傳感器技術(shù)第八章

1、傳感器技術(shù)第八章 第八章第八章 熱電偶型傳感器熱電偶型傳感器 熱電偶傳感器是一種能將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)的傳感器。 目前在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中已得到廣泛的應(yīng)用，并且已經(jīng) 可以選用標(biāo)準(zhǔn)的顯示儀表和記錄儀表來(lái)進(jìn)行顯示和記錄。 它具有： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，使用方便，熱電偶的電極不受大小 和外形的限制，可按照需要進(jìn)行配制。因?yàn)樗鼘儆谧园l(fā)電型 傳感器，因 此測(cè)量時(shí)，可以不要外加電源； 測(cè)溫范圍廣，高溫?zé)犭娕伎蛇_(dá)1800以上, 低溫用熱電 偶可達(dá)- 269； 測(cè)量精確度較高； 便于遠(yuǎn)距離測(cè)量、自動(dòng)記錄及多點(diǎn)測(cè)量。 傳感器技術(shù)第八章 第一節(jié)第一節(jié) 熱電偶型傳感器工作原理熱電偶型傳感器工作原理 第二節(jié)第二節(jié)

2、 中間導(dǎo)體定律中間導(dǎo)體定律 第三節(jié)第三節(jié) 中間溫度定律中間溫度定律 第四節(jié)第四節(jié) 參考電極定律參考電極定律 第五節(jié)第五節(jié) 熱電偶的種類熱電偶的種類 第六節(jié)第六節(jié) 熱電偶冷端延長(zhǎng)熱電偶冷端延長(zhǎng) 第七節(jié)第七節(jié) 熱電偶冷端補(bǔ)償熱電偶冷端補(bǔ)償 第八節(jié)第八節(jié) 熱電偶型傳感器應(yīng)用熱電偶型傳感器應(yīng)用 第九節(jié)第九節(jié) 熱電偶型傳感器綜合訓(xùn)練熱電偶型傳感器綜合訓(xùn)練 傳感器技術(shù)第八章 第一節(jié)第一節(jié) 熱電偶型傳感器工作原理熱電偶型傳感器工作原理 一、熱電效應(yīng)一、熱電效應(yīng) 熱電偶的工作原理是基于物體的熱電效應(yīng)。由兩種不熱電偶的工作原理是基于物體的熱電效應(yīng)。由兩種不 同材料的導(dǎo)體同材料的導(dǎo)體A A和和B B 組成閉合回路

3、，如圖組成閉合回路，如圖8 81 1所示。當(dāng)兩所示。當(dāng)兩 個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度不同時(shí)，回路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。如果將回路中個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度不同時(shí)，回路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。如果將回路中 接入一個(gè)毫安表，則毫安表的指針將發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這種現(xiàn)象接入一個(gè)毫安表，則毫安表的指針將發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這種現(xiàn)象 即稱為熱電效應(yīng)或塞貝克效應(yīng)。兩種不同材料的導(dǎo)體所組即稱為熱電效應(yīng)或塞貝克效應(yīng)。兩種不同材料的導(dǎo)體所組 成的回路稱為成的回路稱為“熱電偶熱電偶”。組成熱電偶的導(dǎo)體稱為。組成熱電偶的導(dǎo)體稱為“熱電熱電 極極”。熱電偶所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱為熱電動(dòng)勢(shì)。熱電偶的兩。熱電偶所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱為熱電動(dòng)勢(shì)。熱電偶的兩 個(gè)結(jié)點(diǎn)中，置于溫度為個(gè)結(jié)點(diǎn)中，置于溫度為

4、T T的被測(cè)對(duì)象中的結(jié)點(diǎn)稱之為測(cè)量的被測(cè)對(duì)象中的結(jié)點(diǎn)稱之為測(cè)量 端，又稱為工作端或熱端，而置于參考溫度為端，又稱為工作端或熱端，而置于參考溫度為T(mén) T0 0的另一結(jié)的另一結(jié) 點(diǎn)稱之為參考端，又稱自由端或冷端。點(diǎn)稱之為參考端，又稱自由端或冷端。 傳感器技術(shù)第八章 二、二、珀?duì)柼?yīng)珀?duì)柼?yīng) 熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì) （T， ）由接觸電動(dòng)勢(shì)和溫差電動(dòng)勢(shì) 兩部分組成。 接觸電動(dòng)勢(shì)（珀?duì)柼妱?dòng)勢(shì)）：將兩種不同的金屬互相接觸，如 圖82所示。由于不同金屬內(nèi)自由電子的密度不同，在兩金屬A和B 的接觸處會(huì)發(fā)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象。自由電子將從密度大的金屬 A擴(kuò)散到密度小的金屬B，使A失去電子帶正電，B得到電子帶

