第七章-热电式传感器课件.ppt

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1、第第7章章 热电式传感器热电式传感器温度温度 电信号（电阻、电压、电流等）电信号（电阻、电压、电流等）热电阻热电阻 热电式传感器热电式传感器 PN结型热电式传感器结型热电式传感器 热电偶热电偶7.1 热电阻热电阻温度温度t 电阻电阻Rtn热电阻：热电阻：金属热电阻（铂热阻、铜热阻等）金属热电阻（铂热阻、铜热阻等）半导体热敏电阻（半导体热敏电阻（PTC、NTC、CTR）7.1.1.1 原理、结构和材料原理、结构和材料n原理：电阻原理：电阻-温度效应温度效应大多数金属导体的电阻都大多数金属导体的电阻都随温度而变化。电阻随温度而变化。电阻-温度特性方程：温度特性方程：Rt=R0(1+t+t2+)（7

2、-1）n热电阻热电阻感温元件感温元件纯金属材料，其纯金属材料，其性能要求性能要求：大则灵敏度高；大则灵敏度高；理化性能稳定；理化性能稳定；恒定，以保证线性关系；恒定，以保证线性关系；大，体积尺寸小；大，体积尺寸小；复现性好。复现性好。1.7.1.1 金属热电阻金属热电阻7.1.1 金属热电阻金属热电阻1铂热电阻（铂热电阻（WZP）结构材料：结构材料：0.020.07mm Pt丝绕在云母等绝缘骨架上丝绕在云母等绝缘骨架上（无感绕制），装入保护套管，接出引线；或箔式结构；薄（无感绕制），装入保护套管，接出引线；或箔式结构；薄膜式结构。膜式结构。0.098110 6 m；图图7-1 铂热电阻的结构铂

3、热电阻的结构7.1.1 金属热电阻金属热电阻 测温范围和应用测温范围和应用：259.34630.74；温度基准、标准用。温度基准、标准用。百度电阻比：百度电阻比：W(100)纯度；纯度；W(100)R100/R0 基准铂热电阻：基准铂热电阻：W(100)1.39256，纯度纯度99.9995；精度：精度：0.001 0.0001 工业用标准热电阻：工业用标准热电阻：W(100)1.391，精度：精度：2000，1；0100，0.5；100650，(0.5)t7.1.1 金属热电阻金属热电阻 电阻电阻温度关系：温度关系：Rt=R0(1+At+Bt2)0t650 Rt=R0(1+At+Bt2+C(

4、t 100)t3)200t0其中其中A、B、C与与W(100)有关，见附表有关，见附表7-1。在测温范围不大时，在测温范围不大时，基本线性。基本线性。分度号：分度号：Pt100，（R0=100）；）；Pt50，（R0=50）；）；Pt1000，（，（R0=1000）；）；等。等。分度表：分度表：见附表见附表7-1。7.1.1 金属热电阻金属热电阻2.铜热电阻（铜热电阻（WZC）结构材料：结构材料：Cu丝绕制，丝绕制，(4.254.28)10-3/0.01710-6 m；测温范围和应用：测温范围和应用：50100，工业用温度计；，工业用温度计；百度电阻比：百度电阻比：W(100)1.425，精度

5、：精度：5050，0.5，50100，(1)t 电阻温度特性：电阻温度特性：Rt=R0(1+t)，在测温范围内，在测温范围内线性线性。分度号：分度号：Cu100，Cu50，等。，等。分度表：分度表：见附表见附表7-2 另外，铁、镍材料也可制作热电阻温度计。另外，铁、镍材料也可制作热电阻温度计。7.1.1 金属热电阻金属热电阻 7.1.1.2 热电阻测量线路热电阻测量线路 直流电桥直流电桥线路，主要考虑其引线电阻和接触电阻影响，线路，主要考虑其引线电阻和接触电阻影响，常采用三线接法和四线接法。如图常采用三线接法和四线接法。如图7-2、图、图7-3所示。所示。其次考虑工作电流的热效应影响，工作电流

6、其次考虑工作电流的热效应影响，工作电流10mA。图图72 热电阻测温电桥的三线连接热电阻测温电桥的三线连接法法7.1.1 金属热电阻金属热电阻 图图7-3 热电阻测温电桥的四线连接法热电阻测温电桥的四线连接法7.1.1 金属热电阻金属热电阻 7.1.1.3 热电阻的应用热电阻的应用 1铂热电阻测温铂热电阻测温 恒压工作的铂热电阻测温电路如图恒压工作的铂热电阻测温电路如图7-4（a）所示。）所示。热电阻选用热电阻选用TRRA1023B(Pt1000)，R01000 ；传感器工作电压传感器工作电压UB10Ve1。测温电桥输出：测温电桥输出：可得可得10mV/的电压灵敏度。的电压灵敏度。；7.1.1

