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第(Di)八章熱電式傳感器熱電傳感器熱能電能測量：溫度、與溫度有關的參量——熱電偶溫度電勢電阻金屬半導體熱電阻熱敏電阻——PN結型溫度傳感器第一頁，共四十五頁。溫差熱電偶（簡稱熱電偶）具有結構簡單，測量范圍寬、準(Zhun)確度高、熱慣性小，輸出信號為電信號便于遠傳或信號轉換等優(yōu)點.熱電偶溫度傳感器★熱電偶的工作原理★熱電偶回路的性質★熱電偶的常用材料與結構★冷端處理及補償★熱電偶的選擇、安裝使用和校驗第七章第二頁，共四十五頁。8.3.1熱電偶(Ou)測溫原理熱電偶：兩種不同的金屬A和B構成閉合回路 當兩個接觸端T﹥T0時，回路中會產生熱電勢

熱電勢由兩種材料的接觸電勢和單一材料的溫差電勢決定第三頁，共四十五頁。兩種不同的導體或半導體A和B組合成如圖所示閉合回路，若導體A和B的連接處溫度不同（設T＞T0），則在此閉合回路中就有電流產(Chan)生，也就是說回路中有電動勢存在，這種現(xiàn)象叫做熱電效應。熱電偶原理圖TT0AB回路中所產生的電動勢，叫熱電勢。熱電勢由兩部分組成，即溫差電勢和接觸電勢。冷端熱端第四頁，共四十五頁。1.接(Jie)觸電勢接觸電勢原理圖+ABTeAB(T)-eAB(T)——導體A、B結點在溫度T時形成的接觸電動勢；e——單位電荷，e=1.6×10-19C；k——波爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J/K

；NA、NB

——導體A、B在溫度為T時的電子密度。接觸電勢的大小與溫度高低及導體中的電子密度有關。第七章擴散擴散電場漂移第五頁，共四十五頁。2.溫(Wen)差電勢δ——湯姆遜系數(shù)，它表示溫度為1℃時所產生的電動勢值，它與材料的性質有關。溫差電勢（湯姆遜電勢）第六頁，共四十五頁。AeA(T,To)ToTeA(T，T0)——導體A兩端溫度為T、T0時形成的溫差電動勢；T，T0——高低端的絕對溫度；σA——湯姆遜(Xun)系數(shù)，表示導體A兩端的溫度差為1℃時所產生的溫差電動勢，例如在0℃時，銅的σ=2μV/℃。2.溫差電勢溫差電勢原理圖第七章第七頁，共四十五頁。由導體材料A、B組成的閉合回路，其接點溫(Wen)度分別為T、T0,如果T＞T0，則必存在著兩個接觸電勢和兩個溫差電勢，回路總電勢：T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3.回路總電勢第七章第八頁，共四十五頁。3.熱電偶回(Hui)路的總熱電勢第九頁，共四十五頁。熱電極A和B為同一種材料時，NA=NB,δA=δB， 則EAB(T,T0)=0。若熱電偶兩端處于同一溫度下，T=T0， 則EAB(T,T0)=0。熱電勢存在必須具備兩個條件： 一、兩種不同的金屬材料組(Zu)成熱電偶， 二、它的兩端存在溫差。

第十頁，共四十五頁。熱電(Dian)勢是T和T0的溫度函數(shù)的差，而不是溫度的函數(shù)。當T0=0℃時，f(T0)=0則有：E與T之間有唯一對應的單值函數(shù)關系，因此就可以用測量到的熱電勢E來得到對應的溫度值T，熱電偶熱電勢的大小，只是與導體A和B的材料有關，與冷熱端的溫度有關，與導體的粗細長短及兩導體接觸面積無關。第十一頁，共四十五頁。總(Zong)結結論(4點)：1、熱電偶回路熱電勢只與組成熱電偶的材料及兩端溫度有關；與熱電偶的長度、粗細無關。2、只有用不同性質的導體(或半導體)才能組合成熱電偶；相同材料不會產生熱電勢，因為當A、B兩種導體是同一種材料時，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。第十二頁，共四十五頁。4、導體材料確定后，熱電勢的大小只與熱電偶兩端的溫(Wen)度有關。如果使EAB(T0)=常數(shù)，則回路熱電勢EAB(T，T0)就只與溫度T有關，而且是T的單值函數(shù)，這就是利用熱電偶測溫的原理。3、只有當熱電偶兩端溫度不同,熱電偶的兩導體材料性質不同時才能有熱電勢產生。對于有幾種不同材料串聯(lián)組成的閉合回路，接點溫度分別為T1、T2、