5、負(fù)電， 直至在接點(diǎn)處建立起充分強(qiáng)大的電場(chǎng)，能夠阻止電子的擴(kuò)散，從而 達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。這種在兩種不同金屬的接點(diǎn)處產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱為珀 爾帖電動(dòng)勢(shì)，又稱接觸電動(dòng)勢(shì)。它的數(shù)值取決于兩種導(dǎo)體的自由電 子密度和接觸點(diǎn)的溫度， 而與導(dǎo)體的形狀及尺寸無(wú)關(guān)。接觸電動(dòng) 勢(shì) （T）可用下式表示： AB E 0 T AB e （ ）= AB e T e kT B A n n 傳感器技術(shù)第八章 式中： （ ）A、B兩種材料在溫度為T(mén)時(shí)的接觸電動(dòng)勢(shì)； T接觸處的熱力學(xué)溫度； k玻爾茲曼常數(shù)（k=1.3810-23J/K）； 電子電荷（ =1.610-19 C）; 、 熱電極材料A、B的自由電子密度。 AB eT ee A

6、n B n 傳感器技術(shù)第八章 實(shí)踐證明，在熱電偶回路中起主要作用的是兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的接觸 電動(dòng)勢(shì)。如果將單一導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)忽略不計(jì)，并取 （ ）的方向?yàn)檎较颍鐖D83所示。則有： AB eT B A B A B A ABABAB n n TT e K n n e KT n n e KT TeTeTTEln)(lnln)()(),( 0 0 00 傳感器技術(shù)第八章 三、熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)三、熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì) 由上式可以得出下列結(jié)論： 如果熱電偶兩電極材料相同，即使兩端溫度不同( ）， 但總輸出電動(dòng)勢(shì)仍為零。 因此必需由兩種不同材料才能構(gòu)成熱 電偶； 如果熱電偶兩結(jié)點(diǎn)溫度相同,則回路總的熱電動(dòng)

7、勢(shì)必然等于零,溫 差越大，熱電動(dòng)勢(shì)越大； 熱電動(dòng)勢(shì)的大小只與材料和結(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)，與熱電偶的尺寸形狀 無(wú)關(guān)。 0 T 0 T 傳感器技術(shù)第八章 第二節(jié)第二節(jié) 中間導(dǎo)體定律中間導(dǎo)體定律 若在熱電偶回路中插入中間導(dǎo)體，只要中間導(dǎo)體 兩端溫度相同，則對(duì)熱電偶回路的總熱電動(dòng)勢(shì)無(wú)影響。 這就是中間導(dǎo)體定律。其證明如下： 如圖84所示，熱電偶回路插入中間導(dǎo)體C后總的熱 電動(dòng)勢(shì)為： 傳感器技術(shù)第八章 )()()(),( 000 TeTeTeTTE CABCABABC )()(ln lnln)()( 00 0 00 00 TeTe n n e KT n n e KT n n e KT TeTe ABBA A B

8、 A C C B CABC 因?yàn)椋?所以 ： ),()()(),( 000 TTETeTeTTE ABABABABC 由此可知，總的熱電動(dòng)勢(shì)與由此可知，總的熱電動(dòng)勢(shì)與C C無(wú)關(guān)。同理，熱電偶回路中插入多種導(dǎo)體后，無(wú)關(guān)。同理，熱電偶回路中插入多種導(dǎo)體后， 只要保證插入的每種導(dǎo)體的兩端溫度相同，則對(duì)熱電偶的電動(dòng)勢(shì)也無(wú)影響。只要保證插入的每種導(dǎo)體的兩端溫度相同，則對(duì)熱電偶的電動(dòng)勢(shì)也無(wú)影響。 利用熱電偶來(lái)實(shí)際測(cè)溫時(shí)，連接導(dǎo)線、顯示儀表和接插件等均可看成是中間 導(dǎo)體，只要保證中間導(dǎo)體兩端的溫度相同，則對(duì)熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)沒(méi)有影響。因 此中間導(dǎo)體定律對(duì)熱電偶的實(shí)際應(yīng)用是非常重要的。 傳感器技術(shù)第八章 第三節(jié)

