梁森-熱電偶傳感器

機械工業(yè)出版社

中等職業(yè)教育電氣類規(guī)劃教材

《自動檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)》

第九章

多媒體課件

2009－5－1更新2/4/20231第九章熱電偶傳感器在這一章里，卡卡要給大家介紹有關(guān)溫度、溫標、測溫方法等一些基本概念和方法，著重介紹熱電偶傳感器的原理、分類、特性及其應(yīng)用。熱電偶傳感器屬于自發(fā)電型傳感器。開爾文是英國著名的物理學(xué)家。一百多年前，他建立了熱力學(xué)溫度標度，也稱為絕對溫標。它的零度，即物質(zhì)世界可能的最低溫度，相當于攝氏零下273度，稱為絕對零度。2/4/20232第一節(jié)溫度測量的基本概念

一、溫度測量的基本概念

溫度標志著物質(zhì)內(nèi)部大量分子無規(guī)則運動的劇烈程度。溫度越高，表示物體內(nèi)部分子熱運動越劇烈。

模擬圖：在一個密閉的空間里，氣體分子在高溫時的運動速度比低溫時快！低溫高溫2/4/20233二、溫標

1、溫度的數(shù)值表示方法稱為溫標。它規(guī)定了溫度的讀數(shù)的起點（即零點）以及溫度的單位。各類溫度計的刻度均由溫標確定。

2、國際上規(guī)定的溫標有：攝氏溫標、華氏溫標、熱力學(xué)溫標等。2/4/20234幾種溫標的對比正常體溫為37C

，相當于華氏溫度多少度？2/4/20235熱力學(xué)溫標（K）

熱力學(xué)溫標是建立在熱力學(xué)第二定律基礎(chǔ)上的最科學(xué)的溫標，是由開爾文（Kelvin）根據(jù)熱力學(xué)定律提出來的，因此又稱開氏溫標。它的符號是T，單位是開爾文（K）。威廉·湯姆遜·開爾文勛爵像2/4/202361990國際溫標(ITS-90)

國際溫度咨詢委員會于1989年9月通過了1990年新的國際溫標(ITS-90),并上報國際計量委員會批準。這個新國際溫標于1990年1月1日起在全世界各國開始執(zhí)行。新溫標用“T_(90)”代表勢力學(xué)溫度,其單位仍用K表示。我國的國家法定測溫標準將統(tǒng)一采用新的國際溫，簡稱ITS-90。ITS-90定義了一系列溫度的固定點，測量和重現(xiàn)這些固定點的標準儀器以及計算公式，例如水的三相點為273.16K（0.01C）等。

2/4/20237三、溫度測量及傳感器分類溫度傳感器按照用途可分為基準溫度計和工業(yè)溫度計；按照測量方法又可分為接觸式和非接觸式；按工作原理又可分為膨脹式、電阻式、熱電式、輻射式等等；按輸出方式分，有自發(fā)電型、非電測型等。

2/4/20238介紹幾種溫度測量方法

示溫涂料（變色涂料）裝滿熱水后圖案變得清晰可辨2/4/20239變色涂料在電腦內(nèi)部溫度中的示溫作用CPU散熱風(fēng)扇低溫時顯示藍色溫度升高后變?yōu)榧t色2/4/202310體積熱膨脹式

不需要電源，耐用；但感溫部件體積較大。

氣體的體積與熱力學(xué)溫度成正比2/4/202311紅外溫度計激光瞄準2/4/202312熱電偶測溫的主要優(yōu)點

1、它屬于自發(fā)電型傳感器：測量時可以不需外加電源，可直接驅(qū)動動圈式儀表；

2、測溫范圍廣：下限可達-270C

，上限可達1800C以上；

3、各溫區(qū)中的熱電勢均符合國際計量委員會的標準。2/4/202313先看一個實驗——熱電偶工作原理演示

結(jié)論：當兩個結(jié)點溫度不相同時，回路中將產(chǎn)生電動勢。

熱電極A右端稱為：自由端（參考端、冷端）

第二節(jié)熱電偶的工作原理及分類

左端稱為：測量端（工作端、熱端）

熱電極B熱電勢AB2/4/202314從實驗到理論：熱電效應(yīng)

