传感器原理--温传感器课件.pptx

第三章第三章 温度传感器温度传感器 第一节第一节 概概 论论 第二节第二节 热电偶温度传感器热电偶温度传感器 第三节第三节 热敏电阻温度传感器热敏电阻温度传感器 第四节第四节 集成温度传感器集成温度传感器 第五节第五节 其他温度传感器其他温度传感器通过本章的学习了解温度传感器的作用、地位、分类和通过本章的学习了解温度传感器的作用、地位、分类和发展趋势；掌握热电偶三定律及相关计算；掌握热敏电发展趋势；掌握热电偶三定律及相关计算；掌握热敏电阻不同类型的特点及应用场合；掌握集成温度传感器使阻不同类型的特点及应用场合；掌握集成温度传感器使用方法；了解其他温度传感器工作原理。用方法；了解其他温度传感器工作原理。第一节第一节 概概 论论 温温度度传传感感器器是是实实现现温温度度检检测测和和控控制制的的重重要要器器件件。在在种种类类繁繁多多的的传传感感器器中中，温温度度传传感感器器是是应应用用最最广广泛泛、发发展展最最快快的传感器之一。的传感器之一。l温度是与人类生活息息相关的物理量。温度是与人类生活息息相关的物理量。l在在2000多年前，就开始为检测温度进行了各种努力，多年前，就开始为检测温度进行了各种努力，并开始使用温度传感器检测温度。并开始使用温度传感器检测温度。l人类社会中，工业、农业、商业、科研、国防、医学人类社会中，工业、农业、商业、科研、国防、医学及环保等部门都与温度有着密切的关系。及环保等部门都与温度有着密切的关系。l工业生产自动化流程工业生产自动化流程,温度测量点要占全部测量点的一温度测量点要占全部测量点的一半左右。半左右。温度是反映物体冷热状态的物理参数。温度是反映物体冷热状态的物理参数。因此，人类离不开温度，当然也离不开温度传感器。因此，人类离不开温度，当然也离不开温度传感器。一、温度的基本概念一、温度的基本概念热平衡：温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量。热平衡：温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量。分子物理学：温度反映了物体内部分子无规则运动的剧分子物理学：温度反映了物体内部分子无规则运动的剧烈程度。烈程度。能量：温度是描述系统不同自由度间能量分配状况的物能量：温度是描述系统不同自由度间能量分配状况的物理量。理量。表示温度大小的尺度是温度的标尺，简称温标。表示温度大小的尺度是温度的标尺，简称温标。u热力学温标热力学温标u国际实用温标国际实用温标u摄氏温标摄氏温标u华氏温标华氏温标如如果果在在式式中中再再规规定定一一个个条条件件,就就可可以以通通过过卡卡诺诺循循环环中中的的传传热热量量来来完完全全地地确确定定温温标标。1954年年，国国际际计计量量会会议议选选定定水水的的三三相相点点为为273.16，并并以以它它的的1/273.16定定为为一一度度，这样热力学温标就完全确定了，即这样热力学温标就完全确定了，即T=273.16(Q1/Q2)。1848年年威威廉廉汤汤姆姆首首先先提提出出以以热热力力学学第第二二定定律律为为基基础础，建建立立温温度度仅仅与与热热量量有有关关，而而与与物物质质无无关关的的热热力力学学温温标标。因因是是开开尔尔文文总总结结出出来来的的，故故又又称称开开尔尔文文温温标标，用用符符号号K表表示。它是国际基本单位制之一示。它是国际基本单位制之一。根根据据热热力力学学中中的的卡卡诺诺定定理理，如如果果在在温温度度T1的的热热源源与与温温度度为为T2的冷源之间实现了卡诺循环，则存在下列关系式的冷源之间实现了卡诺循环，则存在下列关系式1 1热力学温标热力学温标Q1热源给予热机的传热量热源给予热机的传热量Q2热机传给冷源的传热量热机传给冷源的传热量为为解解决决国国际际上上温温度度标标准准的的同同意意及及实实用用问问题题，国国际际上上协协商商决决定定，建建立立一一种种既既能能体体现现热热力力学学温温度度（即即能能保保证证一一定定的的准准确确度度），又又使使用用方方便便、容容易易实实现现的的温温标标，即即国国际际实实用用温温标标InternationalPracticalTemperatureScaleof1968(简称简称IPTS-68)，又称国际温标。，又称国际温标。2 2国际实用温标国际实用温标注意：摄氏温度的分度值与开氏温度分度值相同，即温注意：摄氏温度的分度值与开氏温度分度值相同，即温度间隔度间隔1K=1。T0是在标准大气压下冰的融化温度，是在标准大气压下冰的融化温度，T0=273.15K。水的三相点温度比冰点高出。水的三相点温度比冰点高出0.01K。