9、第三節(jié) 中間溫度定律中間溫度定律 在生產(chǎn)實(shí)際中，例如：化工廠、火力發(fā)電廠等使用的熱電偶 數(shù)量達(dá)幾千支，將熱電偶的冷端（參比端）保持在0是很不現(xiàn) 實(shí)的。所以，在工程實(shí)際中應(yīng)用中間溫度定律可以解決此類 問(wèn)題。 熱電偶AB兩結(jié)點(diǎn)的溫度分別為 、 時(shí)所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì) （ 、 ）等于該熱電偶在 、 以及 、 時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)的 （ ， ）與 （ ， ）的代數(shù)和，這就是中間溫度定律，如 圖85所示?？捎孟率奖硎? T 0 T AB ET 0 T n TT n T 0 T AB ET n T AB En T 0 T ),(),(),( 00 TTETTETTE nABnABAB 傳感器技術(shù)第八章 上式中的稱為中

10、間溫度。中間溫度定律的證明如下： n T ),()()( )()()()(),(),( 00 00 TTETeTe TeTeTeTeTTETTE ABABAB ABnABnABABnABnAB 傳感器技術(shù)第八章 當(dāng)結(jié)點(diǎn)溫度不用熱力學(xué)溫度（絕對(duì)溫度）T表示， 而改用攝氏溫度t來(lái)表示時(shí)（t=T273.16K），則式: 可以改寫(xiě)成下式： ),(),(),( 00 TTETTETTE nABnABAB ),(),(),( 00 ttEttEttE nABnABAB 傳感器技術(shù)第八章 中間溫度定律為制定熱電偶分度表奠定了基礎(chǔ)。 許多年來(lái)，科學(xué)家們?cè)噲D研究能否用函數(shù)關(guān)系式甚 至用分段函數(shù)來(lái)表達(dá)熱電偶的熱端

11、（測(cè)量端）溫度與 熱電偶回路所產(chǎn)生的熱電勢(shì)之間的關(guān)系，最終沒(méi)能成 功。 所謂分度表就是熱電偶自由端（冷端）溫度為0時(shí)， 熱電偶工作端（熱端）溫度與輸出熱電動(dòng)勢(shì)之間的對(duì) 應(yīng)關(guān)系的表格。如果自由端溫度不為0，則可通過(guò)上 式及分度表求得工作端的溫度t。 傳感器技術(shù)第八章 第四節(jié)第四節(jié) 參考電極定律參考電極定律 熱電偶由A、B兩種導(dǎo)體制成，若將A、B兩種 導(dǎo)體分別于第三種導(dǎo)體C制成如圖86所示的 熱電偶，且三個(gè)熱電偶的熱端和冷端熱度相同 （T, ），則A和B熱電偶的熱電勢(shì) （T，）等 于A和C熱電偶熱電勢(shì) （T，）與B和C熱電偶熱 電勢(shì) （T，）之差，稱標(biāo)準(zhǔn)電極定律，公式為： （T，）= （T，）-

12、（T，） 上式的證明，可采用中間導(dǎo)體定律的證明方 法進(jìn)行。這里不再重復(fù)。 0 T 0 T AB E 0 T BC E AC E AC E 0 T BC E AB E 0 T 0 T 0 T 傳感器技術(shù)第八章 第三種導(dǎo)體C，即熱電極C，稱為標(biāo)準(zhǔn)電極， 也稱參考電極，通常用純鉑絲制成。因?yàn)殂K的 物理和化學(xué)性能穩(wěn)定、熔點(diǎn)高、易提純。熱電 偶的兩個(gè)熱電極材料是根據(jù)需要進(jìn)行選配的。 由于采用了標(biāo)準(zhǔn)電極就大大地方便了這種選配 工作，只要知道一些材料與標(biāo)準(zhǔn)電極相配的熱 電勢(shì)值，就可以用標(biāo)準(zhǔn)電極定律求出其中任意 兩種材料配成熱電偶后的熱電勢(shì)值。 傳感器技術(shù)第八章 參考電極定律大大簡(jiǎn)化了熱電偶的選配 工作。只要

13、我們獲得有關(guān)熱電極與參考電極配 對(duì)的熱電動(dòng)勢(shì)，那么任何兩種熱電極配對(duì)時(shí)的 熱電動(dòng)勢(shì)均可按式 求得，以便于篩選出適合工業(yè)和科研各方 面需要的、性能良好的熱電偶。 ),(),(),( 000 TTETTETTE BCACAB 傳感器技術(shù)第八章 第五節(jié)第五節(jié) 熱電偶的種類熱電偶的種類 由分析知道，任意兩種導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）都可以配 制成熱電偶作為測(cè)溫的元件，但實(shí)用中總是希望配制 成的熱電偶的熱電勢(shì)較大、熱電勢(shì)與被測(cè)溫度之間盡 量地呈線性單值關(guān)系，且測(cè)溫的范圍較寬。此外，還 希望在長(zhǎng)期工作中，元件的物理和化學(xué)性能穩(wěn)定、不 易氧化和腐蝕、電阻溫度系數(shù)小和導(dǎo)電率高等等。由 此看來(lái)，并不是所有材料都適于制作熱

