热电偶传感器与其应用课件

第第5 5章章 热电偶传感器及其应用热电偶传感器及其应用 本章学习的主要内容有本章学习的主要内容有:1、理解热电偶的工作原理；、理解热电偶的工作原理；热电偶的分类及特点；热电偶的分类及特点；2、热电偶的冷端补偿和测温电路。、热电偶的冷端补偿和测温电路。3、热电偶的应用及配套仪表。、热电偶的应用及配套仪表。2024/7/51热电偶是工程上应用最广泛的热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器温度传感器。它构。它构造简单造简单,使用方便使用方便,具有较高的准确度、稳定性具有较高的准确度、稳定性及复现性及复现性,温度测量范围宽温度测量范围宽,在温度测量中占有在温度测量中占有重要的地位。重要的地位。热电偶传感器是一种能将热电偶传感器是一种能将温度温度转换为转换为电动势电动势的装的装置。置。2024/7/52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：2024/7/53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 A5.15.1 热电偶的工作原理热电偶的工作原理 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 18211821年，德国物理学家年，德国物理学家赛贝克赛贝克用两种不同金属组用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在回路中的为结点），发现放在回路中的指针发生偏转指针发生偏转（说明（说明什么？），如果用两盏酒精灯对两个结点什么？），如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，同时加热，指针的偏转角反而减小指针的偏转角反而减小（又说明什么？）。（又说明什么？）。显然，指针的偏转说明回路中有电动势产生并有显然，指针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差温差有关。有关。2024/7/542024/7/55一、工作原理一、工作原理1 1热电效应热电效应 将将两种不同材料的导体两种不同材料的导体串接成一个闭合回路。串接成一个闭合回路。如果如果两接合点的温度不同两接合点的温度不同(TT(TT0 0)，则在两者间，则在两者间将产生电动势将产生电动势(热电势热电势)，而在回路中就会有一，而在回路中就会有一定大小的电流，这种现象称为定大小的电流，这种现象称为热电效应热电效应或或塞贝塞贝克效应克效应。2024/7/56两种不同材料的导体组成的回路称为两种不同材料的导体组成的回路称为“热电偶热电偶”，组成热电偶的导体称为组成热电偶的导体称为“热电极热电极”。热电偶产生的。热电偶产生的电势称为电势称为热电势热电势。左端称为：左端称为：测量端、测量端、工作端、工作端、热端。热端。右端称为：右端称为：自由端、自由端、参考端、参考端、冷端。冷端。热电极热电极A A热电极热电极B B理论分析表明：理论分析表明：热电偶产生的热电动势是由两种导体的热电偶产生的热电动势是由两种导体的接触接触电动势电动势和单一导体和单一导体温差电动势温差电动势两部分组成。两部分组成。2024/7/572024/7/58 不同的金属材料其自不同的金属材料其自由电子的密度不同。由电子的密度不同。设导体设导体A A、B B的自由电的自由电子密度为子密度为nA A、nB B，若若nA AnB B 由于两种不同导体的自由电子密度不同，在接由于两种不同导体的自由电子密度不同，在接触处会发生触处会发生自由电子的扩散自由电子的扩散形成的电动势。形成的电动势。2 2接触电动势接触电动势导体导体A A 因失去电因失去电子而带正电子而带正电导体导体B B则因获得则因获得电子而带负电电子而带负电接触面处接触面处形成电场形成电场2024/7/59 该电场的存在阻碍了电子的继续扩散，当电子扩散该电场的存在阻碍了电子的继续扩散，当电子扩散达到动态平衡时，就在接触区形成一个稳定的电位达到动态平衡时，就在接触区形成一个稳定的电位差，即差，即接触电动势接触电动势，其大小为：，其大小为：T T 接触处的绝接触处的绝对温度；对温度；k k 波尔兹曼常波尔兹曼常数（数（k=1.38k=1.381010-2323J/KJ/K）e e 电子电荷（电子电荷（e e=1.6=1.61010-19-19C C）接触电动势的数值取决于两种导体的接触电动势的数值取决于两种导体的性质性质和和接接触点的温度触点的温度，而与导体的形状及尺寸无关。