工業(yè)檢測技術第5章.

1、第5章 熱電偶傳感器 5.1.1 5.1.1 熱電偶工作原理熱電偶工作原理 1 1熱電效應熱電效應 將兩種不同成分的導體組成一個閉合回路，當閉合回路的將兩種不同成分的導體組成一個閉合回路，當閉合回路的兩個接點分別置于不同溫度場中時，回路中將產(chǎn)生一個電動勢。兩個接點分別置于不同溫度場中時，回路中將產(chǎn)生一個電動勢。這種現(xiàn)象被稱為這種現(xiàn)象被稱為“熱電效應熱電效應”。兩種導體組成的回路被稱為。兩種導體組成的回路被稱為“熱電偶熱電偶”，這兩種導體被稱為，這兩種導體被稱為“熱電極熱電極”，產(chǎn)生的電動勢則，產(chǎn)生的電動勢則被稱為被稱為“熱電動勢熱電動勢”。熱電偶的兩個工作端分別被稱為。熱電偶的兩個工作端分別被

2、稱為熱端熱端和和冷端冷端。 圖5.1 熱電偶回路 第5章 熱電偶傳感器 2 2接觸電動勢接觸電動勢 當當A A和和B B兩種不同材料的導體接觸時，在兩種不同材料的導體接觸時，在A A與與B B兩導體的接觸處產(chǎn)生的兩導體的接觸處產(chǎn)生的電位差，稱為電位差，稱為接觸電動勢接觸電動勢。 eAB(t) =UA(t)-UB(t) eAB(t0) =UA(t0)-UB(t0) 接觸電動勢的大小與接點處溫度高低和導體的電子密度有關。溫度接觸電動勢的大小與接點處溫度高低和導體的電子密度有關。溫度越高，接觸電動勢越大；兩種導體電子密度的比值越大，接觸電動勢越越高，接觸電動勢越大；兩種導體電子密度的比值越大，接觸電

3、動勢越大。大。 3 3溫差電動勢溫差電動勢， 若將導體若將導體A A或或B B的兩端分別置于不同的溫度場的兩端分別置于不同的溫度場t t、t t0 0中（中（t t t t0 0），），在導體兩端便產(chǎn)生了電位差，將該電位差稱為在導體兩端便產(chǎn)生了電位差，將該電位差稱為溫差電動勢溫差電動勢。 eA (t，t0) =UA(t)-UA(t0) eB(t，t0) =UB(t)-UB(t0) 溫差電動勢的大小與導體的電子密度及兩端溫度有關。溫差電動勢的大小與導體的電子密度及兩端溫度有關。第5章 熱電偶傳感器 4 4熱電偶回路的總電勢熱電偶回路的總電勢 熱電偶回路的熱電偶回路的總電勢總電勢為為 EAB( (

4、t，t0) )=eAB( (t) )eAB( (t0) )eA( (t，t0) )eB( (t，t0) ) 一般地，在熱電偶回路中接觸電動勢遠遠大于溫差電動勢，所以一般地，在熱電偶回路中接觸電動勢遠遠大于溫差電動勢，所以溫差電動勢可以忽略不計溫差電動勢可以忽略不計 EAB( (t，t0) )=eAB( (t) )- -eAB( (t0) ) 熱電偶回路中熱電勢的大小，只與組成熱電偶的導體材料和兩接熱電偶回路中熱電勢的大小，只與組成熱電偶的導體材料和兩接點的溫度有關，而與熱電偶的形狀尺寸無關。當熱電偶兩電極材料固點的溫度有關，而與熱電偶的形狀尺寸無關。當熱電偶兩電極材料固定后，熱電動勢便是兩接點

5、溫度為定后，熱電動勢便是兩接點溫度為t和和t0時的函數(shù)差，即時的函數(shù)差，即EAB( (t，t0) )=f( (t) )- -f( (t0) ) 如果使冷端溫度如果使冷端溫度t0保持不變，則熱電動勢便成為熱端溫度保持不變，則熱電動勢便成為熱端溫度t的單一的單一函數(shù)，即函數(shù)，即 EAB( (t，t0) )=f( (t) )- -C=( (t) ) 用實驗方法求取這個函數(shù)關系。通常令用實驗方法求取這個函數(shù)關系。通常令t0=0，然后在不同的溫差，然后在不同的溫差（t - - t0）情況下，精確地測定出回路總熱電動勢，并將所測得的結果）情況下，精確地測定出回路總熱電動勢，并將所測得的結果列成表格（稱為熱