1821年，德國物理學(xué)家賽貝克用兩種不同金屬組成閉合回路，并用酒精燈加熱其中一個接觸點（稱為結(jié)點），發(fā)現(xiàn)放在回路中的指南針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這說明什么？

1－工作端2－熱電極

3－指南針4－參考端

2/4/202315動畫3：“結(jié)點”產(chǎn)生熱電勢的微觀解釋兩種不同的金屬互相接觸時，由于不同金屬內(nèi)自由電子的密度不同，在兩金屬A和B的接觸點處會發(fā)生自由電子的擴散現(xiàn)象。自由電子將從密度大的金屬A擴散到密度小的金屬B，使A失去電子帶正電，B得到電子帶負電，從而產(chǎn)生熱電勢。

自由電子＋ABeAB（

T）T熱電偶的圖形符號自由電子濃度高，失去電子多，帶正電自由電子濃度低，失去電子少得到電子多，帶負電2/4/202316以上演示得出的結(jié)論：

——有關(guān)熱電偶熱電勢的討論熱電偶兩結(jié)點所產(chǎn)生的總的熱電勢等于熱端熱電勢與冷端熱電勢之差，是兩個結(jié)點的溫差Δt

的函數(shù)：

EAB(T，T0)=eAB

(

T)-eAB

(

T0

)結(jié)論：熱電勢大致與兩個結(jié)點的溫差ΔT或Δt

成正比2/4/202317從實驗到理論得到有關(guān)熱電效應(yīng)的結(jié)論如果用兩盞酒精燈同時加熱兩個結(jié)點，指南針的偏轉(zhuǎn)角反而減小。這又說明什么？

結(jié)論：指南針的偏轉(zhuǎn)說明回路中有電動勢產(chǎn)生并有電流在回路中流動。熱電流的強弱與兩個結(jié)點的溫差有關(guān)，而不是與單一的一端結(jié)點的溫度成正比。2/4/202318熱電偶的種類及結(jié)構(gòu)

八種國際通用熱電偶：

B:鉑銠30—鉑銠6

、R:鉑銠13—鉑、S:鉑銠10—鉑

、

K:鎳鉻—鎳硅、

N:鎳鉻硅—鎳硅、E:鎳鉻—銅鎳、

J:鐵—銅鎳、

T:銅—銅鎳

用于制造鉑熱電偶的各種鉑熱電偶絲2/4/202319幾種常用熱電偶的測溫范圍及熱電勢

分度號

名稱

測量溫度范圍

1000C熱電勢/mVB鉑銠30－鉑銠650～1820C4.834R鉑銠13—鉑-50～1768C10.506S鉑銠10—鉑-50～1768C9.587K鎳鉻－鎳鉻

(鋁)-270～1370C41.276E鎳鉻－銅鎳(康銅)－270～800C——5種熱電偶的測溫范圍與熱電勢各有什么特點？2/4/202320幾種常用熱電偶的熱電勢與溫度的關(guān)系曲線分析

哪幾種熱電偶的測溫上限較高？

哪幾種熱電偶的線性較差？

哪一種熱電偶的靈敏度較高？

哪一種熱電偶的靈敏度較低？為什么所有的曲線均過原點（零度點）？2/4/202321熱電偶的分度表

——熱電偶的線性較差，多數(shù)情況下采用查表法我國從1991年開始采用國際計量委員會規(guī)定的“1990年國際溫標”（簡稱ITS-90）的新標準。按此標準，制定了相應(yīng)的分度表，并且有相應(yīng)的線性化集成電路與之對應(yīng)。