7、 金属热电阻金属热电阻 图图74 恒压工作铂恒压工作铂热电阻测温电路热电阻测温电路（a）测温电路；）测温电路；（b）直流）直流/交流变换器电路交流变换器电路7.1.1 金属热电阻金属热电阻 恒流工作的铂热电阻测温电路如图恒流工作的铂热电阻测温电路如图7-5所示。传感器的工作所示。传感器的工作电流约为电流约为1mA，此时传感器的灵敏度约为，此时传感器的灵敏度约为3mV/，一般运放，一般运放都可选用。都可选用。图图7-5 恒流工作铂恒流工作铂热电阻测温热电阻测温电路电路7.1.1 金属热电阻金属热电阻 2热电阻数字温度计热电阻数字温度计热电阻数字温度计测温电路如图热电阻数字温度计测温电路如图7-7

8、所示。测温电桥输出信所示。测温电桥输出信号经号经MAX138A/D转换，数字显示。转换，数字显示。图图7-7 热电阻数字温度计电路热电阻数字温度计电路 MAX138A/D转换器与转换器与ICL7106比较，增加了如下功比较，增加了如下功能：能：片内设置有负电源转换器，片内设置有负电源转换器，因此可以单电源供电；因此可以单电源供电；工作电源电压范围宽工作电源电压范围宽（2.57V）；）；片内设置有振荡电路。片内设置有振荡电路。7.1.1 金属热电阻金属热电阻n差动输出传感器信号适宜与差动输出传感器信号适宜与MAX138等等A/D转换连接，实现转换连接，实现数字测量。数字测量。MAX138、ICL

9、7106、ICL7107等等A/D转换器的转转换器的转换精度是三位半，与二进制换精度是三位半，与二进制10位位A/D转换器的转换精转换器的转换精度相当。度相当。线性化测温电路如图线性化测温电路如图7-10所示。所示。图图7-10 线性化测温电路线性化测温电路7.1.1 金属热电阻金属热电阻 3A/D转换器比例工作的热电阻温度测量电路转换器比例工作的热电阻温度测量电路 测温电路如图测温电路如图7-11、图、图7-12所示。所示。图图7-11 A/D转换比例工作电路转换比例工作电路图图7-12 铂电阻铂电阻A/D转换测温电路转换测温电路 7.1.2 半导体热敏电阻半导体热敏电阻热敏电阻的类型：热敏

10、电阻的类型：PTC，温度控制，限流元件；，温度控制，限流元件；NTC，温度测量，补偿元件；，温度测量，补偿元件；CTR，温度开关元件。，温度开关元件。热敏电阻温度曲线如图热敏电阻温度曲线如图7-13所示。所示。图图7-13 热敏电阻特性曲线热敏电阻特性曲线7.1.2 半导体热敏电阻半导体热敏电阻7.1.2.1 热敏电阻主要特性热敏电阻主要特性(NTC热敏电阻热敏电阻)1电阻温度特性电阻温度特性 T020(293K)R0=R20(额定电阻额定电阻)；T1T100 R1R100；(20006000)K B热敏电阻常数。热敏电阻常数。热敏电阻温度系数：热敏电阻温度系数：若若B4000K，T323K(

11、50)，则，则 3.8/，大！，大！图图7-14 NTC热敏电阻温度特性热敏电阻温度特性若：若：7.1.2 半导体热敏电阻半导体热敏电阻2.伏伏-安特性安特性 在稳态下，通过热敏电阻的电流在稳态下，通过热敏电阻的电流I与其两端之间的电压与其两端之间的电压U的的关系，称为热敏电阻的关系，称为热敏电阻的伏伏-安特性安特性。如图。如图7-15所示。所示。当电流很小时，不足以使热敏电阻产生温升，则其电阻当电流很小时，不足以使热敏电阻产生温升，则其电阻值只决定于环境温度，伏值只决定于环境温度，伏-安特性安特性呈呈线性线性，遵循欧姆定律，主要用，遵循欧姆定律，主要用于测温。于测温。当电流增大到一定值时，当

