3.2模塊三、溫度檢測(cè)（中）

機(jī)、電類

《傳感器與檢測(cè)技術(shù)項(xiàng)目教程》

模塊三、溫度檢測(cè)（中）課件

項(xiàng)目三、熱電偶【項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)】?知識(shí)目標(biāo)1）掌握鉑熱電阻的測(cè)溫原理與方法。2）熟悉熱電阻的型號(hào)。?技能目標(biāo)1．熟悉鉑熱電阻的組橋方法及與顯示儀表的連接方法。2．學(xué)會(huì)查鉑熱電阻分度表。

回目錄現(xiàn)在時(shí)間是：14:52熱電偶測(cè)溫的主要優(yōu)點(diǎn)

1.屬于自發(fā)電型傳感器：測(cè)量時(shí)可以不需外加電源，可直接驅(qū)動(dòng)動(dòng)圈式儀表。

2.測(cè)溫范圍廣：下限可達(dá)-270℃

，上限可達(dá)1800℃以上。

3.各溫區(qū)中的各種熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)均符合國(guó)際計(jì)量委員會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)。

4.已形成系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的一種測(cè)溫傳感器，可以選用標(biāo)準(zhǔn)的顯示儀表和記錄儀表（二次儀表）來進(jìn)行顯示和記錄，由二次儀表中的微處理器判斷被測(cè)溫度的上下限，從而控制交流接觸器的通斷。熱電偶工作原理演示

結(jié)論：當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度不相同時(shí)，回路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。

熱電極A右端稱為：自由端（參考端、冷端）

任務(wù)一認(rèn)識(shí)熱電偶左端稱為：測(cè)量端（工作端、熱端）

熱電極B熱電動(dòng)勢(shì)AB回目錄從實(shí)驗(yàn)到理論：熱電效應(yīng)

1821年，德國(guó)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(gè)接觸點(diǎn)（稱為結(jié)點(diǎn)），發(fā)現(xiàn)放在回路中的指南針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。說明回路中產(chǎn)生了什么？1－工作端2－熱電極A2－熱電極B4－指南針5－參考端“結(jié)點(diǎn)”產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)的微觀動(dòng)畫

兩種不同的金屬互相接觸時(shí)，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(diǎn)處會(huì)發(fā)生自由電子的相互擴(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得到電子帶負(fù)電，從而產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)。

自由電子＋ABeAB（

T）T熱電偶的圖形符號(hào)上圖中的接觸電動(dòng)勢(shì)eAB(T)可用下式表示式中eAB(T)

——A、B兩種材料在溫度為T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=1.38

10-23J/K）；e

——電子電荷（e=1.6

10-19C）；nA、nB——熱電極材料A、B的自由電子密度?，F(xiàn)在時(shí)間是：14:52如果取eAB(T)的方向?yàn)檎较颍鐖D所示，則有有關(guān)熱電動(dòng)勢(shì)的幾個(gè)結(jié)論1）如果熱電偶兩根電極材料相同，即使兩端溫度不同（t≠t0），但總輸出熱電動(dòng)勢(shì)仍為零。因此必須由兩種不同材料才能構(gòu)成熱電偶。

2）如果熱電偶兩結(jié)點(diǎn)溫度相同，則回路總的熱電動(dòng)勢(shì)必然等于零。兩結(jié)點(diǎn)溫差越大，熱電動(dòng)勢(shì)越大。

3）式中未包含與熱電偶的尺寸形狀有關(guān)的參數(shù)，所以熱電動(dòng)勢(shì)的大小只與材料和結(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)。如果以攝氏溫度為單位，EAB(T，T0)也可以寫成EAB(t，t0)，其物理意義雖然有所不同，但電動(dòng)勢(shì)的數(shù)值是相同的。從實(shí)驗(yàn)到理論的討論如果用兩盞酒精燈同時(shí)加熱兩個(gè)結(jié)點(diǎn)，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(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，并有電流在回路中流動(dòng)。熱電流的強(qiáng)弱與兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫差有關(guān)，而不是與“單一的一端結(jié)點(diǎn)的溫度”成正比。中間導(dǎo)體定律若在熱電偶回路中插入“中間導(dǎo)體”(A、B熱電極之外的其他導(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)無影響。1－鎳銅表棒2－磷銅接插件3－銅漆包線動(dòng)圈表頭Cu－純銅導(dǎo)線