6、電偶分度表），供使用時查閱。列成表格（稱為熱電偶分度表），供使用時查閱。 第5章 熱電偶傳感器 5.1.2 5.1.2 熱電偶的基本定律熱電偶的基本定律 1 1均質導體定律均質導體定律 如果熱電偶回路中的兩個熱電極材料相同，無論兩接點的溫度如何，如果熱電偶回路中的兩個熱電極材料相同，無論兩接點的溫度如何，熱電勢均為零。熱電勢均為零。 2 2中間導體定律中間導體定律 在熱電偶回路中接入第三種導體，只要第三種導體和原導體的兩接點在熱電偶回路中接入第三種導體，只要第三種導體和原導體的兩接點溫度相同，則回路中總的熱電動勢不變。溫度相同，則回路中總的熱電動勢不變。 3 3標準電極定律標準電極定律 如果兩

7、種導體分別與第三種導體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢已知，如果兩種導體分別與第三種導體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢已知，則由這兩種導體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢也就已知。則由這兩種導體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢也就已知。 4 4中間溫度定律中間溫度定律 熱電偶在兩接點溫度熱電偶在兩接點溫度t t、t t0 0 時的熱電動勢等于該熱電偶在接點溫度為時的熱電動勢等于該熱電偶在接點溫度為t t、tn n和和t tn n、t t0 0時的相應熱電動勢的代數(shù)和。時的相應熱電動勢的代數(shù)和。 EABAB（t，t0 0）= = EABAB（t，tn n）+ + EABAB（tn n，t0 0） 第5章 熱電

8、偶傳感器 5.2.1 5.2.1 熱電偶材料熱電偶材料 根據(jù)金屬的熱電效應原理，組成熱電偶的熱電極可以是任意的金屬材根據(jù)金屬的熱電效應原理，組成熱電偶的熱電極可以是任意的金屬材料，但在實際應用中，用作熱電極的材料應具備如下幾方面的條件：料，但在實際應用中，用作熱電極的材料應具備如下幾方面的條件： （1 1）測量范圍廣。）測量范圍廣。 （2 2）性能穩(wěn)定。）性能穩(wěn)定。 （3 3）化學性能好。）化學性能好。 5.2.2 5.2.2 熱電偶結構熱電偶結構 1 1普通工業(yè)熱電偶的結構普通工業(yè)熱電偶的結構 熱電極、絕緣管、熱電極、絕緣管、 保護套管、接線盒保護套管、接線盒 2 2鎧裝熱電偶鎧裝熱電偶 由

9、金屬套管、絕緣材料和熱電極經(jīng)焊由金屬套管、絕緣材料和熱電極經(jīng)焊 接密封和裝配等工藝制成的堅實的組合體。接密封和裝配等工藝制成的堅實的組合體。 1測量端；2熱電極；3絕緣食管；4保護管；5接線盒圖5.4 普通工業(yè)熱電偶結構 第5章 熱電偶傳感器 5.2.3 5.2.3 熱電偶種類及分度表熱電偶種類及分度表 1 1標準型熱電偶標準型熱電偶名名 稱稱新（舊）分度號新（舊）分度號代號代號測溫范圍（測溫范圍（ C C）鉑銠30-鉑銠6B (LL-2)WRR501280鉑銠13-鉑R (PR)-501768鉑銠10-鉑S (LB-3)WRP-501768鎳鉻-鎳硅K (EU-2)WRN-2701370鎳鉻

10、硅-鎳硅N-2701370鎳鉻-銅鎳（康銅）E (EA-2)WRK-270800鐵-銅鎳（康銅）J (JC)-210760銅-銅鎳（康銅）T (CK)WRC-2704002 2非標準型熱電偶非標準型熱電偶 非標準型熱電偶包括鉑銠系、銥銠系及鎢錸系熱電偶等。非標準型熱電偶包括鉑銠系、銥銠系及鎢錸系熱電偶等。 3 3薄膜熱電偶薄膜熱電偶 薄膜熱電偶是由兩種金屬薄膜連接而成的一種特殊結構的熱電偶。薄膜熱電偶是由兩種金屬薄膜連接而成的一種特殊結構的熱電偶。第5章 熱電偶傳感器 1 1冷浴法冷浴法 將熱電偶的冷端置于溫度為將熱電偶的冷端置于溫度為00的恒溫器內（如冰水混合物），使冷的恒溫器內（如冰水混合