12、电流增大到一定值时，使热敏电阻产生温升，会出使热敏电阻产生温升，会出现现负阻特性负阻特性。图图7-15 热敏电阻伏安特性热敏电阻伏安特性 7.1.2 半导体热敏电阻半导体热敏电阻3安安-时特性时特性 热敏电阻的热敏电阻的电流电流-时间时间曲线如图曲线如图7-16所示，表示热敏电阻所示，表示热敏电阻在不同的外加电压下，电流达到稳定最大值所需要时间。在不同的外加电压下，电流达到稳定最大值所需要时间。这是一热平衡过程，一般为这是一热平衡过程，一般为0.51s。图图7-16 热敏电阻安热敏电阻安-时特性时特性7.1.2 半导体热敏电阻半导体热敏电阻7.1.2.2 热敏电阻的主要技术参数热敏电阻的主要技

13、术参数 1标称电阻值标称电阻值RH，(250.2)时的电阻值，又称冷电阻。时的电阻值，又称冷电阻。2电阻温度系数电阻温度系数，温度变化，温度变化1时，热敏电阻阻值的变化时，热敏电阻阻值的变化率（率（/）。）。3耗散系数耗散系数H，热敏电阻温度与周围介质温度相差热敏电阻温度与周围介质温度相差1时所时所耗散的功率耗散的功率(W/)。4热容热容c，热敏电阻温度变化热敏电阻温度变化1时所需吸收或释放的热量时所需吸收或释放的热量（J/）。）。5能量灵敏度能量灵敏度G(H/)100，使热敏电阻的阻值变化，使热敏电阻的阻值变化1%时所需耗散的功率时所需耗散的功率(W)。6时间常数时间常数 cH，温度为，温度

14、为T0的热敏电阻突然置于温度为的热敏电阻突然置于温度为T的介质中，热敏电阻的温度增量的介质中，热敏电阻的温度增量 T=0.632(T T0)时所需的时间时所需的时间(s)。7.1.2 半导体热敏电阻半导体热敏电阻7.1.2.3 热敏电阻的应用热敏电阻的应用 热敏电阻的热敏电阻的优点：优点：温度系数大，灵敏度高；热容量小，温度系数大，灵敏度高；热容量小，响应快，分辨率高；价格便宜等。响应快，分辨率高；价格便宜等。缺点：缺点：互换性差，热电互换性差，热电特性非线性大等。主要用于温度的测量、控制，温度补特性非线性大等。主要用于温度的测量、控制，温度补偿，流速（或流量）测量等。偿，流速（或流量）测量等

15、。1.流量测量流量测量 基于流体基于流体流速流速（流量）与（流量）与散热散热关系，利用热敏电阻桥式电路测关系，利用热敏电阻桥式电路测流体流速（或流量），如图流体流速（或流量），如图7-17所示。所示。图图7-17 热敏电阻流量计热敏电阻流量计7.1.2 半导体热敏电阻半导体热敏电阻2.温度控制温度控制 利用热敏电阻的温度控制电路如图利用热敏电阻的温度控制电路如图7-18所示所示。图图7-18 温度控制电路温度控制电路7.1.2 半导体热敏电阻半导体热敏电阻3温度上、下限报警温度上、下限报警 热敏电阻温度上、下限报警电路如图热敏电阻温度上、下限报警电路如图7-19所示。所示。图图7-19 温度上

16、下限报警电路温度上下限报警电路7.1.2 半导体热敏电阻半导体热敏电阻4温度测量温度测量 图图7-20是利用是利用NTC热敏电阻组成的热敏电阻组成的0100的测温电的测温电路，相应的输出电压为路，相应的输出电压为05V，其灵敏度为，其灵敏度为50mV/。图图7-20 温度测量电路温度测量电路5热电偶温度冷端补偿热电偶温度冷端补偿 后面介绍。后面介绍。7.2 pn结型温度传感器结型温度传感器7.2.1 二极管温度传感器二极管温度传感器(恒流正向应用恒流正向应用)PN结伏安特性：结伏安特性：则则式中，式中，IPN结正向电流；结正向电流；UPN结正向压降；结正向压降；IsPN结结反向饱和电流；反向饱

17、和电流；q电子电量（电子电量（1.6 10 19C）；）；T绝对温度；绝对温度；k玻尔兹曼常数（玻尔兹曼常数（1.38 10-23J/K）。）。保持保持I恒定，则恒定，则U与与T成线性关系，这就是成线性关系，这就是PN结的测温原结的测温原理，其灵敏度理，其灵敏度7.2 pn结型温度传感器结型温度传感器7.2.2 晶体管温度传感器晶体管温度传感器 将将NPN型晶体管的型晶体管的bc结短接，利用结短接，利用be结作为感温器件，结作为感温器件，接近接近PN结理想特性，如图结理想特性，如图7-21所示所示测温原理测温原理。图图7-21 晶体管温度传感器晶体管温度传感器 7.2 pn结型温度传感器结型温