，而与导体的形状及尺寸无关。2024/7/510高温端的自由电子高温端的自由电子具有较大的动能而具有较大的动能而向低温端扩散。向低温端扩散。在在同一导体同一导体中，由于中，由于温度不同温度不同而产生的一种电动势。而产生的一种电动势。3 3同一导体中的温差电动势同一导体中的温差电动势高温端因失去高温端因失去电子而带正电电子而带正电低温端因获得低温端因获得电子而带负电电子而带负电中间形成中间形成电位差电位差 上述运动就形成一个静电场，该静电场阻止电子继续上述运动就形成一个静电场，该静电场阻止电子继续向低温端迁移，最后达到动态平衡。因此向低温端迁移，最后达到动态平衡。因此,在导体两在导体两端便形成端便形成温差电动势温差电动势,其大小由下面公式给出：其大小由下面公式给出：2024/7/511：汤姆逊系数，表示导体汤姆逊系数，表示导体A A两端的温度差为两端的温度差为11时所产生的温差电动势。时所产生的温差电动势。2024/7/512 热电偶回路中总的热电势应是热电偶回路中总的热电势应是接触电动势接触电动势与与温差电温差电动势动势之和：之和：接触电动势接触电动势温差电动势温差电动势2024/7/513 在总热电势中在总热电势中,温差电势比接触电势小很多温差电势比接触电势小很多,在精度要求在精度要求不高的情况下不高的情况下,热电偶的热电势可近似表示为：热电偶的热电势可近似表示为：AB(T,T0)eAB(T)-eAB(T0)对于已选定的热电偶对于已选定的热电偶,当参考端温度当参考端温度T T0 0恒定时恒定时,e,eABAB(T(T0 0)为为常数常数,则则总的热电动势就只与温度总的热电动势就只与温度T T成单值函数关系成单值函数关系,即：即：AB(T,T0)=eAB(T)-C=f(T)实际应用中实际应用中,热电势与温度之间关系是通过热电偶分度表热电势与温度之间关系是通过热电偶分度表来确定的。来确定的。分度表分度表是在参考端温度为是在参考端温度为00时时,通过实验建立通过实验建立起来的热电势与工作端温度之间的数值对应关系。起来的热电势与工作端温度之间的数值对应关系。2024/7/514热电偶回路的热电偶回路的几点结论几点结论：如果构成热电偶的两个热电极为材料相同的均质导体，如果构成热电偶的两个热电极为材料相同的均质导体，则无论两结点温度如何，热电偶回路内的总热电势为零。则无论两结点温度如何，热电偶回路内的总热电势为零。必须采用两种不同的材料作为热电极必须采用两种不同的材料作为热电极。如果热电偶两结点温度相等，热电偶回路内的总电如果热电偶两结点温度相等，热电偶回路内的总电势亦为零。势亦为零。两结点温度不同两结点温度不同。热电偶热电偶ABAB的热电势与的热电势与A A、B B材料的中间温度无关，只材料的中间温度无关，只与结点温度有关。与结点温度有关。起主要作用的是两个结点的起主要作用的是两个结点的接触电动势接触电动势。热电偶测温的主要优点热电偶测温的主要优点 1 1、它它属属于于自自发发电电型型传传感感器器：测测量量时时可可以以不不需需外外加电源，可直接驱动动圈式仪表；加电源，可直接驱动动圈式仪表；2 2、测测温温范范围围广广：下下限限可可达达-270-270 C C，上上限限可可达达18001800 C C以上；以上；2024/7/5152024/7/516二、二、热电偶定律热电偶定律1 1中间导体定律中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导线，只要这在热电偶回路中接入第三种材料的导线，只要这第三种材料的导体第三种材料的导体两端温度相同两端温度相同，第三种材料导，第三种材料导线的引入不会影响热电偶的热电动势，这一性质线的引入不会影响热电偶的热电动势，这一性质称为称为中间导体定律中间导体定律。E EABCABC(T,T(T,T0 0)=e)=eABAB(T)+e(T)+eBCBC(T(T0 0)+e)+eCACA(T(T0 0)=e =eABAB(T)-e(T)-eABAB(T(T0 0)=E =EABAB(T,T(T,T0 0)2024/7/517e eABAB(T)(T)e eBCBC(T(T0 0)e eCACA(T(T0 0)2024/7/518 在热电偶回路中接入第三种材料的导体，在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要第只要第三种导体两端的温度相等三种导体两端的温度相等，则对热电偶回路总的，则对热电偶回路总的热电动势无影响。