直接從熱電偶的分度表查溫度與熱電勢的關(guān)系時的約束條件是：自由端（冷端）溫度必須為0C。

本教材的附錄D列出了工業(yè)中常用的鎳鉻-鎳硅（K）熱電偶的分度表。2/4/202322如何利用熱電偶的分度表

假設(shè)熱電偶的冷端溫度為0C，請根據(jù)本教材的附錄——工業(yè)中常用的鎳鉻-鎳硅（K）熱電偶的分度表，查出-100℃、0℃、

100℃

時的熱電勢。數(shù)字式溫度表溫度上限設(shè)定值溫度上限值設(shè)定鍵2/4/202323K熱電偶的分度表

比較查出的3個熱電勢，可以看出熱電勢是否線性？2/4/202324如何由熱電偶的熱電勢查熱端溫度值

設(shè)冷端為0C，根據(jù)以下電路中的毫伏表的示值及K熱電偶的分度表，查出熱端的溫度tx

。2/4/202325裝配型熱電偶的外形安裝螺紋安裝法蘭2/4/202326普通裝配型熱電偶的

結(jié)構(gòu)放大圖

接線盒引出線套管

固定螺紋

（出廠時用塑料包裹）熱電偶工作端（熱端）

不銹鋼保護管

2/4/202327鎧裝型熱電偶

鎧裝熱電偶的制造工藝：把熱電極材料與高溫絕緣材料預(yù)置在金屬保護管中、運用同比例壓縮延伸工藝、將這三者合為一體，制成各種直徑、規(guī)格的鎧裝偶體，再截取適當長度、將工作端焊接密封、配置接線盒即成為柔軟、細長的鎧裝熱電偶。

鎧裝熱電偶特點：內(nèi)部的熱電偶絲與外界空氣隔絕，有著良好的抗高溫氧化、抗低溫水蒸氣冷凝、抗機械外力沖擊的特性。鎧裝熱電偶可以制作得很細，能解決微小、狹窄場合的測溫問題，且具有抗震、可彎曲、超長等優(yōu)點。

2/4/202328鎧裝型熱電偶外形法蘭鎧裝型熱電偶可長達上百米薄壁金屬保護套管（鎧體）

BA絕緣材料鎧裝型熱電偶橫截面2/4/202329隔爆型熱電偶

結(jié)構(gòu)特點：隔爆熱電偶的接線盒在設(shè)計時采用防爆的特殊結(jié)構(gòu)，它的接線盒是經(jīng)過壓鑄而成的，有一定的厚度、隔爆空間，機構(gòu)強度較高；采用螺紋隔爆接合面，并采用密封圈進行密封，因此，當接線盒內(nèi)一旦放弧時，不會與外界環(huán)境的危險氣體傳爆，能達到預(yù)期的防爆、隔爆效果。

使用場合：工業(yè)用的隔爆型熱電偶多用于化學(xué)工業(yè)自控系統(tǒng)中（由于在化工生產(chǎn)廠、生產(chǎn)現(xiàn)場常伴有各種易燃、易爆等化學(xué)氣體或蒸汽，如果用普通熱電偶則非常不安全、很容易引起環(huán)境氣體爆炸）。2/4/202330隔爆型熱電偶外形厚壁保護管壓鑄的接線盒電纜線2/4/202331其他熱電偶外形小形K型熱電偶2/4/202332第三節(jié)熱電偶冷端的延長

采用相對廉價的補償導(dǎo)線，可延長熱電偶的冷端，使之遠離高溫區(qū)；可節(jié)約大量貴金屬；易彎曲，便于敷設(shè)。

型號配用熱電偶正-負導(dǎo)線外皮顏色正-負SC鉑銠10-鉑紅-綠KC鎳鉻-鎳硅紅-藍WC5/26鎢錸5-鎢錸26

紅-橙補償導(dǎo)線在0～100C范圍內(nèi)的熱電勢與配套的熱電偶的熱電勢相等，所以不影響測量精度。2/4/202333補償導(dǎo)線型號（續(xù)）型號配用熱電偶正-負型號導(dǎo)線外皮顏色正-負100℃時的熱電勢/mVRC

