：n 材料性能穩定，測量準確度較高；可做成標準熱電偶材料性能穩定，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?；蚧鶞薀犭娕?。用途：實驗室或校驗其它熱電偶。n 測量溫度較高，一般用來測量測量溫度較高，一般用來測量10001000以上高溫。以上高溫。n 在高溫還原性氣體中（如氣體中含在高溫還原性氣體中（如氣體中含coco、h2h2等）易被侵等）易被侵 蝕，需要用保護套管。蝕，需要用保護套管。n 材料屬貴金屬，成本較高。材料屬貴金屬，成本較高。n 熱電勢較弱。熱電勢較弱。 （一）熱電偶常用材料（一）熱電偶常用材料77 2鎳鉻鎳硅(鎳鋁)熱電偶(

51、k型) 分度號eu2工業用熱電偶絲：工業用熱電偶絲： 1.21.22.5mm2.5mm，實驗室用可細些。，實驗室用可細些。正極：鎳鉻合金正極：鎳鉻合金( (用用88.488.489.789.7鎳、鎳、9 91010鉻，鉻，0.60.6硅，硅，0.30.3錳，錳，0.40.40.70.7鈷冶煉而成鈷冶煉而成) )。負極：鎳硅合金負極：鎳硅合金( (用用95.795.79797鎳鎳,2,23 3硅硅,0.4,0.40.70.7鈷冶煉鈷冶煉而成而成) )。測量溫度：長期測量溫度：長期10001000，短期，短期13001300。特點：特點：u 價格比較便宜，在工業上廣泛應用。價格比較便宜，在工業上廣

52、泛應用。u 高溫下抗氧化能力強，在還原性氣體和含有高溫下抗氧化能力強，在還原性氣體和含有so2so2， h2sh2s等氣體中易被侵蝕。等氣體中易被侵蝕。u 復現性好，熱電勢大，但精度不如復現性好，熱電勢大，但精度不如wrlbwrlb。 783鎳鉻考銅熱電偶(e型) 分度號為ea2工業用熱電偶絲工業用熱電偶絲:1.2:1.22mm2mm，實驗室用可更細些。，實驗室用可更細些。正極：鎳鉻合金正極：鎳鉻合金負極：考銅合金（用負極：考銅合金（用5656銅，銅，4444鎳冶煉而成）。鎳冶煉而成）。測量溫度：長期測量溫度：長期600600，短期，短期800800。特點：特點：l 價格比較便宜，工業上廣泛應

53、用。價格比較便宜，工業上廣泛應用。l 在常用熱電偶中它產生的熱電勢最大。在常用熱電偶中它產生的熱電勢最大。l 氣體硫化物對熱電偶有腐蝕作用。考銅易氧化變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。質，適于在還原性或中性介質中使用。 794鉑銠30鉑銠6熱電偶(b型) 分度號為ll2正極：鉑銠合金（用正極：鉑銠合金（用7070鉑，鉑，3030銠冶煉而成）。銠冶煉而成）。負極：鉑銠合金（用負極：鉑銠合金（用9494鉑，鉑，6 6銠冶煉而成）。銠冶煉而成）。測量溫度：長期可到測量溫度：長期可到16001600，短期可達，短期可達18001800。特點：特點：l 材料

54、性能穩定，測量精度高。材料性能穩定，測量精度高。l 還原性氣體中易被侵蝕。還原性氣體中易被侵蝕。l 低溫熱電勢極小，冷端溫度在低溫熱電勢極小，冷端溫度在5050以下可不加補償。以下可不加補償。l 成本高。成本高。 80幾種持殊用途的熱電偶（1 1）銥和銥合金熱電偶）銥和銥合金熱電偶 如銥如銥5050銠銠銥銥1010釕熱電偶它能在氧釕熱電偶它能在氧化氣氛中測量高達化氣氛中測量高達21002100的高溫。的高溫。（2 2）鎢錸熱電偶）鎢錸熱電偶 是是6060年代發展起來的，是目前一種較好的年代發展起來的，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，但高溫熱電偶，可使用在真空惰

55、性氣體介質或氫氣介質中，但高溫抗氧能力差。國產鎢錸高溫抗氧能力差。國產鎢錸- -鎢錸鎢錸2020熱電偶使用溫度范圍熱電偶使用溫度范圍30030020002000分度精度為分度精度為1 1。（3 3）金鐵）金鐵鎳鉻熱電偶鎳鉻熱電偶 主要用在低溫測量，可在主要用在低溫測量，可在2 2273k273k范圍內使用，靈敏度約為范圍內使用，靈敏度約為10v10v。（4 4）鈀）鈀鉑銥鉑銥1515熱電偶熱電偶 是一種高輸出性能的熱電偶，在是一種高輸出性能的熱電偶，在13981398時的熱電勢為時的熱電勢為47.255mv47.255mv，比鉑，比鉑鉑銠鉑銠1010熱電偶在同樣熱電偶在同樣溫度下的熱電勢高出溫