热电动势无影响。利用热电偶进行测温利用热电偶进行测温,必须在回路中引入连接必须在回路中引入连接导线和仪表。导线和仪表。请问请问：接入导线和仪表后会不会影响回路中的接入导线和仪表后会不会影响回路中的热电势呢？热电势呢？C CmVA AB Bt t1 1t t2 2t t2 22024/7/5192 2参考电极定律参考电极定律（标准电极定律）当结点温度为当结点温度为t,tt,t0 0时，用导体时，用导体A,BA,B组成的热电偶的热电组成的热电偶的热电动势等于动势等于ACAC热电偶和热电偶和CBCB热电偶的热电动势的代数和。热电偶的热电动势的代数和。在实际应用中，由于在实际应用中，由于纯铂丝的物理化学性纯铂丝的物理化学性能稳定、熔点高、易能稳定、熔点高、易提纯，所以目前常用提纯，所以目前常用纯铂丝纯铂丝作为标准电极作为标准电极 (C(C极极)。参考电极 参考电极的实用价值：参考电极的实用价值：它可大大简化热电偶的选配工作。它可大大简化热电偶的选配工作。实际测温中，只要获得有关热电极与实际测温中，只要获得有关热电极与参考电极参考电极配配对时的热电势值，那么任何两种热电极配对时的对时的热电势值，那么任何两种热电极配对时的热电势均可按公式而无需再逐个去测定。热电势均可按公式而无需再逐个去测定。2024/7/520例：已知铂铑例：已知铂铑3030铂的铂的E E(1084.5,0)=13.937mV(1084.5,0)=13.937mV，铂铑铂铑6 6铂的铂的E E(1084.5(1084.5,0,0)=8.354mV,)=8.354mV,求求:铂铑铂铑3030铂铑铂铑6 6在同样温度条件下的热电动势。在同样温度条件下的热电动势。解：设解：设A A为铂铑为铂铑3030电极，电极，B B为铂铑为铂铑6 6电极，电极，C C为铂电极。为铂电极。已知已知:t=1084.5,t:t=1084.5,t0 0=0=0根据参考电极定律：根据参考电极定律：2024/7/521即：即：E EABAB(1084.5,0)=(1084.5,0)=E EACAC(1084.5,0)-(1084.5,0)-E EBCBC(1084.5,0)(1084.5,0)=13.937mV-8.354mV =13.937mV-8.354mV =5.583mV =5.583mV3 3中间温度定律中间温度定律2024/7/522热电偶在结点温度为热电偶在结点温度为T T、T T0 0时的热电动势等于该热时的热电动势等于该热电偶在（电偶在（T,TT,Tn n）与（）与（T Tn n,T,T0 0）时的热电动势之和，）时的热电动势之和，这就是这就是中间温度定律中间温度定律。T Tn n称为中间温度。称为中间温度。用下式表示：用下式表示：或：或：E EABAB（t,tt,t0 0）=E EABAB(t,t(t,tn n)+)+E EABAB(t(tn n,t,t0 0)结点采用摄氏温度表示：结点采用摄氏温度表示：t=T-273Kt=T-273K2024/7/523中间温度定律的实用价值：中间温度定律的实用价值：1 1）自由端温度不为）自由端温度不为00时，可通过上式及分度表时，可通过上式及分度表求得工作端温度。求得工作端温度。2 2）热电偶补偿导线的使用。）热电偶补偿导线的使用。采用采用补偿导线补偿导线，可将热电偶的自由端延伸到远离，可将热电偶的自由端延伸到远离高温区的地方，从而使自由端的温度相对稳定。高温区的地方，从而使自由端的温度相对稳定。注意注意两根补偿导线与热电偶两个热电极的接点必须具有两根补偿导线与热电偶两个热电极的接点必须具有相同的温度。相同的温度。补偿导线只能与相应型号的热电偶配用补偿导线只能与相应型号的热电偶配用 (表表5-1)5-1)。2024/7/524工程上用于热电偶的材料应满足以下条件工程上用于热电偶的材料应满足以下条件:1)1)热电势变化尽量大热电势变化尽量大;2)2)热电势与温度关系热电势与温度关系尽量接近线性关系尽量接近线性关系;3)3)物理、化学物理、化学性能稳定性能稳定;4)4)易加工易加工,复现性好复现性好,便于成批生产。便于成批生产。实际上并非所有材料都能满足上述要求。实际上并非所有材料都能满足上述要求。