…、Tn，冷端溫度為零度的熱電勢。其熱電勢為

E=EAB（T1）+EBC（T2）+…+ENA（Tn）第十三頁，共四十五頁。熱(Re)電偶的分度表不同金屬組成的熱電偶，溫度與熱電動勢之間有不同的函數(shù)關系，一般通過實驗的方法來確定，并將不同溫度下測得的結果列成表格，編制出熱電勢與溫度的對照表，即分度表。供查閱使用，每10℃分檔。中間值按內插法計算。第十四頁，共四十五頁。S型(鉑銠(Lao)10-鉑)熱電偶分度表第十五頁，共四十五頁。

在熱電偶測溫回路內，接入第三種導(Dao)體時，只要第三種導(Dao)體的兩端溫度相同，則對回路的總熱電勢沒有影響。1、中間導體定律應用：利用熱電偶進行測溫，必須在回路中引入連接導線和儀表，接入導線和儀表后不會影響回路中的熱電勢。

熱電偶基本定律第十六頁，共四十五頁。測量儀表及引線作(Zuo)為第三種導體的熱電偶回路第十七頁，共四十五頁。2、中間溫度(Du)定律eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0)在熱電偶測溫回路中，tc為熱電極上某一點的溫度，熱電偶AB在接點溫度為t、t0時的熱電勢eAB(t,t0)等于熱電偶AB在接點溫度t、tc和tc、t0時的熱電勢eAB(t,tc)和eAB(tc,t0)的代數(shù)和，即第十八頁，共四十五頁。中間溫度定(Ding)律第十九頁，共四十五頁。中間溫度(Du)定律的應用根據(jù)這個定律，可以連接與熱電偶熱電特性相近的導體A′和B，將熱電偶冷端延伸到溫度恒定的地方，這就為熱電偶回路中應用補償導線提供了理論依據(jù)。

該定律是參考端溫度計算修正法的理論依據(jù)。在實際熱電偶測溫回路中,利用熱電偶這一性質,可對參考端溫度不為0℃的熱電勢進行修正。第二十頁，共四十五頁。3、標準導(Dao)體（電極）定律第二十一頁，共四十五頁。標準導體(Ti)定律的意義通常選用高純鉑絲作標準電極只要測得它與各種金屬組成的熱電偶的熱電動勢，則各種金屬間相互組合成熱電偶的熱電動勢就可根據(jù)標準電極定律計算出來。第二十二頁，共四十五頁。若兩種導體A、B分別與第(Di)三種導體C組成熱電偶的熱電勢已知，則A、B組成的熱電偶也已知。標準電極：鉑例：已知求：第二十三頁，共四十五頁。例(Li)子熱端為100℃，冷端為0℃時，鎳鉻合金與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為2.95mV，而考銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為－4.0mV，則鎳鉻和考銅組成的熱電偶所產生的熱電動勢應為：2.95－(－4.0)=6.95(mV)第二十四頁，共四十五頁。

4、均質(Zhi)導體定律由兩種均質導體組成的熱電偶，其熱電動勢的大小只與兩材料及兩接點溫度有關，與熱電偶的大小尺寸、形狀及沿電極各處的溫度分布無關。即熱電偶必須由兩種不同性質的均質材料構成。意義：有助于檢驗兩個熱電極材料成分是否相同及材料的均勻性。第二十五頁，共四十五頁。例6.3.1用（S型）熱電偶測量某一溫度，若參比端溫度T0=30℃，測得的熱電勢E(T,Tn)=7.5mV，求測量端實(Shi)際溫度T。查分度表有E（30，0）=0.173mV反查分度表有T=830℃，測量端實際溫度為830℃第二十六頁，共四十五頁。8.3.3熱電偶的冷端處理和(He)補償 熱電偶的熱電勢大小不僅與熱端溫度的有關，而且也與冷端溫度有關，只有當冷端溫度恒定，通過測量熱電勢的大小得到熱端的溫度。

熱電偶的冷端處理和補償:

當熱電偶冷端處在溫度波動較大的地方時，必須首先使用補償導線將冷端延長到一個溫度穩(wěn)定的地方，再考慮將冷端處理為０℃。第二十七頁，共四十五頁。幾種冷端處理(Li)方法：1.補償導線法2.熱電偶冷端溫度恒溫法3.計算修正法4.冷端補償電橋法第二十八頁，共四十五頁。1.補(Bu)償導線法組成：補償導線合金絲、絕緣層、護套和屏蔽層。熱電偶補償導線功能：其一實現(xiàn)了冷端遷移；其二是降低了電路成本。補償導線又分為延長型和補償型兩種延長形：補償導線合金絲的名義化學成分及熱電勢標稱值與配用的熱電偶相同，用字母“Ｘ”附在熱電偶分度號后表示，補償型：其合金絲的名稱化學成分與配用的熱電偶不同，但其熱電勢值在100℃以下時與配用的熱電偶的熱電勢標稱值相同，有字母“C”附在熱電偶分度號后表示，