1968年国际实用温标规定热力学温度是基本温度，用年国际实用温标规定热力学温度是基本温度，用t表示，其单位是开尔文，符号为表示，其单位是开尔文，符号为K。1K定义为水三相点定义为水三相点热力学温度的热力学温度的1/273.16，水的三相点是指纯水在固态、，水的三相点是指纯水在固态、液态及气态三项平衡时的温度，热力学温标规定三相点液态及气态三项平衡时的温度，热力学温标规定三相点温度为温度为273.16K，这是建立温标的惟一基准点。，这是建立温标的惟一基准点。3 3摄氏温标摄氏温标是是工工程程上上最最通通用用的的温温度度标标尺尺。摄摄氏氏温温标标是是在在标标准准大大气气压压(即即101325Pa)下下将将水水的的冰冰点点与与沸沸点点中中间间划划分分一一百百个个等等份份，每每一一等等份份称称为为摄摄氏氏一一度度(摄摄氏氏度度，)，一一般般用用小小写写字字母母t表示。与热力学温标单位开尔文并用。表示。与热力学温标单位开尔文并用。摄氏温标与国际实用温标温度之间的关系如下：摄氏温标与国际实用温标温度之间的关系如下：4 4华氏温标华氏温标目前已用得较少，它规定在标准大气压下冰的融点为目前已用得较少，它规定在标准大气压下冰的融点为32华氏度，水的沸点为华氏度，水的沸点为212华氏度，中间等分为华氏度，中间等分为180份，份，每一等份称为华氏一度，符号用每一等份称为华氏一度，符号用，它和摄氏温度的关，它和摄氏温度的关系如下：系如下：T=t+273.15 Kt=T-273.15 m=1.8n+32 n=5/9(m-32)二、温度传感器的特点与分类二、温度传感器的特点与分类u随物体的热膨胀相对变化而引起的体积变化；随物体的热膨胀相对变化而引起的体积变化；u蒸气压的温度变化；蒸气压的温度变化；u电极的温度变化电极的温度变化u热电偶产生的电动势；热电偶产生的电动势；u光电效应光电效应u热电效应热电效应u介电常数、导磁率的温度变化；介电常数、导磁率的温度变化；u物质的变色、融解；物质的变色、融解；u强性振动温度变化；强性振动温度变化；u热放射；热放射；u热噪声。热噪声。1 1 温度传感器的物理原理温度传感器的物理原理(11)(11)l特性与温度之间的关系要适中，并容易检特性与温度之间的关系要适中，并容易检 测和处理，测和处理，且随温度呈线性变化；且随温度呈线性变化；l除温度以外，特性对其它物理量的灵敏度要低；除温度以外，特性对其它物理量的灵敏度要低；l特性随时间变化要小；特性随时间变化要小；l重复性好，没有滞后和老化；重复性好，没有滞后和老化；l灵敏度高，坚固耐用，体积小，对检测对象的影响灵敏度高，坚固耐用，体积小，对检测对象的影响要小；要小；l机械性能好，耐化学腐蚀，耐热性能好；机械性能好，耐化学腐蚀，耐热性能好；l能大批量生产，价格便宜；能大批量生产，价格便宜；l无危险性，无公害等。无危险性，无公害等。2.2.温度传感器应满足的条件温度传感器应满足的条件3.3.温度传感器的种类及特点温度传感器的种类及特点l接触式温度传感器接触式温度传感器l 非接触式温度传感器非接触式温度传感器接触式温度传感器的特点：传感器直接与被测物体接触接触式温度传感器的特点：传感器直接与被测物体接触进行温度测量，由于被测物体的热量传递给传感器，降进行温度测量，由于被测物体的热量传递给传感器，降低了被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时，测低了被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时，测量精度较低。因此采用这种方式要测得物体的真实温度量精度较低。因此采用这种方式要测得物体的真实温度的前提条件是被测物体的热容量要足够大。的前提条件是被测物体的热容量要足够大。非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成本较高，测量精度却较低。优点是：不从被测物体上吸本较高，测量精度却较低。优点是：不从被测物体上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产生消耗；反应快等。生消耗；反应快等。物物理理现现象象体积热膨胀体积热膨胀电阻变化电阻变化温差电现象温差电现象导磁率变化导磁率变化电容变化电容变化压电效应压电效应超声波传播速度变化超声波传播速度变化物质物质颜色颜色PN结电动势结电动势晶体管特性变化晶体管特性变化可控硅动作特性变化可控硅动作特性变化热、光辐射热、光辐射种种类类铂测温电阻、热敏电阻铂测温电阻、热敏电阻热电偶热电偶BaSrTiO3陶瓷陶瓷石英晶体振动器石英晶体振动器超声波温度计超声波温度计示温涂料示温涂料液晶液晶半导体二极管半导体二极管晶体管半导体集成电路温度传感器晶体管半导体集成电路温度传感器可控硅可控硅辐射温度传感器辐射温度传感器光学高温计光学高温计1.