HNi－鎳黃銅QSn－錫磷青銅Sn－焊錫NiMn－鎳錳銅電阻絲中間導(dǎo)體定律的意義利用熱電偶來實(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，只要保證這些中間導(dǎo)體兩端的溫度各自相同，則對(duì)熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)沒有影響。在使用熱電偶時(shí)，應(yīng)盡量使上述元器件兩端的溫度相同，才能減少測(cè)量誤差。

在放大器中，若某個(gè)電阻或集成電路引腳兩端的溫度不相同，將產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)。為了盡量減小由此產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，可以用銅質(zhì)屏蔽罩將放大電路與熱源隔離，并使罩內(nèi)各個(gè)元件兩端的溫度相同。熱電偶的種類及結(jié)構(gòu)

八種國(guó)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熱電偶絲回目錄幾種國(guó)標(biāo)熱電偶的測(cè)溫范圍及熱電動(dòng)勢(shì)

分度號(hào)

名稱

測(cè)量溫度范圍

1000℃熱電動(dòng)勢(shì)/mVB鉑銠30－鉑銠650～1820℃4.834R鉑銠13—鉑-50～1768℃10.506S鉑銠10—鉑-50～1768℃9.587K鎳鉻－鎳硅

(鋁)-270～1370℃41.276E鎳鉻－銅鎳(康銅)-270～800℃—5種熱電偶的測(cè)溫范圍與熱電動(dòng)勢(shì)各有什么特點(diǎn)？用途？幾種舊國(guó)標(biāo)熱電偶的分度號(hào)測(cè)溫范圍熱電偶類別舊代號(hào)舊分度號(hào)測(cè)溫范圍允許誤差鉑銠30-鉑銠6WRRLL-2或B0～1820℃≤800℃，±4.0℃>800℃±0.5%t鉑銠10-鉑WRPLB-3或S0～1768℃≤600℃，±3.0℃>600℃±0.5%t鎳鉻-鎳硅WRNEU-2或K0～1370℃≤400℃，±3.0℃>400℃±0.75%t鎳鉻-考銅

鎳鉻-銅鎳WRK

WREEA-2或E0～800℃

≤300℃，±3.0℃>300℃±1.0%t幾種常用熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)與溫度的關(guān)系曲線分析（冷端溫度為0℃）

哪幾種熱電偶的測(cè)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(diǎn)（0℃點(diǎn)）？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(guó)從1991年開始采用國(guó)際計(jì)量委員會(huì)規(guī)定的“1990年國(guó)際溫標(biāo)”(簡(jiǎn)稱ITS-90)的新標(biāo)準(zhǔn)。按此標(biāo)準(zhǔn),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(duì)應(yīng)，并由計(jì)算機(jī)查表。

直接從熱電偶的分度表查溫度與熱電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系時(shí)的約束條件是：自由端（冷端）溫度必須為0℃。

本教材的附錄D僅列出工業(yè)中常用的鎳鉻-鎳硅（K）熱電偶的分度表。使用分度表時(shí)，冷端必須為0℃

。冷端置于0℃的方法之一

1—被測(cè)流體管道

2—熱電偶

3—接線盒

4—補(bǔ)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

查熱電偶分度表（溫度/毫伏數(shù)）

設(shè)熱電偶的冷端溫度為0℃，請(qǐng)根據(jù)本教材的附錄D——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(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)。數(shù)字式溫度表溫度上限設(shè)定值溫度上限值設(shè)定鍵單片機(jī)自動(dòng)查分度表，并顯示被測(cè)溫度值K熱電偶的分度表