14、電偶。一般情 況，純金屬熱電偶容易復(fù)制，但其熱電勢(shì)小；非金屬 熱電極的熱電勢(shì)大、熔點(diǎn)高，但復(fù)制性和穩(wěn)定性都較 差；合金熱電極的熱電性能和工藝性能介于前面兩者 之間，所以合金熱電極使用的比較多。 傳感器技術(shù)第八章 根據(jù)熱電極的材料，熱電偶可分為難熔金 屬熱電偶、貴金屬熱電偶、廉金屬熱電偶、非 金屬熱電偶等；根據(jù)測(cè)溫范圍，熱電偶可分為 高溫?zé)犭娕?、中溫?zé)犭娕肌⒌蜏責(zé)犭娕?；根?jù) 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的情況，又分為標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶和非 標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶國(guó)家已定型批量 生產(chǎn)，它具有良好的互換性，有統(tǒng)一的分度表， 并有與之配套的記錄和顯示儀表。這對(duì)生產(chǎn)和 使用都帶來(lái)了方便。 傳感器技術(shù)第八章 熱電極和熱電偶的

15、種類繁多，現(xiàn)在我國(guó)已 采用國(guó)際計(jì)量委員會(huì)規(guī)定的“1990國(guó)際溫標(biāo)” （簡(jiǎn)稱ITS90）的新標(biāo)準(zhǔn)。按此標(biāo)準(zhǔn)，共有 八種標(biāo)準(zhǔn)化了的通用熱電偶，如表81所示。 表81所列熱電偶中，寫(xiě)在前面的熱電極為正 極，寫(xiě)在后面的為負(fù)極。對(duì)于每一種熱電偶， 還制定了相應(yīng)的分度表。見(jiàn)附錄。 傳感器技術(shù)第八章 名稱 分度號(hào) 代號(hào) 測(cè)溫范圍特點(diǎn) 鉑銠30-鉑 銠6 B （LL-2） WRR501820 0.033 熔點(diǎn)高，測(cè)溫上限高，性能穩(wěn)定，精度 高，電動(dòng)勢(shì)?。恢贿m用于高溫域的測(cè)量 鉑銠13-鉑 R （PR） 50 1768 0.647 精度較高，性能穩(wěn)定，復(fù)現(xiàn)性好；但熱 電動(dòng)勢(shì)較小，不能在金屬蒸汽和還原性 氣氛中使

16、用， 鉑銠10-鉑 S （LB-3） WRP50 1768 0.646 同上，性能不如R熱電偶。長(zhǎng)期以來(lái)曾 作為國(guó)際溫標(biāo)的法定標(biāo)準(zhǔn)熱電偶 鎳鉻-鎳硅 K （EU-2） WRN270 1370 4.096 熱電動(dòng)勢(shì)大，線性好，穩(wěn)定性好，廉價(jià)； 但材質(zhì)較硬，在1000以上長(zhǎng)期使用會(huì) 引起熱電動(dòng)勢(shì)漂移；多用于工業(yè)測(cè)量 鎳鉻硅-鎳 硅 N270 1370 20774 是一種新型熱電偶，各項(xiàng)性能比K熱電 偶更好，適宜于工業(yè)測(cè)量 鎳鉻-銅鎳 （康銅） E （EA-2） WRK270 800 6.319 熱電動(dòng)熱比K熱電偶大50左右，線性 好，耐高濕度，價(jià)廉；但不能用于還原 性氣氛；多用于工業(yè)測(cè)量 鐵 -

17、銅 鎳 （康銅） J （JC） 270 760 5.269 價(jià)格低廉，在還原性氣體中較穩(wěn)定；但 純鐵易被腐蝕和氧化；多用于工業(yè)測(cè)量 銅-銅鎳 （康銅） T （CK） WRC270 400 4.279 價(jià)廉，加工性能好，離散性小，性能穩(wěn) 定，線性好，精度高；銅在高溫時(shí)易被 氧化，測(cè)溫上限很低；多用于低溫域測(cè) 量，可作（2000）溫域的計(jì)量標(biāo) 準(zhǔn) 100時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì) 傳感器技術(shù)第八章 注：注：鉑銠表示該合金含70鉑及30銠，以下 類推； 括號(hào)內(nèi)為我國(guó)舊的分度號(hào)，以下同。 傳感器技術(shù)第八章 一、鉑銠一、鉑銠鉑熱電偶鉑熱電偶 鉑銠鉑熱電偶屬于貴金屬熱電偶。其中，正極較 硬，是90鉑、10銠的鉑銠合金（