11、物），使冷端溫度處于端溫度處于00。這種裝置通常用于實驗室或精密的溫度測量。這種裝置通常用于實驗室或精密的溫度測量。 2 2補償導線法補償導線法 所謂補償導線，實際上是一對材料的化學成分不同的導線，在所謂補償導線，實際上是一對材料的化學成分不同的導線，在0 0150150溫度范圍內與配接的熱電偶有一致的熱電特性，但價格相對要便宜。溫度范圍內與配接的熱電偶有一致的熱電特性，但價格相對要便宜。利用補償導線，將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的場所（如儀表室），其利用補償導線，將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的場所（如儀表室），其實質是相當于將熱電極延長。實質是相當于將熱電極延長。 3 3計算修正法計算修正法

12、 EABAB（t t，0 0）= =EABAB（t t，t t1 1）+ +EABAB（t t1 1，0 0） 【例【例5.25.2】用鎳鉻用鎳鉻- -鎳硅熱電偶測爐溫，當冷端溫度為鎳硅熱電偶測爐溫，當冷端溫度為3030（且為恒定時），（且為恒定時）， 測出熱端溫度為測出熱端溫度為t時的熱電動勢為時的熱電動勢為39.17mV39.17mV，求爐子的真實溫度。，求爐子的真實溫度。 第5章 熱電偶傳感器 4 4補償電橋法補償電橋法 補償電橋法利用不平衡電橋補償電橋法利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電勢來補償因冷端產(chǎn)生的不平衡電勢來補償因冷端溫度變化引起的熱電動勢變化值，溫度變化引起的熱電動勢變化值，可以

13、自動地將冷端溫度校正到補可以自動地將冷端溫度校正到補償電橋的平衡點溫度上。償電橋的平衡點溫度上。 5 5顯示儀表零位調整法顯示儀表零位調整法 如果熱電偶冷端溫度已知且如果熱電偶冷端溫度已知且恒定，則可預先將有零位調整器恒定，則可預先將有零位調整器的顯示儀表的指針從刻度的初始的顯示儀表的指針從刻度的初始值調至已知的冷端溫度值上，這值調至已知的冷端溫度值上，這時顯示儀表的示值即為被測量的時顯示儀表的示值即為被測量的實際溫度值。實際溫度值。 1熱電偶；2補償導線；3銅導線；4補償電橋圖5.5 熱電偶冷端補償電橋由鎳鉻由鎳鉻- -鎳硅熱電偶分度表查出鎳硅熱電偶分度表查出E（3030，0 0）=1.20

14、=1.20mV，可以計算出，可以計算出 E（t t，0 0）= =（39.17+1.2039.17+1.20）mV=40.37=40.37mV再通過分度表查出其對應的實際溫度為再通過分度表查出其對應的實際溫度為t=977=977。第5章 熱電偶傳感器 1 1測量某一點的溫度測量某一點的溫度 2 2測量兩點之間的溫度差測量兩點之間的溫度差 圖5.7 測量兩點間溫差 圖5.6 測量某點溫度 第5章 熱電偶傳感器 3 3熱電偶并聯(lián)線路熱電偶并聯(lián)線路 4 4熱電偶串聯(lián)線路熱電偶串聯(lián)線路 圖5.9 熱電偶串聯(lián) 圖5.8 熱電偶并聯(lián) 12=+=nEEEEnE串nEEEEn21并第5章 熱電偶傳感器 5.5

15、.1 5.5.1 金屬熱電阻金屬熱電阻 大多數(shù)金屬導體的電阻，都具有隨大多數(shù)金屬導體的電阻，都具有隨溫度變化的特性。溫度變化的特性。 Rt t= =R0 0 1+1+ ( (t- -t0 0) 1 1鉑熱電阻鉑熱電阻 鉑絲的電阻值與溫度之間的關系：鉑絲的電阻值與溫度之間的關系：在在0630.755范圍內為范圍內為 Rt t= =R0 0( (1+1+At+ +Bt2 2) )在在-1900范圍內為范圍內為 Rt t= =R0 0 1+1+At+ +Bt2 2+ +C( (t- -100) )t3 3 2 2測量電路測量電路 采用三線制或四線制測量電路，可采用三線制或四線制測量電路，可以克服長連