气体温度计气体温度计2.玻璃制水银温度计玻璃制水银温度计3.玻璃制有机液体温度计玻璃制有机液体温度计4.双金属温度计双金属温度计5.液体压力温度计液体压力温度计6.气体压力温度计气体压力温度计1热铁氧体热铁氧体2Fe-Ni-Cu合金合金热电偶、测温电阻器、热敏电阻、感温铁氧体、石英晶体振热电偶、测温电阻器、热敏电阻、感温铁氧体、石英晶体振动器、双金属温度计、压力式温度计、玻璃制温度计、辐射动器、双金属温度计、压力式温度计、玻璃制温度计、辐射传感器、晶体管、二极管、半导体集成电路传感器、可控硅传感器、晶体管、二极管、半导体集成电路传感器、可控硅分分类类特特征征传传感感器器名名称称超高温用超高温用传感器传感器1500以上以上光学高温计、辐射传感器光学高温计、辐射传感器高温用高温用传感器传感器10001500光学高温计、辐射传感器、光学高温计、辐射传感器、热电偶热电偶中高温用中高温用传感器传感器5001000光学高温计、辐射传感器、光学高温计、辐射传感器、热电偶热电偶中温用中温用传感器传感器0500低温用低温用传感器传感器-2500极低温用极低温用传感器传感器-270-250BaSrTiO3陶瓷陶瓷晶体管、热敏电阻、晶体管、热敏电阻、压力式玻璃温度计压力式玻璃温度计见表下内容见表下内容测测温温范范围围温度传感器分类温度传感器分类(1)分分类类特特征征传传感感器器名名称称测温范围宽、测温范围宽、输出小输出小测温电阻器、晶体管、热电偶测温电阻器、晶体管、热电偶半导体集成电路传感器、半导体集成电路传感器、可控硅、石英晶体振动器、可控硅、石英晶体振动器、压力式温度计、玻璃制温度计压力式温度计、玻璃制温度计线性型线性型测温范围窄、测温范围窄、输出大输出大热敏电阻热敏电阻指数型指数型函数函数开关型开关型特性特性特定温度、特定温度、输出大输出大感温铁氧体、双金属温度计感温铁氧体、双金属温度计测测温温特特性性温度传感器分类温度传感器分类(2)分分类类特特征征传传感感器器名名称称测定精度测定精度0.10.5铂测温电阻、石英晶体振动铂测温电阻、石英晶体振动器、玻璃制温度计、气体温器、玻璃制温度计、气体温度计、光学高温计度计、光学高温计温度温度标准用标准用测定精度测定精度0.55热热电电偶偶、测测温温电电阻阻器器、热热敏敏电电阻阻、双双金金属属温温度度计计、压压力力式式温温度度计计、玻玻璃璃制制温温度度计计、辐辐射射传传感感器器、晶晶体体管管、二二极极管管、半半导导体集成电路传感器、可控硅体集成电路传感器、可控硅绝对值绝对值测定用测定用管理温度管理温度测定用测定用相对值相对值15测测定定精精度度温度传感器分类温度传感器分类(3)此外，还有此外，还有微波测温温度传感器、噪声测温微波测温温度传感器、噪声测温温度传感器、温度图测温温度传感器、热流计、温度传感器、温度图测温温度传感器、热流计、射流测温计、核磁共振测温计、穆斯保尔效应测射流测温计、核磁共振测温计、穆斯保尔效应测温计、约瑟夫逊效应测温计、低温超导转换测温温计、约瑟夫逊效应测温计、低温超导转换测温计、光纤温度传感器计、光纤温度传感器等。这些温度传感器有的已等。这些温度传感器有的已获得应用，有的尚在研制中。获得应用，有的尚在研制中。公公元元1600年年，伽伽里里略略研研制制出出气气体体温温度度计计。一一百百年年后后，研研制制成成酒酒精精温温度度计计和和水水银银温温度度计计。随随着着现现代代工工业业技技术术发发展展的的需需要要，相相继继研研制制出出金金属属丝丝电电阻阻、温温差差电电动动式式元元件件、双双金金属属式式温温度度传传感感器器。1950年年以以后后，相相继继研研制制成成半半导导体体热热敏敏电电阻阻器器。最最近近，随随着着原原材材料料、加加工工技技术术的的飞速发展、又陆续研制出各种类型的温度传感器。飞速发展、又陆续研制出各种类型的温度传感器。三、温度传感器的发展概况三、温度传感器的发展概况接触式温度传感器接触式温度传感器非接触式温度传感器非接触式温度传感器1常用热电阻常用热电阻范范围围：-260850；精精度度：0.001。改改进进后后可可连连续工作续工作2000h，失效率小于，失效率小于1，使用期为，使用期为10年。年。2管管缆缆热热电电阻阻测测温温范范围围为为-20500，最最高高上上限限为为1000，精度为，精度为0.5级。级。（）接触式温度传感器（）接触式温度传感器3陶陶瓷瓷热热电电阻阻测测量量范范围围为为200+500，精精度度为为0.3、0.15级。