18、度传感器7.2.3 集成温度传感器集成温度传感器 一只晶体管发射极电流密度一只晶体管发射极电流密度Je通常通常a 1，JeJs，则，则若图若图7-22中，中，Js1Js2,a1a2，则图中，则图中 只要只要Je1，Je2（I1，I2）均为恒流，则）均为恒流，则 Ube与与T成线性关成线性关系系测温原理测温原理。图图7-22 集成温度感温点电路集成温度感温点电路 7.2 pn结型温度传感器结型温度传感器集成温度传感器主要类型：集成温度传感器主要类型：电压型，三线制，电压型，三线制，ku10mV/，LM34/35，LM135/235，；电流型，两线制，电流型，两线制，kI1 A/K，AD590/5

19、92，LM134/234，；数字输出型，数字输出型，TMP03/04，AD7416,；电阻可编程温度控制器，电阻可编程温度控制器，AD22105，TMP01，；等。等。7.2 pn结型温度传感器结型温度传感器AD590电流型集成温度传感器电流型集成温度传感器（图（图7-23）测温原理：测温原理：晶体管对晶体管对T3 T4使使IT分为分为I1=I2，起恒流作用；，起恒流作用；T1,T2起感起感温温作用；作用；T1由由8只与只与T2相同的晶体相同的晶体管并联而成，因此，管并联而成，因此，T2中的电流中的电流密度密度J2为为T1中的电流密度中的电流密度J1的的8倍，即倍，即 J28J1 图图7-23

20、 输出电流正比于绝对温度的输出电流正比于绝对温度的AD590温度敏感电路温度敏感电路7.2 pn结型温度传感器结型温度传感器 Ube1和和Ube2反极性串接施加在电阻反极性串接施加在电阻R上，则上，则R上电压为：上电压为：通过通过R的电流的电流 ，IT 2I1，若取，若取R358，则则 kTIT/T2179/3581(A/K)所以所以 ITkTT 7.2 pn结型温度传感器结型温度传感器AD590的特性：的特性：1）伏安特性）伏安特性 当当U=430V时，理想恒流源，电流只随温度时，理想恒流源，电流只随温度T变化；变化；2）温度特性）温度特性 55150，IT与与T有较好的线性，输出电流灵敏度

21、有较好的线性，输出电流灵敏度kI1 A/K；非线性误差为；非线性误差为 T(0.33)；3）精度：）精度：可达可达 0.5图图7-24 AD590基本特性曲线基本特性曲线7.2 pn结型温度传感器结型温度传感器7.2.4 集成温度传感器的典型应用集成温度传感器的典型应用 1测量温度测量温度 AD590远程温度测量远程温度测量 如图如图7-25所示。所示。图图7-25 AD590摄氏温度测量电路摄氏温度测量电路7.2 pn结型温度传感器结型温度传感器 数字温度计数字温度计 如图如图7-26所示。所示。图图7-26 XSW-1型数字温度计型数字温度计7.2 pn结型温度传感器结型温度传感器 2.测

22、量温差测量温差 如图如图7-27所示。所示。I=IT1 IT2kT(T1 T2)；U0IR3kTR3(T1 T2)f(T1 T2)图图7-27 AD590温差测量电路温差测量电路7.2 pn结型温度传感器结型温度传感器3测最低温度测最低温度 AD590串连，如图串连，如图7-28所示；所示；4测平均温度测平均温度 AD590并连，如图并连，如图7-28所示。所示。图图728 AD590测最低温度、平均温度测最低温度、平均温度7.2 pn结型温度传感器结型温度传感器5.温度控制温度控制 AD590作为温度控制的感温元件，如图作为温度控制的感温元件，如图7-29所示所示图图7-29 AD590温度

23、控制系统温度控制系统7.3 热电偶热电偶7.3.1 热电偶的工作原理热电偶的工作原理 热电效应：热电效应：将两种不同的导体（金属或合金）将两种不同的导体（金属或合金）A和和B组成组成一个闭合回路（称为热电偶，见图一个闭合回路（称为热电偶，见图7-30），若两接触点温度），若两接触点温度(T,T0)不同，则回路中有一定大小电流，表明回路中有电势不同，则回路中有一定大小电流，表明回路中有电势产生，该现象称为产生，该现象称为热电动势效应热电动势效应或塞贝克或塞贝克(Seebeck)效应。回效应。回路中的电势称为路中的电势称为热电势热电势或塞贝克电势，用或塞贝克电势，用EAB(T,T0)或或EAB(t