16、接導線的電阻在環(huán)境溫度變以克服長連接導線的電阻在環(huán)境溫度變化時造成測量誤差化時造成測量誤差 。 （a）截面圖 （b）結構圖 1銀引出線；2鉑絲；3鋸齒形云母骨架；4保護用云母片；5銀綁帶；6鉑電阻橫斷面；7保護套管；8石英骨架圖5.10 鉑熱電阻的構造 第5章 熱電偶傳感器 （1 1）三線制三線制連接法測量電路連接法測量電路 在測量過程中，當環(huán)境溫在測量過程中，當環(huán)境溫度發(fā)生變化時，導線電阻發(fā)生度發(fā)生變化時，導線電阻發(fā)生變化。當然，變化。當然，LgLg的電阻變化不的電阻變化不影響電橋的平衡，影響電橋的平衡，L L2 2和和L L3 3的電阻的電阻變化可以相互平衡而自動抵消。變化可以相互平衡而自

17、動抵消。 （2 2）四線制四線制連接法測量電路連接法測量電路 R Rp p不僅可調整電橋的平衡，不僅可調整電橋的平衡，而且其觸點的接觸電阻的變化而且其觸點的接觸電阻的變化是與指示電表串聯(lián)，接在電橋是與指示電表串聯(lián)，接在電橋的對角線內，其不穩(wěn)定因素也的對角線內，其不穩(wěn)定因素也不會影響電橋的平衡。不會影響電橋的平衡。 圖5.12 三線制連接法測量電路 圖5.13 四線制連接法測量電路 第5章 熱電偶傳感器 3 3銅電阻銅電阻 銅電阻與溫度呈線性關系，可用下式表示：銅電阻與溫度呈線性關系，可用下式表示：Rt t= =R0 0（1+1+at） 4 4其他熱電阻其他熱電阻 （1 1）銦電阻。它是一種高精

18、度低溫熱電阻。銦的熔點約為）銦電阻。它是一種高精度低溫熱電阻。銦的熔點約為150150，在，在4.24.215K15K溫度域內其靈敏度比鉑的高溫度域內其靈敏度比鉑的高1010倍，故可用于不能使用鉑的低溫倍，故可用于不能使用鉑的低溫范圍。其缺點是材料很軟，復制性很差。范圍。其缺點是材料很軟，復制性很差。 （2 2）錳電阻。錳電阻的特點是在）錳電阻。錳電阻的特點是在2 263K63K的低溫范圍內，電阻值隨溫的低溫范圍內，電阻值隨溫度變化很大，靈敏度高；在度變化很大，靈敏度高；在2 216K16K的溫度范圍內，電阻率隨溫度平方變的溫度范圍內，電阻率隨溫度平方變化。磁場對錳電阻的影響不大，且有規(guī)律。錳

19、電阻的缺點是脆性很大，化。磁場對錳電阻的影響不大，且有規(guī)律。錳電阻的缺點是脆性很大，難以控制成絲。難以控制成絲。 圖5.14 銅熱電阻體 第5章 熱電偶傳感器 5.5.2 5.5.2 半導體熱敏電阻半導體熱敏電阻 1 1負溫度系數(shù)熱敏電阻（負溫度系數(shù)熱敏電阻（NTCNTC） 2 2正溫度系數(shù)熱敏電阻（正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTCPTC） 熱敏電阻按結構形式可分為熱敏電阻按結構形式可分為體型體型、薄膜型薄膜型、厚膜型厚膜型三種；按工作三種；按工作方式可分為直熱式、旁熱式、延遲電路三種；按工作溫區(qū)可分為常溫方式可分為直熱式、旁熱式、延遲電路三種；按工作溫區(qū)可分為常溫區(qū)（區(qū)（-60-60200200）