级。4超超低低温温热热电电阻阻两两种种碳碳电电阻阻，可可分分别别测测量量268.8253-272.9272.99的温度。的温度。5热热敏敏电电阻阻器器适适于于在在高高灵灵敏敏度度的的微微小小温温度度测测量量场场合合使使用。经济性好、价格便宜。用。经济性好、价格便宜。l l辐辐射射高高温温计计用用来来测测量量1000以以上上高高温温。分分四四种种：光学高温计、比色高温计、辐射高温计和光电高温计。光学高温计、比色高温计、辐射高温计和光电高温计。2 2光光谱谱高高温温计计前前苏苏联联研研制制的的YCII型型自自动动测测温温通通用用光光谱谱高高温温计计,其其测测量量范范围围为为4006000,它它是是采采用用电电子子化化自动跟踪系统自动跟踪系统,保证有足够准确的精度进行自动测量。保证有足够准确的精度进行自动测量。（二）非接触式温度传感器（二）非接触式温度传感器3 3超超声声波波温温度度传传感感器器特特点点是是响响应应快快(约约为为10ms左左右右)，方向性强。目前国外有可测到方向性强。目前国外有可测到5000 的产品。的产品。4 4激激光光温温度度传传感感器器适适用用于于远远程程和和特特殊殊环环境境下下的的温温度度测测量量。如如NBS公公司司用用氦氦氖氖激激光光源源的的激激光光做做光光反反射射计计可可测测很很高高的的温温度度，精精度度为为1。美美国国麻麻省省理理工工学学院院正正在在研研制制一一种种激激光光温温度度计计，最最高高温温度度可可达达8000，专专门门用用于于核核聚聚变变研研究究。瑞瑞士士BrowaBorer研研究究中中心心用用激激光光温温度度传传感感器器可测几千开可测几千开(K)的高温。的高温。1超超高高温温与与超超低低温温传传感感器器，如如+3000以以上上和和250以下的温度传感器。以下的温度传感器。2提高温度传感器的精度和可靠性。提高温度传感器的精度和可靠性。3研研制制家家用用电电器器、汽汽车车及及农农畜畜业业所所需需要要的的价价廉廉的的温温度传感器。度传感器。4发发展展新新型型产产品品，扩扩展展和和完完善善管管缆缆热热电电偶偶与与热热敏敏电电阻阻；发发展展薄薄膜膜热热电电偶偶；研研究究节节省省镍镍材材和和贵贵金金属属以以及及厚厚膜膜铂铂的的热热电电阻阻；研研制制系系列列晶晶体体管管测测温温元元件件、快快速速高高灵灵敏敏CA型热电偶以及各类非接触式温度传感器。型热电偶以及各类非接触式温度传感器。5发展适应特殊测温要求的温度传感器。发展适应特殊测温要求的温度传感器。6发展数字化、集成化和自动化的温度传感器发展数字化、集成化和自动化的温度传感器。（三）温度传感器的主要发展方向（三）温度传感器的主要发展方向热电偶是目前温度测量中使用最普遍的传感元件热电偶是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，之一。结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号输出信号为电信号，还用来测量，还用来测量流体的温度流体的温度、测量、测量固固体以及固体壁面的温度体以及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于微型热电偶还可用于快速及动态温度快速及动态温度的测量。的测量。第二节第二节 热电偶温度传感器热电偶温度传感器热电偶的工作原理热电偶的工作原理热电偶回路的性质热电偶回路的性质热电偶的常用材料与结构热电偶的常用材料与结构冷端处理及补偿冷端处理及补偿各种热电偶各种热电偶先看一个实验先看一个实验热电偶工作原理演示热电偶工作原理演示结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。热电极热电极A A右端：右端：自由端自由端参考端参考端冷端冷端一、一、热电偶的工作原理热电偶的工作原理左端：左端：测量端测量端工作端工作端热端热端热电极热电极B B热电势热电势AB从实验到理论：从实验到理论：热电效应热电效应1821年年，德德国国物物理理学学家家西西拜拜克克用用两两种种不不同同金金属属组组成成闭闭合合回回路路，并并用用酒酒精精灯灯加加热热其其中中一一个个接接触触点点（称称为为结结点点），发发现现放放在在回回路路中中的的指指南南针针发发生生偏偏转转（说说明明什什么么？），如如果果用用两两盏盏酒酒精精灯灯对对两两个个结结点点同同时时加加热热，指指南南针针的的偏转角反而减小偏转角反而减小（又说明什么？）（又说明什么？）。显显然然，指指针针的的偏偏转转说说明明回回路路中中有有电电动动势势产产生生并并有有电电流流在在回回路路中中流流动动，电电流流的的强强弱弱与两个结点的温差有关。