18、簡(jiǎn)寫(xiě)鉑銠10）。負(fù) 極柔軟，是純金屬鉑。該熱電偶可測(cè)量較高的溫度， 短時(shí)間可測(cè)量1600，長(zhǎng)時(shí)間可工作在1300以下。 一般用于較精密的測(cè)溫或作標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。由于它的熱 電勢(shì)較小，本身電阻較大，測(cè)量時(shí)需配用靈敏度和準(zhǔn) 確度較高的儀表。 這種熱電偶在氧化氣氛中使用時(shí)具有相當(dāng)好的穩(wěn) 定性；在金屬蒸汽、金屬氧化物、氧化硅及碳?xì)涞冗€ 原介質(zhì)中使用時(shí)，需要選用可靠的保護(hù)套，否則易遭 破壞。 鉑銠鉑熱電偶有很多優(yōu)點(diǎn)，尤其在穩(wěn)定性方面， 所以目前被規(guī)定為國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)中，在 630.74 1064.43范圍內(nèi)復(fù)現(xiàn)溫標(biāo)的基準(zhǔn)儀器。 傳感器技術(shù)第八章 二、鎳鉻二、鎳鉻鎳硅鎳硅 鎳鉻鎳硅是非貴金屬熱電偶中性能最穩(wěn) 定

19、的一種。其熱電極通常做得較粗。它的正極 不親磁，是90鎳、910鉻、0.4硅的 合金。負(fù)極稍親磁，是90鎳、2.53硅、 0.6鈷的合金。因?yàn)闊犭姌O中含有大量鎳， 故高溫下抗氧化能力和抗腐蝕能力都很強(qiáng)。 鎳鉻鎳硅熱電偶短時(shí)間可用到1200， 長(zhǎng)時(shí)間可工作在1000以下。它有接近線性的 分度曲線。相同溫度下，它的熱電勢(shì)值比鉑銠 -鉑熱電偶的大45倍 傳感器技術(shù)第八章 三、鉑銠三、鉑銠鉑銠熱電偶鉑銠熱電偶 鉑銠鉑銠熱電偶屬于高溫?zé)犭娕?。?中：正極較硬，是70鉑、30銠的合 金（簡(jiǎn)寫(xiě)鉑銠30）；負(fù)極稍軟，是94鉑、 6銠的合金（簡(jiǎn)寫(xiě)鉑銠6）。該熱電偶在 長(zhǎng)期使用時(shí)，溫度可達(dá)1600。 傳感器技術(shù)第

20、八章 四、銅四、銅康銅熱電偶康銅熱電偶 銅康銅熱電偶屬于低溫?zé)犭娕?，是低溫?zé)犭娕贾?唯一定型的通用熱電偶。其中：正極為紅色，是純銅； 負(fù)極是銀白色，是60銅、40鎳的康銅合金，主要 用于-200300區(qū)間的溫度測(cè)量。 銅康銅熱電偶在低溫時(shí)具有較好的穩(wěn)定性，目前 在-1000之間被用作標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，用于校定其它 低溫儀表。 選擇熱電偶時(shí)，可以充分利用它們的分度表，比較 同樣溫度下不同熱電偶的熱電勢(shì)大小。若用分度表的 數(shù)據(jù)畫(huà)出熱電勢(shì)溫度曲線（稱熱電偶的熱電特性）， 還可以看出它的線性范圍。 傳感器技術(shù)第八章 第六節(jié)第六節(jié) 熱電偶冷端延長(zhǎng)熱電偶冷端延長(zhǎng) 實(shí)際測(cè)溫時(shí)，由于熱電偶長(zhǎng)度有限，自由 端溫度將直

21、接受到被測(cè)物溫度和周?chē)h(huán)境溫度 的影響。例如，熱電偶安裝在電爐壁上，而自 由端放在接線盒內(nèi)，電爐壁周?chē)鷾囟炔环€(wěn)定， 波及接線盒內(nèi)的自由端，造成測(cè)量誤差。雖然 可以將熱電偶做得很長(zhǎng)，但這將提高測(cè)量系統(tǒng) 的成本，是很不經(jīng)濟(jì)的。工業(yè)中一般采用補(bǔ)償 導(dǎo)線來(lái)延長(zhǎng)熱電偶的冷端，使之遠(yuǎn)離高溫區(qū)。 傳感器技術(shù)第八章 補(bǔ)償導(dǎo)線測(cè)溫電路如圖87所示。補(bǔ)償導(dǎo)線 （A,B）是兩種不同材料的、相對(duì)比較便宜的金屬 （多為銅與銅的合金）導(dǎo)體。它們的自由電子密度比 和所配接型號(hào)的熱電偶的自由電子密度比相等，所以 補(bǔ)償導(dǎo)線在一定的環(huán)境溫度范圍內(nèi)如：（0100） 與所配接的熱電偶具有相同的溫度熱電動(dòng)勢(shì)關(guān)系， 即： ),(),(