第二十九頁，共四十五頁。補償導線的(De)型號、線芯材質和絕緣層著色

補償導線型號配用熱電偶補償導線的線芯材料絕緣層著色正極負極SC或RC鉑銠10（鉑銠）-鉑SPC（銅）SNC（銅鎳）紅綠KC鎳鉻-鎳硅KPC（銅）KNC（銅鎳）紅藍KX鎳鉻-鎳硅KPX（銅鎳）KNX（鎳硅）紅黑NX鎳鉻硅-鎳硅NPS（銅鎳）NNX（鎳硅）紅灰EX鎳鉻-銅鎳EPX（鎳鉻）ENX（銅鎳）紅棕JX鐵-銅鎳JPX（鐵）JNX（銅鎳）紅紫TX銅-銅鎳TPX（銅）TNX（銅鎳）紅白第三十頁，共四十五頁。使用補償導線時注意問(Wen)題：補償導線只能用在規(guī)定的溫度范圍內（0~100℃）；熱電偶和補償導線的兩個接點處要保持溫度相同；不同型號的熱電偶配有不同的補償導線；補償導線由正、負極需分別與熱電偶正、負極相連；補償導線的作用是對熱電偶冷端延長。第三十一頁，共四十五頁。2.熱電偶冷端(Duan)溫度恒溫法適用于實驗室中的精確測量和檢定熱電偶時使用。第三十二頁，共四十五頁。3.計算修(Xiu)正法在實際應用中，熱電偶的參比端往往不是，而是環(huán)境溫度，這時測量出的回路熱電勢要小，因此必須加上環(huán)境溫度與冰點之間溫差所產生的熱電勢后才能符合熱電偶分度表的要求。

可用室溫計測出環(huán)境溫度T1，從分度表中查出的E(T1,0)值，然后加上熱電偶回路熱電勢E(T,T1)，得到E(T,0)值，反查分度表即可得到準確的被測溫度值。第三十三頁，共四十五頁。例(Li)6.3．2用鎳鉻--鎳硅(K型)熱電偶測溫，熱電偶參比端溫度為30℃。測得的熱電勢為28mV，求熱端溫度。反查K分度表T=701.5℃計算修正曲線第三十四頁，共四十五頁。4.冷端(Duan)補償電橋法利用直流不平衡電橋產生的電勢來補償熱電偶冷端溫度變化而引起的熱電勢的變化值