与两个结点的温差有关。两种不同类型的金属导体，导体两端分两种不同类型的金属导体，导体两端分别接在一起构成闭合回路，当两个结点别接在一起构成闭合回路，当两个结点温度不等有温差时，回路里会产生热电温度不等有温差时，回路里会产生热电势，形成电流，这种现象称为势，形成电流，这种现象称为热电效应热电效应。利用这种效应，只要知道一端结点温度，利用这种效应，只要知道一端结点温度，就可以测出另一端结点的温度。就可以测出另一端结点的温度。热电效应热电效应 两两种种不不同同的的金金属属互互相相接接触触时时，由由于于不不同同金金属属内内自自由由电电子子的的密密度度不不同同，在在两两金金属属A和和B的的接接触触点点处处会会发发生生自自由由电电子子的的扩扩散散现现象象。自自由由电电子子将将从从密密度度大大的的金金属属A扩扩散散到到密密度度小小的的金金属属B，使使A失失去去电电子子带带正正电电，B得得到电子带负电到电子带负电，从而产生，从而产生热电势热电势。自由自由电子电子A AB BeAB（T T）T T1.1.接触电势接触电势eAB(T)导体导体A、B结点在温度结点在温度T 时形成的接触电动势；时形成的接触电动势；e单位电荷，单位电荷，e=1.610-19C；k波尔兹曼常数，波尔兹曼常数，k=1.3810-23J/K；NA、NB 导体导体A、B在温度为在温度为T 时的电子密度。时的电子密度。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。对于任何一种金属，当其两端温度不同时，两对于任何一种金属，当其两端温度不同时，两端的自由电子浓度也不同，温度高的一端浓度端的自由电子浓度也不同，温度高的一端浓度大，具有较大的动能；温度低的一端浓度小，大，具有较大的动能；温度低的一端浓度小，动能也小。因此高温端的自由电子要向低温端动能也小。因此高温端的自由电子要向低温端扩散，高温端因失去电子而带正电，低温端得扩散，高温端因失去电子而带正电，低温端得到电子而带负电，形成到电子而带负电，形成温差电动势温差电动势，又称，又称汤姆汤姆森电动势森电动势。2.2.温差电势温差电势AeA(T,To)ToTeA(T，T0)导体导体A两端温度为两端温度为T、T0时形成的温差电时形成的温差电动势；动势；T，T0高低端的绝对温度；高低端的绝对温度；A汤姆逊系数，表示导体汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为两端的温度差为1时时所产生的温差电动势，例如在所产生的温差电动势，例如在0时，铜的时，铜的=2V/。温差电势原理图温差电势原理图由由导导体体材材料料A、B组组成成的的闭闭合合回回路路，其其接接点点温温度度分分别别为为T、T0,如如果果TT0，则则必必存存在在着着两两个个接接触触电电势势和和两两个个温温差差电势，回路总电势：电势，回路总电势：T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3.3.回路总电势回路总电势由于在金属中自由电子数目很多，温度对自由电子密度由于在金属中自由电子数目很多，温度对自由电子密度的影响很小，故温差电动势可以忽略不计，在热电偶回的影响很小，故温差电动势可以忽略不计，在热电偶回路中起主要作用的是接触电动势。则有路中起主要作用的是接触电动势。则有在标定热电偶时，一般使在标定热电偶时，一般使T T0 0为常数，则为常数，则 1 1、热电偶回路的热电动势只与组成热电偶的材料及两、热电偶回路的热电动势只与组成热电偶的材料及两端接点的温度有关；与热电偶的形状无关。端接点的温度有关；与热电偶的形状无关。二二.热电偶基本性质热电偶基本性质2 2、只有用不同性质的材料才能组合成热电偶，相同、只有用不同性质的材料才能组合成热电偶，相同材料不会产生热电动势。材料不会产生热电动势。3 3、只有当热电偶两端温度不同时，不同材料组成的热、只有当热电偶两端温度不同时，不同材料组成的热电偶才能有热电动势产生。电偶才能有热电动势产生。4 4、导体材料确定后，热电动势的大小只与热电偶两端的、导体材料确定后，热电动势的大小只与热电偶两端的温度有关温度有关,是是T T 的单值函数，这就是利用的单值函数，这就是利用热电偶测温的基热电偶测温的基本原理本原理。三、热电偶基本定律三、热电偶基本定律 1 1、均质导体定律均质导体定律 如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，无论两接点的温度如何，热电动势均为零无论两接点的温度如何，热电动势均为零.