目前在国际上被公认比较好的热电材料只有几种。目前在国际上被公认比较好的热电材料只有几种。5.2 5.2 热电偶的种类和结构热电偶的种类和结构2024/7/525目前工业上常用的有四种标准化热电偶目前工业上常用的有四种标准化热电偶1.1.铂铑铂铑1010铂热电偶（铂热电偶（S S）2.2.镍铬镍硅热电偶（镍铬镍硅热电偶（K K）3.3.镍铬考铜热电偶（镍铬考铜热电偶（E E）4.4.铂铑铂铑3030铂铑铂铑6 6热电偶（热电偶（B B）一、常用热电偶简介一、常用热电偶简介1.铂铑铂铑1010铂热电偶（铂热电偶（S S）可在可在13001300以下的范围内长期使用，短期以下的范围内长期使用，短期可测量可测量16001600的高温。的高温。优点：复制精度和测量的准确性高，可用于优点：复制精度和测量的准确性高，可用于精密温度测量或作为精密温度测量或作为基准热电偶基准热电偶。缺点：缺点：热电动势较弱热电动势较弱，在高温时易受还原性，在高温时易受还原性气体腐蚀。而且铂铑气体腐蚀。而且铂铑1010铂热电偶的材料属于铂热电偶的材料属于贵金属，成本较高。贵金属，成本较高。2024/7/5262.2.镍铬镍硅（镍铝）热电偶（镍铬镍硅（镍铝）热电偶（K K）可在氧化性或中性介质中长时间地测量可在氧化性或中性介质中长时间地测量900900以下的温度，短期测量可达以下的温度，短期测量可达1200 1200。优点：复制性好，优点：复制性好，热电势较大热电势较大，价格便宜。，价格便宜。缺点：在还原性介质中易受腐蚀，缺点：在还原性介质中易受腐蚀，测量精度测量精度偏低。偏低。2024/7/5273.3.镍铬考铜热电偶（镍铬考铜热电偶（E E）适用于还原适用于还原性或中性介质，长期测量温度不超性或中性介质，长期测量温度不超过过600以下的温度，短期测量可达以下的温度，短期测量可达800。优点：热电优点：热电灵敏度高灵敏度高，价格便宜。，价格便宜。缺点：测温范围窄而低，考铜合金丝易受氧化缺点：测温范围窄而低，考铜合金丝易受氧化而变质。而变质。2024/7/5284.4.铂铑铂铑3030铂铑铂铑6 6热电偶（热电偶（B B）可长期测量可长期测量1600的高温，短期可测量的高温，短期可测量1800的的高温。高温。优点：性能稳定，优点：性能稳定，精度高精度高，适用于氧化性和中性，适用于氧化性和中性介质中使用。介质中使用。缺点：它产生的缺点：它产生的热电势小热电势小，价格高。，价格高。2024/7/5292024/7/530铂铑铂铑10铂热电偶铂热电偶 1300 镍铬镍铬镍硅（镍铬镍硅（镍铬镍铝）镍铝）热电偶热电偶 900 镍铬镍铬考铜热电偶考铜热电偶 600 铂铑铂铑30铂铑铂铑6热电偶热电偶 1600 几种常见标准热电偶的温度与电动势特性曲线几种常见标准热电偶的温度与电动势特性曲线 八种八种国际通用热电偶：国际通用热电偶：B:B:铂铑3030铂铑6 6 、R:R:铂铑铂铑1313铂铂 、S:S:铂铑铂铑1010铂铂 ；K:K:镍铬镍铬镍硅镍硅 、N:N:镍铬硅镍铬硅镍硅镍硅；E:E:镍铬镍铬铜镍、铜镍、J:J:铁铁铜镍铜镍 ；T:T:铜铜铜镍。铜镍。2024/7/531用于制造用于制造铂热电偶的热电偶的各种各种铂热电偶丝热电偶丝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 2024/7/532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3030铂铑6 6501820 C C4.8344.834R铂铑1313铂-501768 C C10.50610.506S铂铑1010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(考铜考铜)270800 C C?几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线分析分析 2024/7/533 哪几种热电哪几种热电偶的测温上限偶的测温上限较高？较高？结论：结论：哪一种热电偶哪一种热电偶的灵敏度较高？的灵敏度较高？哪一种热电偶哪一种热电偶的灵敏度较低？的灵敏度较低？为什么所有的曲线均过原点（零度点）？为什么所有的曲线均过原点（零度点）？2024/7/534二、热电偶的结构二、热电偶的结构工程上实际使用的工程上实际使用的热电偶大多是由热电偶大多是由热热电极电极、绝缘套管绝缘套管、保护套管保护套管和和接线盒接线盒等部分组成。