24、,t0)表示。表示。EAB(T,T0)=EAB(t,t0)热电效应热电效应 热电势热电势EAB(T,T0)或或EAB(t,t0)图图7-30 热电效应热电效应热电偶：热电偶：热电极（导体热电极（导体A、B）；）；测量端（热端或工作端）测量端（热端或工作端）T(t)；参考端（冷端或自由端）参考端（冷端或自由端）T0(t0)。7.3.1 热电偶的工作原理热电偶的工作原理1Peltier效应效应接触电势接触电势 自由电子自由电子密度不同密度不同的两种金属接触处，由于电子的的两种金属接触处，由于电子的扩散扩散现象在接触点处形成接触电势或现象在接触点处形成接触电势或Peltier电势，此现象称为电势，此

25、现象称为Peltier效应。接触电势为效应。接触电势为总接触电势：总接触电势：图图7-31 热电效应示意图热电效应示意图7.3.1 热电偶的工作原理热电偶的工作原理2Thomson效应效应温差电势温差电势 均质导体，两端均质导体，两端温度不相等温度不相等时，由于体内自由电子从高时，由于体内自由电子从高温端向低温端的温端向低温端的扩散扩散，在其两端形成的电势称为温差电势，在其两端形成的电势称为温差电势或或Thomson电势，此现象称为电势，此现象称为Thomson效应。效应。导体导体A中的中的Thomson电势：电势：导体导体B中的中的Thomson电势：电势：回路中总的回路中总的Thomson

26、电势：电势：式中，式中，A、B分别为导体分别为导体A、B中的中的Thomson系数。系数。7.3.1 热电偶的工作原理热电偶的工作原理n综合考虑综合考虑A、B组成的热电偶回路，当组成的热电偶回路，当TT0时，总的热电势为时，总的热电势为 讨论：讨论：如果热电偶两电极材料相同如果热电偶两电极材料相同(nAnB，A=B),两接点温度不同，不会两接点温度不同，不会产产生热生热电势；电势；如果两电极材料不同，但两接点温度相同如果两电极材料不同，但两接点温度相同(T=T0)，也不会产生热电势；，也不会产生热电势；热偶工作产生热电势的基本条件：两电极材料不同，两接点温度不同。热偶工作产生热电势的基本条件：

27、两电极材料不同，两接点温度不同。热电势大小与热电极的几何形状和尺寸无关。热电势大小与热电极的几何形状和尺寸无关。当两热电极材料不同，且当两热电极材料不同，且A、B固定（即固定（即nA、nB、A、B为常数），为常数），热电势便为两接点温度（热电势便为两接点温度（T，T0）的函数）的函数 （T0恒定）恒定）这就是热电偶的这就是热电偶的测温原理测温原理。热电势的极性：热端失去电子为正，获得电子为负，且有热电势的极性：热端失去电子为正，获得电子为负，且有7.3.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律 1.均质导体定律均质导体定律 要求热电极材质均匀，克服因热电极上各点温度不同时造要求热电极材质均匀，克服

28、因热电极上各点温度不同时造成附加误差。成附加误差。2.中间导体定律中间导体定律 热偶回路断开接入第三种导体热偶回路断开接入第三种导体C，若，若C两端温度相同，则两端温度相同，则回路热电势不变，这为热电势的测量（接入测量仪表，第回路热电势不变，这为热电势的测量（接入测量仪表，第三导体）奠定理论基础，见图三导体）奠定理论基础，见图7-32。图图7-32 热电偶测温热电偶测温电路原理图电路原理图7.3.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律3.中间温度定律中间温度定律若若T00，4.标准（参考）电极定律标准（参考）电极定律 标准电极定律原理如图标准电极定律原理如图7-33所示。所示。以以C作为标准电极

29、作为标准电极(一般一般C为铂为铂)，构建热偶，构建热偶A、B。图图7-33 标准电极定律示意图标准电极定律示意图例例：则则7.3.3 热电偶的种类和结构热电偶的种类和结构7.3.3.1 热电极材料和类型热电极材料和类型 1热电极材料的基本要求热电极材料的基本要求 热电极是感温元件，物理性质见表热电极是感温元件，物理性质见表7-1，基本要求：，基本要求：热电势足够大，测温范围宽、线性好；热电势足够大，测温范围宽、线性好；热电特性稳定；热电特性稳定；理化性能稳定，不易氧化、变形和腐蚀；理化性能稳定，不易氧化、变形和腐蚀；电阻温度系数电阻温度系数 、电阻率、电阻率 小；小；易加工、复制性好；易加工、