根据这一定律，可以检验两个热电极材料的成分是根据这一定律，可以检验两个热电极材料的成分是否相同否相同(称为称为同名极检验法同名极检验法)，也可以检查热电极材料的，也可以检查热电极材料的均匀性。均匀性。2 2、中间导体定律中间导体定律在热电偶回路中接入第三种导体在热电偶回路中接入第三种导体C C，只要第三种，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动势导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变。不变。T0T0B BTA AC右图回路中的总电动势为：右图回路中的总电动势为：如果回路中三个接点的温度都相同，即如果回路中三个接点的温度都相同，即T TT T0 0，则回路总，则回路总电动势必为零，即：电动势必为零，即：即即则则T1CT0T1TB BA A如果按右图接入第三种导体如果按右图接入第三种导体C C，则回路中的总电动势为：，则回路中的总电动势为：而而所以所以意义：意义：可用电器测量仪表直接测量热电势可用电器测量仪表直接测量热电势3 3、标准电极定律、标准电极定律如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由这两种导体组成的热产生的热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就可知。电偶所产生的热电动势也就可知。T T0 0T TE EABAB(T T,T T0 0)A AB BT T0 0T TE EACAC(T T,T T0 0)A AC CT T0 0T TE EBCBC(T T,T T0 0)B BC C两式相减得：两式相减得：（1 1 1 1）若一个热电偶由若一个热电偶由A A、B B、C C三种导体组成，且回路中三个三种导体组成，且回路中三个接点的温度都相同，则回路总电动势必为零，即：接点的温度都相同，则回路总电动势必为零，即：或或即导体即导体A A与与B B组成的热电偶的热电动势也可知。组成的热电偶的热电动势也可知。代入（代入（1 1）式可得：）式可得：解解：由由标标准准电电极极定定律律，镍镍铬铬和和考考铜铜热热电电偶偶的的热热电电动动势势应应等等于于镍镍铬铬合合金金与与纯纯铂铂热热电电偶偶与与考考铜铜与与纯纯铂铂热热电电偶的热电动势的差，即偶的热电动势的差，即例例 热端为热端为100100、冷端为、冷端为00时，镍铬合金与时，镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为纯铂组成的热电偶的热电动势为2.95mV2.95mV，而考，而考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为-4.0mV-4.0mV，求镍铬和考铜组合而成的热电偶所产生的热电求镍铬和考铜组合而成的热电偶所产生的热电动势。动势。2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV2.95mV-(-4.0mV)=6.95mVB BB BA A T T2 2 T T1 1 T T3 3 A AA AB B4 4、中间温度定律、中间温度定律热电偶在两接点温度分别为热电偶在两接点温度分别为T T、T T0 0时的热电动势时的热电动势等于该热电偶在接点温度分别为等于该热电偶在接点温度分别为T T、T Tn n和接点温和接点温度分别为度分别为T Tn n、T T0 0时的相应热电动势的代数和。时的相应热电动势的代数和。证明：证明：即：即：对于冷端温度不是零度时，热电偶如何对于冷端温度不是零度时，热电偶如何分度表分度表的的问题提供了依据。问题提供了依据。当当T Tn n=0=0时，则：时，则：上式说明：只要上式说明：只要A A、B B组成的热电偶在冷端温度为零时的组成的热电偶在冷端温度为零时的“热电动势热电动势 温度温度”关系已知，则它在冷端温度不为关系已知，则它在冷端温度不为零时的热电动势即可知。零时的热电动势即可知。意义：意义：为制定分度表奠定了理论基础为制定分度表奠定了理论基础意义：意义：运用补偿导线法进行温度测量的理论基础运用补偿导线法进行温度测量的理论基础5、连接导体定律、连接导体定律热电偶导体热电偶导体A、B分别与分别与连接导线连接导线C、D相接，相接，总热电势为两部分的代总热电势为两部分的代数和。数和。