等部分组成。热电极热电极绝缘套管绝缘套管保护套管保护套管接线盒接线盒、热电极、热电极热电偶常以热电偶常以热电极材料热电极材料种类来命名。种类来命名。、绝缘套管、绝缘套管用来用来防止两根热电极短路防止两根热电极短路。常用陶瓷、石英等。常用陶瓷、石英等作绝缘材料。作绝缘材料。、保护管、保护管使热电极与被测介质隔离，使之免受化学侵蚀使热电极与被测介质隔离，使之免受化学侵蚀或机械损伤。要求经久耐用与传热良好。或机械损伤。要求经久耐用与传热良好。、接线盒、接线盒供连接热电偶和测量仪表之用。供连接热电偶和测量仪表之用。2024/7/5352024/7/536三、三、热电偶的种类热电偶的种类 为了适应不同生产对象的测温要求和条件为了适应不同生产对象的测温要求和条件,热电偶的结构形式有热电偶的结构形式有 普通型普通型热电偶热电偶 铠装型铠装型热电偶热电偶 薄膜薄膜热电偶等热电偶等 、普通型热电偶、普通型热电偶 普通型结构热电偶工业上使用最多普通型结构热电偶工业上使用最多,它一般由热它一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成。电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成。2024/7/537普通装配型普通装配型热电偶的外热电偶的外形形2024/7/538安装安装螺纹螺纹安装安装法兰法兰普通装配型普通装配型热热电偶的结构图电偶的结构图 接线盒接线盒2024/7/539引出线套管引出线套管 固定螺纹固定螺纹（出厂时用塑料包裹）（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）热电偶工作端（热端）不锈钢不锈钢保护管保护管 2024/7/540、铠装热电偶铠装热电偶铠装热电偶又称铠装热电偶又称套管热电偶套管热电偶。是由金属保护套管、。是由金属保护套管、绝缘材料和热电极三者绝缘材料和热电极三者组合成一体组合成一体的特殊结构的热电的特殊结构的热电偶。偶。铠装型热电偶外形铠装型热电偶外形法兰法兰2024/7/541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）BA绝缘绝缘 材料材料铠装型热电偶铠装型热电偶横截面横截面 铠装热电偶的制造工艺：铠装热电偶的制造工艺：把把热电极材料热电极材料与与高温绝缘材料高温绝缘材料预置在预置在金属保护管金属保护管中、运用同比例压缩延伸工艺、将这三者合为一中、运用同比例压缩延伸工艺、将这三者合为一体，制成各种直径、规格的铠装偶体，再截取适体，制成各种直径、规格的铠装偶体，再截取适当长度、将工作端焊接密封、配置当长度、将工作端焊接密封、配置接线盒接线盒即成为即成为柔软、细长的铠装热电偶。柔软、细长的铠装热电偶。2024/7/542 铠装热电偶特点：铠装热电偶特点：内部的热电偶丝与外界空气隔绝，有着良好的内部的热电偶丝与外界空气隔绝，有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力冲击的特性；冲击的特性；测温端热容量小，动态响应快。测温端热容量小，动态响应快。铠装热电偶可以制作得很细，能解决铠装热电偶可以制作得很细，能解决微小、狭微小、狭窄场合窄场合的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。长等优点。2024/7/5432024/7/544、薄膜热电偶、薄膜热电偶 薄膜热电偶是由两种薄膜热电偶是由两种薄膜热电极薄膜热电极材料材料,用真空蒸镀、用真空蒸镀、化学凃层等办法蒸镀到化学凃层等办法蒸镀到绝缘基板绝缘基板上面制成的一种特殊热上面制成的一种特殊热电偶，测量端既小又薄，具有热容量小，反应速度快等电偶，测量端既小又薄，具有热容量小，反应速度快等的特点。的特点。2024/7/5454、表面热电偶、表面热电偶 主要用于现场流动的测量。主要用于现场流动的测量。探头有各种形状，以适应不同物体探头有各种形状，以适应不同物体表面测温表面测温用。用。测温范围有测温范围有0 0250250和和0 0600600。