R（鉑銠13—鉑）RC紅-綠0.647NC

N（鎳鉻硅—鎳硅）NC紅-黃2.744EX

E（鎳鉻—銅鎳）EX紅-棕6.319JXJ（鐵—銅鎳）JX紅-紫5.264TX

T（銅—銅鎳）

TX紅-白4.2792/4/202334補償導(dǎo)線外形

A’B’屏蔽層保護層2/4/202335第四節(jié)熱電偶的冷端溫度補償

必要性：

1、用熱電偶的分度表查毫伏數(shù)-溫度時，必須滿足t0=0℃的條件。在實際測溫中，冷端溫度常隨環(huán)境溫度而變化，這樣t0不但不是0℃，而且也不恒定，因此將產(chǎn)生誤差。

2、一般情況下，冷端溫度均高于0℃，熱電勢總是偏小。應(yīng)想辦法消除或補償熱電偶的冷端損失。2/4/202336冷端溫度補償?shù)姆椒ㄒ?、冷端恒溫法：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。此法也稱冰浴法，它消除了t0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驗室中。

2/4/202337冰浴法在冰瓶中，冰水混合物的溫度能較長時間地保持在0℃不變。2/4/202338冰浴法接線圖

1—被測流體管道

2—熱電偶

3—接線盒

4—補償導(dǎo)線

5—銅質(zhì)導(dǎo)線

6—毫伏表

7—冰瓶

8—冰水混合物

9—試管

10—新的冷端

2/4/202339二、計算修正法當熱電偶的冷端溫度t00C時，由于熱端與冷端的溫差隨冷端的變化而變化，所以測得的熱電勢EAB（t，t0）與冷端為0℃時所測得的熱電勢EAB（t，0℃）不等。若冷端溫度高于0℃，則EAB（t，t0）<EAB（t，0℃）。可以利用下式計算并修正測量誤差：

EAB（t，0℃）=EAB（t，t0）+EAB（t0，0℃）2/4/202340計算修正法舉例

K熱電偶測溫電路中，熱電極A、B直接焊接在鋼板上，A’、B’為補償導(dǎo)線，Cu為銅導(dǎo)線，已知接線盒1的溫度t1=40℃，冰瓶中為冰水混合物，接線盒3的溫度t3=20.0℃。求：1）冰瓶的溫度t2；2）將熱電極直接焊在鋼板上是應(yīng)用了熱電偶的什么定律？3）當Ux=29.9mV時，估算被測點溫度tx；4）如果冰瓶中的冰完全融化，溫度上升到與接線盒1的溫度相同，此時的Ux=27.3mV，再求tx。2/4/202341三、儀表機械零點調(diào)整法

用螺絲刀調(diào)節(jié)儀表面板上的“機械零點”，使指針指到氣溫t0（圖中為40C）的刻度上。機械零點指針被預(yù)調(diào)到室溫（40C

）可補償冷端損失2/4/202342四、電橋補償法

XT-WBC熱電偶冷端補償器電橋補償法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓來自動補償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢變化值，可購買與被補償熱電偶對應(yīng)型號的補償電橋。

2/4/202343半導(dǎo)體集成溫度傳感器及熱電偶冷端溫度的測量

PN結(jié)是集成溫度傳感器的最基礎(chǔ)的測溫原件

PN結(jié)的溫度特性

結(jié)論：二極管的正向電壓降UD以

-2mV/℃的趨勢變化

2/4/202344集成溫度傳感器的類型

集成溫度傳感器可分為：模擬型集成溫度傳感器和數(shù)字型集成溫度傳感器。模擬型的輸出信號形式有電壓型和電流型兩種。電壓型的靈敏度多為10mV/℃（以攝氏溫度0℃作為電壓的零點），電流型的靈敏度多為1μA/K（以絕對溫度0K作為電流的零點）；數(shù)字型又可以分為開關(guān)輸出型、并行輸出型、串行輸出型等幾種不同的形式。