热电偶的分度表热电偶的分度表热电偶的线性较差，多数情况下采用热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法查表法直接从热电偶的分度表查温度与热电势的直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是：关系时的约束条件是：自由端（冷端）温自由端（冷端）温度必须为度必须为0 C。四、四、热电偶的结构和种类热电偶的结构和种类（1 1）热电极）热电极）热电极）热电极（2 2）绝缘套）绝缘套）绝缘套）绝缘套（3 3）保护套管）保护套管）保护套管）保护套管（4 4）接线盒）接线盒）接线盒）接线盒与介质隔离，优良传热性能与介质隔离，优良传热性能与介质隔离，优良传热性能与介质隔离，优良传热性能防止电极间短路防止电极间短路防止电极间短路防止电极间短路 氧化铝管、耐火陶瓷氧化铝管、耐火陶瓷氧化铝管、耐火陶瓷氧化铝管、耐火陶瓷铝合金铝合金铝合金铝合金热电性质稳定热电性质稳定热电性质稳定热电性质稳定物理化学性质稳定物理化学性质稳定物理化学性质稳定物理化学性质稳定电阻温度系数小、电阻率高电阻温度系数小、电阻率高电阻温度系数小、电阻率高电阻温度系数小、电阻率高输出热电势大、输出呈线性输出热电势大、输出呈线性输出热电势大、输出呈线性输出热电势大、输出呈线性复制性好、工艺简单、价格低复制性好、工艺简单、价格低复制性好、工艺简单、价格低复制性好、工艺简单、价格低 贵金属贵金属贵金属贵金属普通金属普通金属普通金属普通金属1 1、热电偶的结构、热电偶的结构普通装配型普通装配型热电偶的外形热电偶的外形铠装型热电偶外形铠装型热电偶外形法兰法兰铠装型热电偶可铠装型热电偶可 长达上百米长达上百米薄壁金属薄壁金属 保护套管保护套管（铠体）（铠体）铠装型热电偶铠装型热电偶横截面横截面铠装型热电偶铠装型热电偶 铠铠装装热热电电偶偶的的制制造造工工艺艺：把把热热电电极极材材料料与与高高温温绝绝缘缘材材料料预预置置在在金金属属保保护护管管中中、运运用用同同比比例例压压缩缩延延伸伸工工艺艺、将将这这三三者者合合为为一一体体，制制成成各各种种直直径径、规规格格的的铠铠装装偶偶体体，再再截截取取适适当当长长度度、将将工工作作端端焊焊接接密密封封、配置接线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。配置接线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。铠铠装装热热电电偶偶特特点点：内内部部的的热热电电偶偶丝丝与与外外界界空空气气隔隔绝绝，有有着着良良好好的的抗抗高高温温氧氧化化、抗抗低低温温水水蒸蒸气气冷冷凝凝、抗抗机机械械外外力力冲冲击击的的特特性性。铠铠装装热热电电偶偶可可以以制制作作得得很很细细，能能解解决决微微小小、狭狭窄窄场场合合的的测测温温问问题题，且且具具有有抗抗震、可弯曲、超长等优点。震、可弯曲、超长等优点。49隔爆隔爆型热电偶外形型热电偶外形厚壁保护管厚壁保护管压铸的接线盒压铸的接线盒电缆线电缆线50隔爆隔爆型热电偶型热电偶 结结构构特特点点：隔隔爆爆热热电电偶偶的的接接线线盒盒在在设设计计时时采采用用防防爆爆的的特特殊殊结结构构，它它的的接接线线盒盒是是经经过过压压铸铸而而成成的的，有有一一定定的的厚厚度度、隔隔爆爆空空间间，机机构构强强度度较较高高；采采用用螺螺纹纹隔隔爆爆接接合合面面，并并采采用用密密封封圈圈进进行行密密封封，因因此此，当当接接线线盒盒内内一一旦旦放放弧弧时时，不不会会与与外外界界环环境境的的危危险险气气体体传传爆爆，能能达达到预期的防爆、隔爆效果。到预期的防爆、隔爆效果。使使用用场场合合：工工业业用用的的隔隔爆爆型型热热电电偶偶多多用用于于化化学学工工业业自自控控系系统统中中（由由于于在在化化工工生生产产厂厂、生生产产现现场场常常伴伴有有各各种种易易燃燃、易易爆爆等等化化学学气气体体或或蒸蒸汽汽，如如果果用用普普通通热热电电偶则非常不安全、很容易引起环境气体爆炸）。偶则非常不安全、很容易引起环境气体爆炸）。512 2、热电偶的种类热电偶的种类 从从19881988年年1 1月月1 1日日起起，我我国国热热电电偶偶和和热热电电阻阻的的生生产产全全部部按按国国际际电电工工委委员员会会（IECIEC）的的标标准准，并并指指定定S S、B B、E E、K K、R R、J J、T T七七种种标标准准化化热热电电偶偶为为我我国国统统一一设设计计型型热热电电偶偶。但但其其中中的的R R型型（铂铂铑铑1313-铂铂）热热电电偶偶，因因其其温温度度范范围围与与S S型型（铂铂铑铑1010-铂）重合铂）重合,我国没有生产和使用。我国没有生产和使用。