2024/7/5462024/7/5472024/7/5485 5、防爆热电偶、防爆热电偶 结构特点：结构特点：防爆热电偶的接线盒在设计时防爆热电偶的接线盒在设计时采用防爆的特殊结采用防爆的特殊结构构，它的接线盒是经过，它的接线盒是经过压铸压铸而成的，有一定的厚而成的，有一定的厚度、隔爆空间，度、隔爆空间，机构强度机构强度较高；较高；采用螺纹隔爆接合面，并采用密封圈进行密封，采用螺纹隔爆接合面，并采用密封圈进行密封，因此，当接线盒内一旦放弧时，不会与外界环境因此，当接线盒内一旦放弧时，不会与外界环境的危险气体传爆，能达到预期的防爆、隔爆效果。的危险气体传爆，能达到预期的防爆、隔爆效果。2024/7/549使用场合：使用场合：工业用的隔爆型热电偶多用于工业用的隔爆型热电偶多用于化学工业化学工业自控系统自控系统中（由于在化工生产厂、生产现场常伴有各种中（由于在化工生产厂、生产现场常伴有各种易易燃、易爆燃、易爆等化学气体或蒸汽，如果用普通热电偶等化学气体或蒸汽，如果用普通热电偶则非常不安全、很容易引起环境气体爆炸）。则非常不安全、很容易引起环境气体爆炸）。2024/7/5502024/7/551隔爆隔爆型热电偶外形型热电偶外形2024/7/552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其他其他热电偶外形热电偶外形2024/7/553小形小形K K型热电偶型热电偶5.3 5.3 热电偶的冷端补偿和测温电路热电偶的冷端补偿和测温电路 热电偶冷端补偿的热电偶冷端补偿的必要性必要性：用热电偶的分度表查毫伏数用热电偶的分度表查毫伏数-温度时，必须满足温度时，必须满足t t0 0=0=0 C C的条件。的条件。在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化，这在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化，这样样t t0 0不但不但不是不是0 0 C C，而且也，而且也不恒定不恒定，因此将产生因此将产生误差。误差。一般情况下，冷端温度均高于一般情况下，冷端温度均高于0 0 C C，热电势总是偏小热电势总是偏小。应。应想办法消除或补偿热电偶的想办法消除或补偿热电偶的冷端损失冷端损失。2024/7/554一、热电偶的冷端补偿一、热电偶的冷端补偿热电偶的冷端补偿热电偶的冷端补偿的方法的方法1 1、冷端恒温、冷端恒温法法：使参考端使参考端（冷端）温度处于（冷端）温度处于0 0 C C 或某一恒定温度或某一恒定温度。（1 1 1 1）冰浴法冰浴法 将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中，使冷端的温度保持在容器中，使冷端的温度保持在0 0 C C不变。此法称不变。此法称冰浴法冰浴法，它消除了，它消除了t t0 0不等于不等于0 0 C C而引入的误差，而引入的误差，由于冰融化较快，所以一般只适用于由于冰融化较快，所以一般只适用于实验室和实验室和校校验热电偶验热电偶的的装置装置装置装置中。中。2024/7/555冰浴法冰浴法2024/7/556 在冰瓶中的在冰瓶中的冰水混合物冰水混合物，温度保持，温度保持在在0 0 C C不变。不变。2024/7/557（2 2）将冷端置入盛油的容器内）将冷端置入盛油的容器内,利用利用油的热惰油的热惰性性使节点温度保持一致并接近室温。使节点温度保持一致并接近室温。（3 3）将冷端置入充满绝缘物的铁管中）将冷端置入充满绝缘物的铁管中,把铁管把铁管埋在埋在1.5-2m1.5-2m或更深的地下，以保持恒温。或更深的地下，以保持恒温。（4 4）将冷端置于）将冷端置于恒温器恒温器中中,恒温器可自动控制恒温器可自动控制温度恒定。温度恒定。2 2、补偿导线、补偿导线法法补偿导线补偿导线：是指在一定的温度范围内（是指在一定的温度范围内（0 0100100 C C），其），其热电性能与相应热电偶的热电性能相同的热电性能与相应热电偶的热电性能相同的廉价廉价导线。导线。其其作用是把热电偶参考端移至离热源较远及作用是把热电偶参考端移至离热源较远及环境温度较恒定的地方环境温度较恒定的地方。2024/7/5582024/7/559 测温时，热电偶长度受一定限制，使得冷端温测温时，热电偶长度受一定限制，使得冷端温度直接受到度直接受到被测介质温度被测介质温度和和周围环境温度周围环境温度的影的影响，难以处于响，难以处于0 0 C C，而且不稳定，而且不稳定。