22、00 ttEttE ABAB 傳感器技術(shù)第八章 因此，可以把接有補(bǔ)償導(dǎo)線后的測(cè)溫回路看作僅 由熱電偶A、B組成的回路，只是自由端已由 處延伸 到 處了。用 A,B與A、B連接后，回路總的熱電動(dòng) 勢(shì)僅取決于A、B、 及 （是新的自由端溫度，它是 穩(wěn)定的），而與A、B及連接處的溫度 （它是不穩(wěn) 定的）無(wú)關(guān)。 n T 0 T T 0 T 0 T 傳感器技術(shù)第八章 補(bǔ)償導(dǎo)線常用廉價(jià)金屬制造，而且，所 用的絕緣材料一般又都是有機(jī)絕緣材料，因此， 單位長(zhǎng)度的電阻較小，且柔軟易彎。所以，采 用補(bǔ)償導(dǎo)線不僅可以節(jié)約大量貴金屬，減小熱 電偶回路的電阻，而且便于敷設(shè)安裝。必須指 出，使用補(bǔ)償導(dǎo)線僅能延長(zhǎng)熱電偶自由

23、端，但 不起任何溫度補(bǔ)償作用，故將其稱為“補(bǔ)償導(dǎo) 線”是名不符實(shí)的習(xí)慣用語(yǔ)?，F(xiàn)也有稱為 “冷端延長(zhǎng)線”。這樣倒比較確切些。 傳感器技術(shù)第八章 使用補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)必須注意使用補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)必須注意: 兩根補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶兩個(gè)熱電極的接點(diǎn)必須具有相同的 溫度; 各種補(bǔ)償導(dǎo)線只能與相應(yīng)型號(hào)的熱電偶配用； 必須在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)使用； 極性切勿接反。 傳感器技術(shù)第八章 第七節(jié)第七節(jié) 熱電偶冷端補(bǔ)償熱電偶冷端補(bǔ)償 由熱電偶測(cè)溫原理可知，熱電偶的輸出電動(dòng)勢(shì)是熱 電偶兩端溫度t和 差值的函數(shù)，當(dāng)冷端溫度 不變時(shí)， 熱電動(dòng)勢(shì)與工作端溫度成單值函數(shù)關(guān)系。各種熱電偶 溫度與熱電動(dòng)勢(shì)關(guān)系的分度表都是在冷端溫度為零時(shí) 作出的

24、，因此，用熱電偶測(cè)溫時(shí)，若要直接應(yīng)用熱電 偶的分度表，就必須滿足 =0的條件。像化工廠、 發(fā)電廠等，要用到大約幾百只熱電偶，一年四季要恒 定到0，在工程實(shí)際中是不現(xiàn)實(shí)的；而在實(shí)際測(cè)溫中， 冷端溫度常隨環(huán)境溫度變化而變化，這樣，不但不是 0，而且也不恒定，因此將引入誤差。消除或補(bǔ)償所 能夠這個(gè)誤差的方法，常用的有以下幾種： 0 t 0 t 0 t 0 t 0 t 傳感器技術(shù)第八章 一、冷端恒溫法一、冷端恒溫法 冷端恒溫法是將熱電偶的冷端置于裝有冰水混合物 的恒溫容器中，使冷端的溫度保持在0不變。此方法 也稱冰浴法，它消除了不等于0而引入的誤差，由于 冰融化較快，所以一般只適用于實(shí)驗(yàn)室或研究室中。

25、 也可以將熱電偶的冷端置于電熱恒溫器中，恒溫器 的溫度略高于環(huán)境溫度的上限。 也可以將熱電偶的冷端置于大油槽或空氣不流動(dòng)的 大容器中，利用其熱慣性，使冷端溫度 變化較為緩慢。 也可以將冷端置于恒溫空調(diào)房間中，使冷端溫度恒定。 當(dāng)然，除了冰浴法是使冷端溫度保持0外，后兩 種方法只是使冷端維持在某一恒定（或變化較?。┑?溫度上，因此，后兩種方法必須采用下述的方法予以 修正。 傳感器技術(shù)第八章 二、計(jì)算修正法二、計(jì)算修正法 計(jì)算修正法是當(dāng)熱電偶的冷端溫度 0 時(shí)，測(cè)得的熱電動(dòng)勢(shì) （ ， ）與冷端為0 時(shí)所測(cè)得的熱電動(dòng)勢(shì) （ ，0）不等。若 冷端溫度高于0，則 （ ， ） （ ， 0）。根據(jù)中間溫度定