分別查出-100℃、+100℃時(shí)的2個(gè)熱電動(dòng)勢(shì)。計(jì)算與0℃之差，體會(huì)熱電動(dòng)勢(shì)的非線性?！静镵熱電偶分度表（自由端為0℃）訓(xùn)練】

（查附錄2）溫度/℃-100-500780熱電動(dòng)勢(shì)/mV-6.45824.90552.410如何由熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)查熱端溫度值

設(shè)冷端為0℃，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

。冷端為0℃時(shí)，可以直接查分度表裝配式熱電偶的外形安裝螺紋安裝法蘭普通裝配式熱電偶的

結(jié)構(gòu)圖接線盒引出線套管

固定螺紋

（出廠時(shí)用塑料包裹）熱電偶工作端（熱端）

不銹鋼保護(hù)管

普通工業(yè)用裝配式熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖接線盒保險(xiǎn)套管絕緣套管熱電偶絲WR系列裝配式熱電偶型號(hào)的含義端面式熱電偶及其在測(cè)溫面的安裝能更快速地反映被測(cè)端面的實(shí)際溫度。鎧裝式熱電偶

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(hù)管中、運(yùn)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(dāng)長(zhǎng)度、將工作端焊接密封、配置接線盒即成為柔軟、細(xì)長(zhǎng)的鎧裝熱電偶。

鎧裝熱電偶特點(diǎn)：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(jī)械外力沖擊的特性。鎧裝熱電偶可以制作得很細(xì)，能解決微小、狹窄場(chǎng)合的測(cè)溫問題，且具有抗震、可彎曲、超長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

鎧裝式熱電偶右圖紅色的絕緣材料是氧化鎂粉末鎧裝型熱電偶外形法蘭鎧裝型熱電偶可長(zhǎng)達(dá)上百米薄壁金屬保護(hù)套管（鎧體）

BA絕緣材料鎧裝型熱電偶橫截面鎧裝型熱電偶外形接線卡屏蔽層測(cè)量端（熱端）鎧裝式熱電偶在設(shè)備中的安裝薄膜式熱電偶的外形

1—熱電極A2—結(jié)點(diǎn)（熱端）3—熱電極B4—引腳接頭5—相同材質(zhì)的引腳（冷端）快速反應(yīng)薄膜熱電偶

用真空蒸鍍等方法使兩種熱電極材料蒸鍍到絕緣板上而形成薄膜裝熱電偶，熱接點(diǎn)約0.01～0.lμm。特別適用于對(duì)壁面溫度的快速測(cè)量。安裝時(shí)，用粘結(jié)劑將它粘結(jié)在被測(cè)物體壁面上。尺寸約為60×6×0.2mm;測(cè)溫范圍在300℃以下；反應(yīng)時(shí)間僅為幾ms。

4123快速反應(yīng)薄膜熱電偶1—熱電極2—熱接點(diǎn)3—絕緣基板4—引出線隔爆式熱電偶結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：隔爆熱電偶的接線盒在設(shè)計(jì)時(shí)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(jī)構(gòu)強(qiáng)度較高；采用螺紋隔爆接合面，并采用密封圈進(jìn)行密封，因此，當(dāng)接線盒內(nèi)一旦放弧時(shí)，不會(huì)與外界環(huán)境的危險(xiǎn)氣體傳爆，能達(dá)到預(yù)期的防爆、隔爆效果。使用場(chǎng)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(chǎng)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）。隔爆式熱電偶外形厚壁保護(hù)管壓鑄的接線盒電纜線法蘭盤裝配式熱電偶的常用保護(hù)管材料材料名稱使用溫度/