根据根据中间温度定律中间温度定律，E EABAB（t t，t t0 0）=E EABAB（t t，t tn n）+E EABAB（t tn n，t t0 0）当热电极当热电极A A、B B与补偿导线与补偿导线A A，、B B，相连接后相连接后 由于由于E EA A,B B,（t tn n，t t0 0）=E EABAB（t tn n，t t0 0）仍然可以看作仅由热电极仍然可以看作仅由热电极A A、B B组成的回路。组成的回路。补偿导线在补偿导线在0 0100100 C C范围内的热电势与配套的范围内的热电势与配套的热电偶的热电势热电偶的热电势相等相等，所以，所以不影响不影响测量精度。测量精度。采用相对廉价的补偿导线，可采用相对廉价的补偿导线，可延长热电偶的延长热电偶的冷冷端端，使之远离高温区；可节约大量贵金属；易弯，使之远离高温区；可节约大量贵金属；易弯曲，便于敷设。曲，便于敷设。注意注意：补偿导线只起延长热电极的作用，并不：补偿导线只起延长热电极的作用，并不能消除冷端温度不为能消除冷端温度不为0 0 C C时的影响，因此还应该时的影响，因此还应该用补正方法将其补正到用补正方法将其补正到0 0 C C。2024/7/560补偿导线外形补偿导线外形 2024/7/561AB屏蔽层屏蔽层保护层保护层3 3、冷端温度校正、冷端温度校正法法：即是通过计算来补正即是通过计算来补正。当当热热电电偶偶的的冷冷端端温温度度t t0 0 0 0 C C时时，由由于于热热端端与与冷冷端端的的温温差差随随冷冷端端的的变变化化而而变变化化，所所以以测测得得的的热热电电势势E EABAB（t t，t t0 0）与与冷端为冷端为0 0 C C时所测得的热电势时所测得的热电势E EABAB（t t，0 0 C C）不等。）不等。若冷端温度高于若冷端温度高于0 0 C C，则，则E EABAB（t t，t t0 0）E EABAB（t t，0 0 C C）。）。根根据据热热电电偶偶的的中中间间温温度度定定律律，可可以以利利用用下下式式计计算算并并修修正测量误差：正测量误差：E EABAB（t t，0 0 C C）=E EABAB（t t，t t0 0）+E EABAB（t t0 0，0 0 C C）2024/7/5622024/7/563、电桥补偿法、电桥补偿法 利用不平衡电桥产生的不平衡电压，来自动补利用不平衡电桥产生的不平衡电压，来自动补偿热电偶因偿热电偶因冷端温度变化冷端温度变化而引起的而引起的热电动势的变热电动势的变化值化值。可购买与被补偿热电偶对应型号的补偿电可购买与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥。桥。电桥通常取在电桥通常取在2020时处于平衡状态时处于平衡状态，此时桥路，此时桥路输出电压输出电压U Uabab=0=0，电桥无补偿作用。，电桥无补偿作用。若环境温度升高冷端温度升高热电偶的热电势若环境温度升高冷端温度升高热电偶的热电势降低降低 u u的阻值增大电桥失去平衡桥路有电压的阻值增大电桥失去平衡桥路有电压U Uabab输出输出2024/7/564U Uabab上升与上升与X X下降迭加，使下降迭加，使ABAB几乎保持不变，几乎保持不变，实现了实现了温度补偿温度补偿的作用。但的作用。但U Uabab无法始终跟踪无法始终跟踪X X的变化，所以冷端补偿只能在的变化，所以冷端补偿只能在一定范围内起温度一定范围内起温度补偿作用补偿作用。用于电桥补偿的装置称为用于电桥补偿的装置称为热电偶冷端补偿器。热电偶冷端补偿器。所谓冷端温度补偿器（一个不平衡电桥），实所谓冷端温度补偿器（一个不平衡电桥），实质上就是一个产生直流信号的毫伏发生器，将它质上就是一个产生直流信号的毫伏发生器，将它串接串接在热电偶的测量线路中，就可以在测量时使在热电偶的测量线路中，就可以在测量时使读数得到自动补偿。读数得到自动补偿。2024/7/565 XT-WBC热电热电偶冷端补偿器偶冷端补偿器2024/7/566可购买与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥。可购买与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥。补充介绍一种新型温度传感器补充介绍一种新型温度传感器PN结温度传感器：结温度传感器：2024/7/567 PN PN结温度传感器是结温度传感器是利用半导体硅材料的利用半导体硅材料的PNPN结其正向结其正向导通电压与温度变化呈线性关系的原理，将感受到的导通电压与温度变化呈线性关系的原理，将感受到的温度信号转换成电压输出的感温元件。