26、律，可以利用下式計(jì) 算修正測(cè)量誤差 0 t AB E 0 tt AB E t t 0 tAB E AB E t （ ，0） = （ ， ） + （ ,0） AB EtAB E t 0 t AB E 0 t 傳感器技術(shù)第八章 三、儀表機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整法三、儀表機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整法 儀表機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整法是當(dāng)熱電偶與動(dòng)圈式儀 表配套使用時(shí)，若熱電偶的冷端溫度比較恒定， 對(duì)測(cè)量精度要求又不太高時(shí)，可將動(dòng)圈式儀表 的機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整至熱電偶冷端所處的溫度t0處， 這相當(dāng)于在輸入熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)之前就給儀 表輸入一個(gè)熱電動(dòng)勢(shì)E（ t0 ，0）。這樣， 儀表在使用時(shí)所指示的值約為 E(t0, 0)+E(t, t0) 傳感器

27、技術(shù)第八章 在進(jìn)行儀表機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整時(shí)，首先必 須將儀表的電源和輸入信號(hào)切斷，然后 用螺釘旋具有調(diào)節(jié)儀表面板上的螺釘， 使指針指到t0的刻度上。當(dāng)氣溫變化時(shí)， 應(yīng)及時(shí)修正指針的位置。 此方法雖有一定的誤差，但非常簡(jiǎn)便， 在工業(yè)上經(jīng)常采用。 傳感器技術(shù)第八章 四、電橋補(bǔ)償法四、電橋補(bǔ)償法 電橋補(bǔ)償法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡 電壓來(lái)自動(dòng)補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起 的熱電動(dòng)勢(shì)變化值，如圖88所示。熱電偶經(jīng) 補(bǔ)償導(dǎo)線接至補(bǔ)償電橋，熱電偶的冷端與電橋 處于同一環(huán)境溫度中，橋臂電阻 ， ， 由電 阻溫度系數(shù)很小的錳銅絲繞制而成， 是由溫 度系數(shù)較大的銅絲繞制而成的。 2 R 3 R 4 R Cu R

28、 R 傳感器技術(shù)第八章 設(shè)電橋在0時(shí)處于平衡，此時(shí)，橋路輸出電壓 =0， 電橋無(wú)補(bǔ)償作用。假設(shè)環(huán)境溫度升高，熱電偶的冷端 溫度也隨之升高，此時(shí)，熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)就有所降 低。由于 與冷端處于同一環(huán)境溫度中，所以 的阻 值將增大，電橋失去平衡。由分壓比定律可知， 兩 端壓降也隨之增大，b點(diǎn)相對(duì)于d點(diǎn)的電位就有所上 升, U 與 （t，）迭加。若適當(dāng)選擇橋臂電阻 和電流的數(shù)值，可以使正好補(bǔ)償熱電偶由于端溫度升 高所損失的熱電動(dòng)勢(shì)值。由于電橋及熱電偶均存在非 線性誤差，所以無(wú)法始終跟蹤 （t，0）的變化。 冷端補(bǔ)償器只能在一定的范圍內(nèi)（040）起溫度 補(bǔ)償作用。在工程實(shí)際中，為了使補(bǔ)償電橋能在（0

29、40）范圍內(nèi)較線性地補(bǔ)償熱電偶的冷端損失，通常 使補(bǔ)償電橋在20處于平衡狀態(tài)。 bd U Cu R Cu R Cu R bd U AB E 0 t AB E 傳感器技術(shù)第八章 再則，如果電橋是在20時(shí)平衡，則 采用這種電橋補(bǔ)償時(shí)必須把測(cè)溫儀表的 機(jī)械零點(diǎn)預(yù)先調(diào)到20處；如果電橋是 被設(shè)計(jì)成在0時(shí)平衡的，則儀表零點(diǎn)應(yīng) 調(diào)在0處。 傳感器技術(shù)第八章 用于電橋補(bǔ)償法的裝置稱為熱電偶冷 端補(bǔ)償器。冷端溫度補(bǔ)償器通常使用在 熱電偶與動(dòng)圈式顯示儀表配套的測(cè)溫裝 置系統(tǒng)中。而自動(dòng)電子電位差計(jì)或溫度 變送器及數(shù)字式儀表等的測(cè)量電路里已 設(shè)置了冷端溫度補(bǔ)償電路，所以，熱電 偶與它們相配套使用時(shí)不必另行配置冷 端