热热电电偶偶型型号号命命名名方方法法53几种常用热电偶的测温范围及热电势几种常用热电偶的测温范围及热电势分度号分度号 名称名称 测量温度范围测量温度范围 1000 C热电势热电势/mVB铂铑铂铑3030铂铑铂铑6 6501820 C C4.8344.834R铂铑铂铑1313铂铂-501768 C C10.50610.506S铂铑铂铑1010铂铂-501768 C C9.5879.587K镍铬镍铬镍铬镍铬(铝铝)-2701370 C C41.27641.276E镍铬铜镍镍铬铜镍(康康铜铜)270800 C C五、冷端处理及补偿五、冷端处理及补偿原因原因l热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定；使冷端温度保持恒定；l热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0为为依据，否则会产生误差。依据，否则会产生误差。1.1.冰点槽法冰点槽法把把热热电电偶偶的的参参比比端端置置于于冰冰水水混混合合物物容容器器里里，使使T0=0。这这种种办办法法仅仅限限于于科科学学实实验验中中使使用用。为为了了避避免免冰冰水水导导电电引引起起两两个个连连接接点点短短路路，必必须须把把连连接接点点分分别别置置于于两两个个玻玻璃璃试试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。2.2.补偿导线法补偿导线法利用补偿导线，将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场利用补偿导线，将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所所(如仪表室如仪表室)。根据根据中间温度定律中间温度定律，只要热电偶的两个热电极分别与，只要热电偶的两个热电极分别与两补偿导线的接点温度一致，就不会影响热电动势的两补偿导线的接点温度一致，就不会影响热电动势的输出。输出。例例 采用镍铬采用镍铬-镍硅热电偶测量炉温。热端温度为镍硅热电偶测量炉温。热端温度为800800，冷端温度为，冷端温度为5050。为了进行炉温的调节与显示，必须将热电偶产生的热电为了进行炉温的调节与显示，必须将热电偶产生的热电动势信号送到仪表室，仪表室的环境温度恒为动势信号送到仪表室，仪表室的环境温度恒为2020。首先由镍铬首先由镍铬-镍硅热电偶分度表查出它在冷端温度为镍硅热电偶分度表查出它在冷端温度为00，热端温度分别为，热端温度分别为800800、5050、2020时的热电动势：时的热电动势：E E(800(800，0)0)33.277mV33.277mV；E E(50(50，0)0)2.022mV2.022mV；E E(20(20，0)=0.798mV0)=0.798mV。如果热电偶与仪表之间直接用铜导线连接，根据中间导如果热电偶与仪表之间直接用铜导线连接，根据中间导体定律，输入仪表的热电动势为体定律，输入仪表的热电动势为 ：E E(800(800，50)=50)=E E(800(800，0)-0)-E E(50(50，0)0)=(33.277-2.022)mV=31.255mV=(33.277-2.022)mV=31.255mV 3.3.计算修正法计算修正法用室温计算出参比端实际温度用室温计算出参比端实际温度TH，利用公式计算，利用公式计算例例用铜用铜-康铜热电偶测某一温度康铜热电偶测某一温度T，参比端在室温环境，参比端在室温环境TH中，中，测得热电动势测得热电动势EAB(T，TH)=1.979mV，又用室温计测出，又用室温计测出TH=21,查此种热电偶的分度表可知，查此种热电偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.84mV，故得故得EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，T0)=2.819(mV)再次查分度表，与再次查分度表，与2.819mV对应的热端温度对应的热端温度T=69。EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)例例用用动动圈圈仪仪表表配配合合热热电电偶偶测测温温时时，如如果果把把仪仪表表的的机机械械零零点点调调到到室室温温TH的的刻刻度度上上,在在热热电电动动势势为为零零时时，指指针针指指示示的的温温度度值值并并不不是是0而而是是TH。而而热热电电偶偶的的冷冷端端温温度度已已是是TH,则则只只有有当当热热端端温温度度T=TH时时，才才能能使使EAB(T,TH)=0，这这样样，指指示示值值就就和和热热端端的的实实际际温温度度一一致