温度信号转换成电压输出的感温元件。PNPN结温度传感器具有体积小、线性度好、灵敏度高、结温度传感器具有体积小、线性度好、灵敏度高、反应速度快、无需冷端补偿等优点。反应速度快、无需冷端补偿等优点。兼有热电偶、铂电阻及热敏电阻的主要优点，又在兼有热电偶、铂电阻及热敏电阻的主要优点，又在一定程度上克服了它们各自固有的缺点，赢得了一定程度上克服了它们各自固有的缺点，赢得了“科科学的眼睛学的眼睛”、“理想的感温元件理想的感温元件”的美誉。的美誉。DA型线性型线性PN结温度传感器结温度传感器2024/7/568几种温度传感器的比较几种温度传感器的比较 在温度测量与控制系统中热电偶在温度测量与控制系统中热电偶铂电阻铂电阻热热敏电阻用得较多，敏电阻用得较多，PNPN结温度传感器是近期新产品。结温度传感器是近期新产品。它们的各自特性如下：它们的各自特性如下：1 1热电偶热电偶测温范围宽，重复性好，但测温范围宽，重复性好，但灵敏度灵敏度低低，需要线性补偿，参考温场与补偿导线。，需要线性补偿，参考温场与补偿导线。2 2铂电阻铂电阻稳定性好，灵敏度较高，测温范围稳定性好，灵敏度较高，测温范围宽，但需要线性补偿，体积较大，宽，但需要线性补偿，体积较大，热惯性大热惯性大，价，价格较贵。格较贵。2024/7/5693 3热敏电阻热敏电阻体积小，灵敏度高，价格低，体积小，灵敏度高，价格低，但但线性度很差线性度很差，互换性也差。，互换性也差。4 4PNPN结温度传感器结温度传感器它克服了热电偶它克服了热电偶铂电铂电阻阻热敏电阻某些固有缺陷而又兼有热电偶热敏电阻某些固有缺陷而又兼有热电偶铂电阻铂电阻热敏电阻的各自优点，它灵敏度比热热敏电阻的各自优点，它灵敏度比热电偶电偶K K分度高出分度高出5050倍，线性度优于热敏电阻倍，线性度优于热敏电阻3030倍，倍，响应速度比一般铂电阻快响应速度比一般铂电阻快2020倍以上。是常温区倍以上。是常温区内较为理想的感温器件。内较为理想的感温器件。总之各种温度传感器有着各自的不同特性和总之各种温度传感器有着各自的不同特性和用途，要根据实际需要选用。用途，要根据实际需要选用。2024/7/5702024/7/571二、热电偶的测温电路二、热电偶的测温电路a）所示为一个热电所示为一个热电偶和一个仪表配用的偶和一个仪表配用的基本电路基本电路 b）图所示为测量图所示为测量两点温两点温度之和度之和的电路的电路c）图所示为测量图所示为测量两两点间温度差点间温度差的电路，的电路，两支同型号的热电偶两支同型号的热电偶反向串联反向串联1 1基本测温电路基本测温电路 2024/7/572测量两点间测量两点间平均温度平均温度的电路的电路，两支同型号，两支同型号的热电偶的热电偶并联并联 图中串入较大阻值的图中串入较大阻值的电阻电阻R R1 1、R R2 2以减小热以减小热电偶内阻的影响电偶内阻的影响 输入到仪表两端的热电动势为两个热电偶输出的热电输入到仪表两端的热电动势为两个热电偶输出的热电动势的动势的平均值平均值。2024/7/5732 2热电偶的实际测温电路热电偶的实际测温电路 在实际测量过程中，热电偶的热电动势和温度关系为在实际测量过程中，热电偶的热电动势和温度关系为非线性关系非线性关系 因此热电偶应用时都要因此热电偶应用时都要线性化线性化.K型热电偶的非线性曲线型热电偶的非线性曲线2024/7/574经校正后减小了非线性误差经校正后减小了非线性误差1、热电偶用于金属表面温度的测量、热电偶用于金属表面温度的测量 测量方法一般采用测量方法一般采用直接接触测量直接接触测量的方法。的方法。被测金属表面温度较低时，采用被测金属表面温度较低时，采用粘接剂粘接剂将热将热电偶的结点粘附于金属表面，工艺比较简单。电偶的结点粘附于金属表面，工艺比较简单。被测金属表面温度较高时，采用被测金属表面温度较高时，采用焊接焊接的方法，的方法，将热电偶的头部焊于金属表面。将热电偶的头部焊于金属表面。2024/7/5755.45.4 热电偶的应用热电偶的应用2024/7/576热电偶用于管道内温度的测量热电偶用于管道内温度的测量 垂直管道轴线垂直管道轴线倾斜管道轴线倾斜管道轴线弯曲管道弯曲管道2024/7/577常用炉温测量采用的热电偶测量系统图常用炉温测量采用的热电偶测量系统图 2、热电偶测炉温、热电偶测炉温2024/7/5783、由热电偶放大器、由热电偶放大器AD594构成的热电偶温度计构成的热电偶温度计2024/7/579AD594