30、复制性好；价廉价廉 2 热电偶类型热电偶类型 标准化热电偶及其参数表标准化热电偶及其参数表7-2，分度表及计算公式：见附表分度表及计算公式：见附表3附表附表67.3.3 热电偶的种类和结构热电偶的种类和结构7.3.3.2 热电偶的结构热电偶的结构 热电偶接点焊接要求和焊接方法（不引入第三种材料，热电偶接点焊接要求和焊接方法（不引入第三种材料，接点大小适当）；电极之间绝缘。见图接点大小适当）；电极之间绝缘。见图7-34。图图7-34 热电偶电极的绝缘方法热电偶电极的绝缘方法（a）裸线热电偶；（）裸线热电偶；（b）珠形绝缘热电偶；）珠形绝缘热电偶；（c）双孔绝缘子热电偶；（）双孔绝缘子热电偶；（d

31、）石棉绝缘管热电偶）石棉绝缘管热电偶7.3.3 热电偶的种类和结构热电偶的种类和结构 1.普通型热电偶普通型热电偶普通型热电偶结构见图普通型热电偶结构见图7-35。图图7-35 普通型热电偶结构普通型热电偶结构7.3.3 热电偶的种类和结构热电偶的种类和结构2铠装热电偶铠装热电偶 铠装热电偶结构见图铠装热电偶结构见图7-36。图图7-36 铠装热电偶工作端结构铠装热电偶工作端结构（a）单芯结构；（）单芯结构；（b）双芯碰底型；（）双芯碰底型；（c）双芯不碰底型；）双芯不碰底型；（d）双芯露头型；（）双芯露头型；（e）双芯帽型）双芯帽型7.3.3 热电偶的种类和结构热电偶的种类和结构3薄膜热电偶

32、薄膜热电偶 薄膜热电偶电极为厚度薄膜热电偶电极为厚度0.010.1 m薄膜构成，见图薄膜构成，见图7-37图图7-37 铁铁-镍薄膜热电偶镍薄膜热电偶7.3.4 热电偶的冷端补偿及处理热电偶的冷端补偿及处理n热偶标准分度表是以热偶标准分度表是以T00为参考温度条件下测试制定为参考温度条件下测试制定的，若的，若T00，则应进行，则应进行冷端补偿冷端补偿，其补偿方法：，其补偿方法：1.延长导线法延长导线法 利用补偿导线代替热电极，引到温度较稳定的利用补偿导线代替热电极，引到温度较稳定的T0端测端测试。试。要求：在一定的温度范围内，补偿导线与配对的热电偶要求：在一定的温度范围内，补偿导线与配对的热电

33、偶具有相同或相近的热电特性。具有相同或相近的热电特性。2.0恒温法恒温法 将热电偶冷端将热电偶冷端置于冰水混合物的置于冰水混合物的0恒温器内，使其工作恒温器内，使其工作与分度状态达到一致。与分度状态达到一致。7.3.4 热电偶的冷端补偿及处理热电偶的冷端补偿及处理n图图7-38是延长导线法和是延长导线法和0恒温法的一个实例恒温法的一个实例。图图7-38 冷端处理的延长导线法和冷端处理的延长导线法和0恒温恒温法法7.3.4 热电偶的冷端补偿及处理热电偶的冷端补偿及处理3.冷端温度修正法冷端温度修正法（1）热电势修正法）热电势修正法 利用中间温度定律利用中间温度定律式中，式中，Tn 热电偶测温时的

34、是环境温度；热电偶测温时的是环境温度；EAB(T，Tn）是实测热）是实测热电势；电势；EAB(Tn，0)是冷端修正值。是冷端修正值。例如：铂铑例如：铂铑10铂热电偶测温，参考冷端温度为室铂热电偶测温，参考冷端温度为室21，测，测得得查表查表，则则由此查分度表由此查分度表 T92 若直接用若直接用0.465mV查表，则查表，则T75。也不能将也不能将752196作为实际温度。作为实际温度。7.3.4 热电偶的冷端补偿及处理热电偶的冷端补偿及处理（2）温度修正法）温度修正法 由实测热电势由实测热电势EAB（T，Tn）查表，得）查表，得T 真实温度为：真实温度为：TT kTn式中，式中，k为热电偶修

35、正系数，决定于热电偶于热电偶种类和为热电偶修正系数，决定于热电偶于热电偶种类和被测温度范围，见表被测温度范围，见表7-4。例如前例：例如前例：实测实测EAB(T，Tn)=0.465mV，查分度表查分度表T=75；查修正系数表查修正系数表7-4，此时该热电偶的，此时该热电偶的k=0.82，Tn=21，则实，则实际温度际温度T=75+0.8221=92.2与前面结果基本一致。这种修正方法工程上应用较与前面结果基本一致。这种修正方法工程上应用较广泛。广泛。7.3.4 热电偶的冷端补偿及处理热电偶的冷端补偿及处理4、冷端温度自动补偿法、冷端温度自动补偿法（1）电桥补偿法）电桥补偿法 原理：原理：电桥输