56、度下的熱電勢高出3 3倍，因而可配用靈敏度較低的指示儀表倍，因而可配用靈敏度較低的指示儀表，常應用于航空工業。，常應用于航空工業。 81（6 6）銅）銅康銅熱電偶，分度號康銅熱電偶，分度號mkmk 熱電偶的熱電勢略高于鎳鉻熱電偶的熱電勢略高于鎳鉻- -鎳硅熱電偶，約為鎳硅熱電偶，約為43v/43v/。復現性好，穩定性好，精度高，價格便宜。缺點是。復現性好，穩定性好，精度高，價格便宜。缺點是銅易氧化，廣泛用于銅易氧化，廣泛用于20k20k473k473k的低溫實驗室測量中。的低溫實驗室測量中。 （5 5）鐵）鐵康銅熱電偶，分度號康銅熱電偶，分度號tk tk 靈敏度高，約為靈敏度高，約為53v/5

57、3v/，線性度好，價格便宜，可，線性度好，價格便宜，可在在800800以下的還原介質中使用。主要缺點是鐵極易氧化，采用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。發藍處理后可提高抗銹蝕能力。 82二、熱電偶分類二、熱電偶分類(按照結構按照結構)： 普通型普通型：普通型結構熱電偶工業上使用最多普通型結構熱電偶工業上使用最多, , 它它一般由熱電極、絕緣套管、保護管和接線盒組成。一般由熱電極、絕緣套管、保護管和接線盒組成。測量測量液體和氣體液體和氣體的溫度。的溫度。83 鎧裝（纜式）鎧裝（纜式）熱電偶：熱電偶： 特點是測量結熱容量小，熱慣性小，動態響特點是測量結熱容

58、量小，熱慣性小，動態響應快，撓性好，強度高，抗震性好。應快，撓性好，強度高，抗震性好。適用于普通型不能測量的空間溫度。適用于普通型不能測量的空間溫度。84 薄膜薄膜熱電偶：熱電偶：薄膜熱電偶是由兩種薄膜熱電極材料薄膜熱電偶是由兩種薄膜熱電極材料, , 用真空蒸鍍、用真空蒸鍍、 化化學凃層等辦法蒸鍍到絕緣基板上面制成的一種特殊熱電偶學凃層等辦法蒸鍍到絕緣基板上面制成的一種特殊熱電偶, , 薄膜熱電偶的熱接點可以做得很小（可薄到薄膜熱電偶的熱接點可以做得很?。杀〉?.010.1m0.010.1m）。）。特點是熱容量小，時間常數小，反應速度快特點是熱容量小，時間常數小，反應速度快。主要用于。主要用

59、于測量測量固體表面小面積瞬時變化固體表面小面積瞬時變化的溫度。的溫度。85熱電偶的熱電偶的并聯并聯： 把幾個相同型號的熱電偶的同性電極參考端把幾個相同型號的熱電偶的同性電極參考端并聯在一起，各個熱電偶的測量結處于不同并聯在一起，各個熱電偶的測量結處于不同溫度下，其溫度下，其輸出電動勢為各個熱電偶熱電動輸出電動勢為各個熱電偶熱電動勢的平均值。勢的平均值。 可用于測量可用于測量平均溫度平均溫度。熱電偶的連接形式：熱電偶的連接形式：86串聯串聯熱電偶：熱電偶： 又稱又稱熱電堆熱電堆。把若干個相同型號的熱電偶串聯在。把若干個相同型號的熱電偶串聯在一起，所有測量端處在同一溫度，所有參考端處一起，所有測量

60、端處在同一溫度，所有參考端處在同一溫度，在同一溫度，輸出電動勢是每個電動勢之和輸出電動勢是每個電動勢之和。 如熱電偶正向串聯如熱電偶正向串聯, , 可獲得較大的熱電勢輸出和可獲得較大的熱電勢輸出和提高靈敏度。提高靈敏度。 在測量兩點在測量兩點溫差溫差時時, , 可采用熱電偶可采用熱電偶反向反向串聯。串聯。8788熱電偶測溫原理：熱電效應。測溫范圍：-271c2800c溫度信號轉換為電壓信號。非線性；熱電偶基本定律：均質導體定律、中間導體定律、中間溫度定律、標準電極定律。熱電偶冷端溫度補償：補償導線法、計算法、補償電橋法、冰浴法、軟件處理法。2.5 2.5 輻射式溫度傳感器輻射式溫度傳感器 2.