20、、高溫區(qū)（）、高溫區(qū)（200200）、低溫區(qū)熱敏電阻三種。熱敏）、低溫區(qū)熱敏電阻三種。熱敏電阻可根據(jù)使用要求，封裝加工成各種形狀的探頭，如珠狀、片狀及電阻可根據(jù)使用要求，封裝加工成各種形狀的探頭，如珠狀、片狀及桿狀、錐狀、針狀等，如圖桿狀、錐狀、針狀等，如圖5.165.16所示。所示。 1突變型NTC；2負指數(shù)型NTC；3線性型PTC；4突變型PTC 圖5.15 熱敏電阻的特性曲線 1熱敏電阻；2玻璃外殼；3引出線圖5.16 熱敏電阻的結構外形與符號 第5章 熱電偶傳感器 5.5.3 5.5.3 集成溫度傳感器集成溫度傳感器 集成溫度傳感器集成溫度傳感器就是在一塊極小的半導體芯片上集成了包括敏

21、感器就是在一塊極小的半導體芯片上集成了包括敏感器件、信號放大電路、溫度補償電路、基準電源電路等在內的各個單元，件、信號放大電路、溫度補償電路、基準電源電路等在內的各個單元，它使傳感器與集成電路融為一體。它使傳感器與集成電路融為一體。 1 1AD590AD590系列集成溫度傳感器系列集成溫度傳感器 圖5.17 AD590外形和電路符號 圖5.18 AD590特性曲線 第5章 熱電偶傳感器 2 2其他類型的國產(chǎn)集成溫度傳感器其他類型的國產(chǎn)集成溫度傳感器 （1）SL134M集成溫度傳感器集成溫度傳感器 SL134M是一種電流型三端器件，它是利用晶體管的電流密度差來工是一種電流型三端器件，它是利用晶體

22、管的電流密度差來工作的。作的。 （2）SL616ET集成溫度傳感器集成溫度傳感器 SL616ET是一種電壓輸出型四端器件，由基準電壓、溫度傳感器、是一種電壓輸出型四端器件，由基準電壓、溫度傳感器、運算放大器三部分電路組成，整個電路可在運算放大器三部分電路組成，整個電路可在7V以上的電源電壓范圍內工以上的電源電壓范圍內工作。作。 圖5.19 U-I轉換電路圖5.20 基準點可調整電路第5章 熱電偶傳感器 3 3典型應用典型應用 （1）溫度控制電路：如圖）溫度控制電路：如圖5.22所示為用所示為用AD590做可變溫度控制電路做可變溫度控制電路的原理圖，此圖如同一個閉環(huán)電路。的原理圖，此圖如同一個閉

23、環(huán)電路。 圖5.22 溫度控制電路第5章 熱電偶傳感器 （2）數(shù)字溫控電路：圖）數(shù)字溫控電路：圖5.235.23所示為所示為AD590AD590與一個與一個8 8位位D/AD/A的組合電路。的組合電路。 圖5.23 數(shù)字溫控電路第5章 熱電偶傳感器 （3）采用集成溫度傳感器的數(shù)字式溫度計。由集成溫度傳感器）采用集成溫度傳感器的數(shù)字式溫度計。由集成溫度傳感器AD590AD590及及A/DA/D轉換器轉換器71067106等組成的數(shù)字式溫度計。等組成的數(shù)字式溫度計。 圖5.24 集成溫度傳感器的數(shù)字式溫度計 第5章 熱電偶傳感器 （4）溫度上下限報警。如圖）溫度上下限報警。如圖5.25所示，此電路

24、中要用運放構成遲滯所示，此電路中要用運放構成遲滯電壓比較器，晶體管電壓比較器，晶體管VT1和和VT2根據(jù)運放輸入狀態(tài)而導通或截止，根據(jù)運放輸入狀態(tài)而導通或截止，RT、R1、R2、R3構成一個輸入電橋構成一個輸入電橋 。圖5.25 溫度上下限報警電路 第5章 熱電偶傳感器 （5）電動機保護器。電動機往往由于超負荷、缺相及機械傳動部分）電動機保護器。電動機往往由于超負荷、缺相及機械傳動部分發(fā)生故障等原因造成繞組發(fā)熱，利用發(fā)生故障等原因造成繞組發(fā)熱，利用PTR熱敏電阻具有正溫度系數(shù)這一熱敏電阻具有正溫度系數(shù)這一特性可實現(xiàn)電機的過熱保護。如圖特性可實現(xiàn)電機的過熱保護。如圖5.26所示為電動機保護器電路。所示為電動機保護器電路。 圖5.26 電動機