36、出电压电桥输出电压U(t0,0)=EAB(t0,0)，自动补偿。，自动补偿。补偿电路：补偿电路：如图如图7-39所示。图中所示。图中R1、R2、R3、RW为锰铜电阻，阻值为锰铜电阻，阻值几乎不随温度变化，几乎不随温度变化，RCu为铜电阻，电阻值随温度升高而增大。为铜电阻，电阻值随温度升高而增大。t0=0时，时，R1=R2=R3=RCu，电桥输出，电桥输出Uab=0，对热电偶电势无影响。，对热电偶电势无影响。t00时，时，Uab0，Uab=U(t0,0)=EAB(t0,0)，热电偶的热电势得到自动，热电偶的热电势得到自动补偿。补偿。图图7-39 冷端温度补偿线路图冷端温度补偿线路图7.3.4 热

37、电偶的冷端补偿及处理热电偶的冷端补偿及处理（2）PN结冷端补偿结冷端补偿 PN结冷端补偿电路如图结冷端补偿电路如图7-40所示。所示。PN结温度系数结温度系数 2.2mV/，其补偿电压，其补偿电压 U。设设EAB(T0,0)=k1T0，k1 为热电偶在为热电偶在0附近附近灵敏度，则回路电势为：灵敏度，则回路电势为：EAB(T,0)EAB(T0,0)U=EAB(T,0)k1T0 UD/n 而而 UD=U0 2.2T0 式中，式中，UD二极管二极管D的的PN结端电压；结端电压；U0PN结结在在0时的端电压，时的端电压，(硅管约为硅管约为700mV)；n电电位器位器RW的分压比。的分压比。令令 k1

38、=2.2/n，则，则 EAB(T,0)UD/n=EAB(T,0)700/n与冷端温度变化无关，得到自动补偿。与冷端温度变化无关，得到自动补偿。图图7-40 PN结冷端温度补偿器结冷端温度补偿器 7.3.4 热电偶的冷端补偿及处理热电偶的冷端补偿及处理（3）AD590冷端温度补偿法冷端温度补偿法 AD590冷端温度补偿电路如图冷端温度补偿电路如图7-41所示。所示。图图7-41 AD590冷端补偿应用冷端补偿应用7.3.5 热电偶热电势测量及其误差分析热电偶热电势测量及其误差分析7.3.5.1 热电偶的热电势测量热电偶的热电势测量 1伺服式温度表伺服式温度表 测量原理：测量原理：电位补偿法电位补

39、偿法 Ex=I RH 常用低电势电位差计，如常用低电势电位差计，如UJ31进行测量，分辨率可达到进行测量，分辨率可达到 V数量级。数量级。图图7-42 电位差计原理图电位差计原理图7.3.5 热电偶热电势测量及其误差分析热电偶热电势测量及其误差分析2数字式温度表数字式温度表 热电偶的热电势热电偶的热电势 信号放大（仪用放大器）信号放大（仪用放大器）A/D 数字显示。数字显示。注意：注意：对热电偶的热电势的线性校正和冷端补偿，可采对热电偶的热电势的线性校正和冷端补偿，可采用硬件或软件来实现。用硬件或软件来实现。7.3.5 热电偶热电势测量及其误差分析热电偶热电势测量及其误差分析7.3.5.2 误

40、差分析误差分析 1测量基本误差：测量基本误差：（1）分度误差：工业用热偶与标准热偶分度之间误差；）分度误差：工业用热偶与标准热偶分度之间误差；（2）仪表误差：测量仪表引入测量误差；）仪表误差：测量仪表引入测量误差；（3）冷端处理误差；）冷端处理误差；（4）接线误差：接线电阻影响，应选高内阻测量仪表；）接线误差：接线电阻影响，应选高内阻测量仪表；（5）漏电误差，必须保证良好绝缘。）漏电误差，必须保证良好绝缘。2传热误差传热误差 热偶测温存在热交换平衡问题，存在热电偶测量端温度热偶测温存在热交换平衡问题，存在热电偶测量端温度低于被测介质温度现象，称为传热误差，应尽量减少热偶低于被测介质温度现象，称