2/4/202345模擬型集成溫度傳感器電流輸出型集成溫度傳感器

電流輸出型溫度傳感器能產(chǎn)生一個與絕對溫度成正比的電流作為輸出，AD590是電流輸出型溫度傳感器的典型產(chǎn)品。

2/4/202346AD590封裝示意圖空腳（接地）2/4/202347AD590的基本轉(zhuǎn)換電路電流-電壓轉(zhuǎn)換電路（10mV/K）

增加負載電阻的阻值可提高輸出電壓。2/4/202348電壓輸出型集成溫度傳感器——

LM35/45LM35/45的外形及引腳圖

2/4/202349電壓輸出型集成溫度傳感器

——

LM35/45

LM35/45構(gòu)成的攝氏溫度測量電路及組裝成的測溫傳感器2/4/202350在電腦中，集成溫度傳感器用于CPU散熱保護電路散熱風(fēng)扇集成溫度ICCPU插座CPU散熱片2/4/202351數(shù)字輸出型集成溫度傳感器

單片集成溫度傳感器內(nèi)部包含高達上萬個晶體管，能將測溫PN結(jié)傳感器、高精度放大器、多位A/D轉(zhuǎn)換器、邏輯控制電路、總線接口等做在一塊芯片中，可通過總線接口，將溫度數(shù)據(jù)傳送給諸如單片機、PC、PLC等上位機。不會產(chǎn)生模擬信號傳輸時電壓衰減造成的誤差，抗電磁干擾能力較強。

目前在集成溫度傳感器中常用的總線有：I-Wire總線、I2C總線、USB總線、SPI總線、SMBUS總線等。2/4/202352專用熱電偶冷端溫度補償芯片

MAX6675是基于SPI總線、專門用于對工業(yè)中最常用的鎳絡(luò)-鎳硅K型熱電偶進行溫度補償?shù)男酒?。它能將補償后的熱電勢轉(zhuǎn)換為代表溫度的數(shù)字脈沖，從SPI串行接口輸出。

2/4/202353第六節(jié)熱電偶的應(yīng)用及配套儀表

由于我國生產(chǎn)的熱電偶均符合ITS-90國際溫標所規(guī)定的標準，其一致性非常好，所以國家又規(guī)定了與標準熱電偶配套的儀表，它們的顯示值為溫度，而且均已線性化。國家標準的動圈式顯示儀表命名為XC系列。有指示型（XCZ）和指示調(diào)節(jié)型（XCT）等系列品種。與K型熱電偶配套的動圈儀表型號為XCZ-101或XCT-101等。數(shù)字式儀表也有指示型（XMZ）和指示調(diào)節(jié)型（XMT）等幾種系列品種。

2/4/202354XCZ系列指針式顯示儀表

XC系列動圈式儀表測量機構(gòu)的核心部件是一個磁電式毫伏計。動圈式儀表與熱電偶配套測溫時，熱電偶、連接導(dǎo)線（補償導(dǎo)線）、調(diào)整電阻和顯示儀表組成了一個閉合回路。

1—熱電偶2—補償導(dǎo)線3—冷端補償器4—外接調(diào)整電阻5—銅導(dǎo)線6—動圈7—張絲8—磁鋼（極靴）

9—指針

10—刻度面板

2/4/202355XMZ系列智能數(shù)字顯示儀表

特點：

1、帶冷端溫度自動補償；

2、單片機智能化設(shè)計，儀表零點、量程等全部參數(shù)可按鍵設(shè)定；

3、具有軟件校驗功能，可通過按鍵對儀表進行校準；