30、補(bǔ)償器。 傳感器技術(shù)第八章 五、熱電偶的測(cè)溫線路五、熱電偶的測(cè)溫線路 熱電偶的測(cè)溫線路是根據(jù)用途不同而設(shè)計(jì)的。例如： 當(dāng)測(cè)量控制室距離被測(cè)溫度處太遙遠(yuǎn)時(shí)，可以利用補(bǔ) 償導(dǎo)線延長(zhǎng)熱電偶的冷端進(jìn)行測(cè)量和控制；而當(dāng)在實(shí) 驗(yàn)室或者研究室測(cè)量控制溫度時(shí)，可以采用冰浴法將 熱電偶的冷端置于0的冰水混合物中進(jìn)行溫度的測(cè)量 和控制；熱電偶還可以用于測(cè)量?jī)牲c(diǎn)溫度之和及溫度 之差，如圖89所示。其中：圖89（a）是兩支同型 號(hào)的熱電偶正向串聯(lián)，用來(lái)測(cè)量?jī)牲c(diǎn)溫度之和。若 t1=t2=tx，則：當(dāng)使用多根熱電偶串聯(lián)測(cè)溫時(shí)，就能成 倍地提高總的熱電動(dòng)勢(shì)的輸出，大大提高測(cè)量的靈敏 度，稱為熱電堆。圖89（b）為兩支同型號(hào)

31、的熱電偶 反向串聯(lián)，用來(lái)測(cè)量?jī)牲c(diǎn)溫度之差。 傳感器技術(shù)第八章 第八節(jié)第八節(jié) 熱電偶型傳感器應(yīng)用熱電偶型傳感器應(yīng)用 一、一、 動(dòng)圈式溫度指示儀動(dòng)圈式溫度指示儀 XC系列動(dòng)圈式儀表測(cè)量機(jī)構(gòu)的核心部件是一個(gè)磁電 式毫伏計(jì)，如圖810所示。動(dòng)圈式儀表與熱電偶配套 測(cè)溫時(shí)，熱電偶、連接導(dǎo)線（補(bǔ)償導(dǎo)線）和顯示儀表 組成了一個(gè)閉合回路，設(shè)表內(nèi)電阻為Ris，表外電阻為 Ros，Ros包括熱電偶內(nèi)阻r1、補(bǔ)償導(dǎo)線電阻R2、冷端 補(bǔ)償器等效電阻R3、連接銅導(dǎo)線電阻Rcu、調(diào)整電阻R4， 即Ros=r1+R2+R3+Rcu+R4。則：流經(jīng)回路的電流可按歐 姆定律來(lái)求得： I=E（t1t0）/（Ris+Ros） 傳感

32、器技術(shù)第八章 對(duì)于相同的熱電動(dòng)勢(shì)，如果整個(gè)測(cè)量回路的總電 阻值不同，流過(guò)動(dòng)圈式儀表的電流值也不同。動(dòng)圈儀 表在刻度時(shí)，規(guī)定外線路電阻數(shù)值為定值，如配熱電 偶的動(dòng)圈表規(guī)定Ros為15歐，此值標(biāo)注在儀表面板上。 在實(shí)際測(cè)溫時(shí)，Ros都應(yīng)保持15歐。若不是15歐，應(yīng)借 助調(diào)整電阻來(lái)湊足15歐。 傳感器技術(shù)第八章 圖811是與熱電偶配套的動(dòng)圈儀表外部接線圖。 其中：“短”、“短”兩端在搬運(yùn)儀表時(shí)必須用導(dǎo)線 連接起來(lái)，以免損壞儀表，在使用時(shí)，將短接導(dǎo)線除 去。XCT101是在指示儀表的基礎(chǔ)上，加裝有調(diào)節(jié)功 能的電子部件，因此，它不僅具有顯示功能，還能實(shí) 現(xiàn)被測(cè)溫度越限報(bào)警或雙位調(diào)節(jié)，其面板上設(shè)置了一 個(gè)溫度設(shè)定旋鈕。當(dāng)被測(cè)溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，以表 內(nèi)部的繼電器動(dòng)作，可以控制加熱回路的通、斷。圖 中“高”、“總”、“低”分別是以表內(nèi)繼電器的常 閉觸點(diǎn)、動(dòng)觸點(diǎn)和常開(kāi)觸點(diǎn)。當(dāng)被測(cè)溫度低于設(shè)定的 上限值時(shí)，“低總”端子接通，“高總”端子斷 開(kāi)；當(dāng)被測(cè)溫度達(dá)到上限值時(shí)，“高總”端子接通， 而“低總”端子斷開(kāi)。“高”、“總”、“低”三 個(gè)輸出端子在外部通過(guò)適當(dāng)連接，能起到溫控或報(bào)警 的作用。 傳感器技