41、为传热误差，应尽量减少热偶的热量损失。的热量损失。7.3.5 热电偶热电势测量及其误差分析热电偶热电势测量及其误差分析3动态误差动态误差 （1）动态响应：）动态响应：牛顿冷却定律：向感温元件传热的速度正比于周围介质与元牛顿冷却定律：向感温元件传热的速度正比于周围介质与元件间的温差。令件间的温差。令 ，得，得式中，式中，T介质真实温度；介质真实温度；Tj热接点温度热接点温度 这是一个一阶系统，其动态特性第这是一个一阶系统，其动态特性第1章中已讲述。章中已讲述。7.3.5 热电偶热电势测量及其误差分析热电偶热电势测量及其误差分析 测量恒定温度测量恒定温度 将热电偶从室温将热电偶从室温T0迅速插入温

42、度为迅速插入温度为T的温度场中，其响应的温度场中，其响应Tj为为 式中，式中，t时间；时间；热电偶时间常数。热电偶时间常数。若当若当t=0时，时，T0=0,则则 上式第一项为输入量，即被测温度；第二项为动态误上式第一项为输入量，即被测温度；第二项为动态误差。差。愈大，测量值达到实际温度值的时间愈长，动态误差愈大，测量值达到实际温度值的时间愈长，动态误差也就愈大。也就愈大。7.3.5 热电偶热电势测量及其误差分析热电偶热电势测量及其误差分析 测量线性上升温度测量线性上升温度 设被测温度为设被测温度为 T=T0+kt 则热电偶的响应则热电偶的响应 Tj=T0+kt kt(1 e t/）测正弦变化曲

43、线测正弦变化曲线 设被测温度为设被测温度为 T=T0+TAsint当当t 5 时，达到稳定状态时，达到稳定状态其中，其中，=arctan-1()。值愈大，热电偶温度响应的振幅愈值愈大，热电偶温度响应的振幅愈小，相为滞后小，相为滞后 角愈大。角愈大。7.3.5 热电偶热电势测量及其误差分析热电偶热电势测量及其误差分析 （2）减小动态误差的方法）减小动态误差的方法 关键是减小关键是减小。选用选用v/F较小接点较小接点 选用选用c，较小的热电极材料较小的热电极材料 采用采用RC微分网络进行校正微分网络进行校正图图7-43 采用采用RC微分校正网络校正热电偶的动态特性微分校正网络校正热电偶的动态特性7

44、.3.5 热电偶热电势测量及其误差分析热电偶热电势测量及其误差分析 裸丝热电偶传递函数为裸丝热电偶传递函数为 RC网络网络(如图如图7-43所示所示)传递函数为传递函数为 系统总传递函数为系统总传递函数为 ,(1=2=)取上式逆拉氏变换，可得取上式逆拉氏变换，可得 其中其中 =1=2，为测试系统时间常数。，为测试系统时间常数。该系统仍有一定热惯性，若使该系统仍有一定热惯性，若使 1，则，则 很小，从而大大减小动很小，从而大大减小动态误差。态误差。7.3.6 热电偶测温实例热电偶测温实例 0600K型热电偶温度计如图型热电偶温度计如图7-44所示。所示。AD592作冷端补偿；放大电路；线性化电路

45、。可获得作冷端补偿；放大电路；线性化电路。可获得10mV/的输出的输出电压灵敏度，则电压灵敏度，则Uout=06000mV。图图7-44 K型热电偶测温电路（型热电偶测温电路（0600）第第7章章 热电式传感器热电式传感器n作业作业:7-1，7-6，7-16，7-17，7-18，7-19；7-9，7-20，7-21，7-24，7-25，7-26；n选作：选作：7-28，7-29第第7章章 热电式传感器热电式传感器补充作业：补充作业：n1.用用K型热电偶测某设备的温度，测得的热电势为型热电偶测某设备的温度，测得的热电势为20mV，冷端（室温）为，冷端（室温）为25C，求设备的温度，求设备的温度?

46、如果改用如果改用S型热电偶来测温，在相同的条件下，型热电偶来测温，在相同的条件下，S型热电偶测得的型热电偶测得的热电势为多少热电势为多少?n2.现用一支镍铬现用一支镍铬-铜镍热电偶测某换热器内的温度，其铜镍热电偶测某换热器内的温度，其冷端温度为冷端温度为30，显示仪表的机械零位在，显示仪表的机械零位在0时，这时时，这时指示值为指示值为400，则认为换热器内的温度为，则认为换热器内的温度为430对不对对不对?为什么为什么?正确值为多少度正确值为多少度?n3.有一台数字电压表，其分辨力为有一台数字电压表，其分辨力为100 V/1个字，现与个字，现与Cul00热电阻配套应用，测量范围为热电阻配套应用，测量范围为0100，试设计，试设计一个标度变换电路，使数字表直接显示温度数值。一个标度变换电路，使数字表直接显示温度数值。