第三十五頁，共四十五頁。8.3.4標準化(Hua)熱電偶標準化熱電偶：工藝上比較成熟，能批量生產、性能穩(wěn)定、應用廣泛，具有統(tǒng)一分度表并已列入國際和國家標準文件中的熱電偶。標準化熱電偶可以互相交換，精度有一定的保證。國際電工委員會（IEC）共推薦了8種標準化熱電偶第三十六頁，共四十五頁。標準(Zhun)化熱電偶技術數(shù)據(jù)熱電偶名稱分度號熱電極識別E（100,0）（mV）測溫范圍（℃）對分度表允許偏差（℃）新極性識別長期短期等級使用溫度允差鉑銠10-鉑S正亮白較硬0.6460~13001600Ⅲ≤600±1.5℃負亮白柔軟＞600±0.25%t鉑銠13-鉑R正較硬0.6470~13001600Ⅱ＜600±1.5℃負柔軟＞1100±0.25%t鉑銠30-鉑銠B正較硬0.0330~16001800Ⅲ600~900±4℃負稍軟＞800±0.5%t鎳鉻-鎳硅K正不親磁4.0960~12001300Ⅱ-40~1300±2.5℃或±0.75%t負稍親磁Ⅲ-200~40±2.5℃或±1.5%t鎳鉻硅-鎳硅N正不親磁2.774-200~12001300Ⅰ-40~1100±1.5℃或±0.4%t負稍親磁Ⅱ-40~1300±2.5℃或±0.75%t鎳鉻-康銅E正暗綠6.319-200~760850Ⅱ-40~900±2.5℃或±0.75%t負亮黃Ⅲ-200~40±2.5℃或±1.5%t銅-康銅T正紅色4.279-200~350400Ⅱ-40~350±1℃或±0.75%t負銀白色Ⅲ-200~40±1℃或±1.5%t鐵-康銅J正親磁5.269-40~600750Ⅱ-40~750±2.5℃或±0.75%t負不親磁第三十七頁，共四十五頁。1.鉑銠(Lao)10-鉑熱電偶（S型）貴金屬熱電偶。電極線徑規(guī)定為0.5mm， 正極（SP）的名義化學成分為鉑銠合金 負極（SN）為純鉑，故俗稱為單鉑銠熱電偶。 長期最高使用溫度為1300℃，短期最高使用溫度為1600℃。優(yōu)點：準確度高，穩(wěn)定性好，測溫溫區(qū)和使用壽命長，物理化學性能良好，在高溫下抗氧化性能好，適用于氧化和惰性氣氛中。缺點：熱電率較小，靈敏度低，高溫下機械強度下降，對污染敏感，貴金屬材料昂貴，因此一次性投資較大。第三十八頁，共四十五頁。2.鉑(Bo)銠30-鉑(Bo)銠6（B型）為貴金屬熱電偶。熱偶絲線徑規(guī)定為0.5mm， 正極（BP）和負極（BN）的名義化學成分均為鉑銠合金，只是含量不同，故俗稱為雙鉑銠熱電偶。 長期最高使用溫度為1600℃，短期最高使用溫度為1800℃。優(yōu)點：準確度高，穩(wěn)定性好，測溫溫區(qū)寬，使用壽命長等，適用于氧化性和惰性氣氛中，也可短期用于真空中，但不適用于還原性氣氛或含有金屬或非金屬蒸汽中；參比端不需進行冷端補償，因為在0～50℃范圍內熱電勢小于3μV。缺點：熱電率較小，靈敏度低，高溫下機械強度下降，抗污染能力差，貴金屬材料昂貴。第三十九頁，共四十五頁。3.鎳鉻-鎳硅熱(Re)電偶（K型）使用量最大的廉金屬熱電偶，用量為其他熱電偶的總和 正極（KP）的名義化學成分為：Ni:Cr=90:10， 負極（KN）的名義化學化學成分為Ni:Si=97:3。 其使用溫度為-200～1300℃。優(yōu)點：線性度好，熱電勢較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和復現(xiàn)性均好，抗氧化性強，價格便宜。能用于氧化性和惰性氣氛中。K型熱電偶不能在高溫下直接用于硫、還原性或還原、氧化交替的氣氛中，也不能用于真空中。第四十頁，共四十五頁。4.鎳鉻-銅鎳熱電偶(Ou)（E型）稱為鎳鉻-康銅熱電偶，也是一種廉價金屬熱電偶。 其正極（EP）為鎳鉻10合金，化學成分與KP相同，負極（EN）為銅鎳合金，名義化學成分為55%的銅、45%的鎳以及少量的鈷、錳、鐵等元素。該熱電偶電動勢之大，靈敏度之高屬所有標準熱電偶之最，宜制成熱電偶堆來測量微小溫度變化。E型熱電偶可用于濕度較大的環(huán)境里，具有穩(wěn)定性好，抗氧化性能高，價格便宜等優(yōu)點。但不能在高溫下用于硫、還原性氣氛中。第四十一頁，共四十五頁。標準化熱電偶熱電勢和溫度的關(Guan)系第四十二頁，共四十五頁。標準化熱電偶的特(Te)性熱電偶種類優(yōu)點缺點B適于測量1000℃以上的高溫常溫下熱電動勢極小，可不用補償導線抗氧化、耐化學腐蝕在中低溫領域熱電動勢小，不能用于600℃以下靈敏度低熱電動勢的線性不好R、S精度高、穩(wěn)定性好，不易劣化抗氧化、耐化學腐蝕可作標準靈敏度低不適用于還原性氣氛(尤其是H2、金屬蒸氣)熱電動勢的線性不好價格高N熱電動勢線性好1200℃以下抗氧化性能良好短程表序結構變化影響小不適用于還原性氣氛同貴金屬勢電偶相比時效變化大K熱電動勢線性好1000℃下抗氧化性能良好在廉金屬熱電偶中穩(wěn)定性更好不適用于還原性氣氛同貴金屬熱電偶相比時效變化大因短程有序結構變化而產生誤差E在現(xiàn)有的熱電偶中，靈敏度最高同J型相比，耐熱性能良好兩極非磁性不適用于還原性氣氛熱導率低具有微