CH62黃銅12CrMOV鋼1Cr18Ni9Ti不銹鋼Cr18Ni12MO2TiGH39高溫不銹鋼石英高鋁質(zhì)管（85%

90%Al2O3）高級(jí)耐火陶瓷再結(jié)晶氧化鋁碳化硅鋼玉質(zhì)管（99.5%Al2O3）硼化鋯石墨氧化釷（ThO）4006009009001200130013001400150016001600180020002200其他熱電偶外形小形K型熱電偶XC系列陶瓷纖維柔性熱電偶K、E、J分度號(hào)備選，陶瓷絕緣溫度可達(dá)2000℃(2200℉)。300mm(12“)長(zhǎng)帶絕緣，13mm(0.5”)長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)剝離引線端。用消耗式熱電偶測(cè)量熔融金屬溫度的

示意圖任務(wù)二、熱電偶的冷端延長(zhǎng)

采用相對(duì)廉價(jià)的補(bǔ)償導(dǎo)線，可延長(zhǎng)熱電偶的冷端，使之遠(yuǎn)離高溫區(qū)；可節(jié)約大量貴金屬；易彎曲，便于敷設(shè)。

補(bǔ)償導(dǎo)線在0～100℃范圍內(nèi)的熱電動(dòng)勢(shì)與配套的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)相等，所以不影響測(cè)量準(zhǔn)確度?；啬夸浹a(bǔ)償導(dǎo)線型號(hào)（續(xù)）型號(hào)配用熱電偶正-負(fù)型號(hào)導(dǎo)線外皮顏色正-負(fù)100℃時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)/mVRCR（鉑銠13-鉑）RC紅-綠0.647NCN（鎳鉻硅-鎳硅）NC紅-黃2.744EXE（鎳鉻-銅鎳）EX紅-棕6.319JXJ（鐵-銅鎳）JX紅-紫5.264TXT（銅-銅鎳）TX紅-白4.279補(bǔ)償導(dǎo)線外形

A'B'屏蔽層保護(hù)層熱電偶的冷端延長(zhǎng)電路

任務(wù)三、熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償必要性：1.用熱電偶的分度表查毫伏數(shù)-溫度時(shí)，必須滿足t0=0℃的條件。在實(shí)際測(cè)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，冷端溫度高于0℃，熱電動(dòng)勢(shì)總是偏小。應(yīng)想辦法消除或補(bǔ)償熱電偶的冷端損失?；啬夸浝涠藴囟妊a(bǔ)償?shù)姆椒?/p>

一、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(shí)驗(yàn)室中。

冰浴法：

在冰瓶中，冰水混合物的溫度能較長(zhǎng)時(shí)間地保持在0℃不變。冰浴法接線圖——冷端至于0℃環(huán)境中

二、計(jì)算修正法當(dāng)熱電偶的冷端溫度t0

0℃時(shí)，由于熱端與冷端的溫差隨冷端的變化而變化，所以測(cè)得的熱電動(dòng)勢(shì)EAB(t,t0)與冷端為0℃時(shí)所測(cè)得的熱電動(dòng)勢(shì)EAB(t,0℃)不等。若冷端溫度高于0℃，則EAB(t,t0)<EAB(t,0℃)?？梢岳孟率接?jì)算并修正測(cè)量誤差：

EAB(t,0℃)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0℃)計(jì)算修正法舉例K型熱電偶測(cè)溫電路中，熱電極A、B直接焊接在鋼板上，A'、B'為補(bǔ)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(dāng)Ux=29.97mV時(shí)，估算被測(cè)點(diǎn)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(shí)的Ux減小到28.36mV，再求tx。

解：1）接線盒1是熱電極與補(bǔ)償導(dǎo)線（延長(zhǎng)導(dǎo)線）的接線位置，不影響測(cè)量結(jié)果，不必考慮t1溫度的大小和波動(dòng)。冰瓶的溫度為:0℃,是補(bǔ)償導(dǎo)線（冷端）與銅導(dǎo)線的接線位置,所以可以直接查分度表。2）將熱電極直接焊在鋼板上是應(yīng)用了熱電偶的中間導(dǎo)體定律。

3）當(dāng)Ux=29.97mV時(shí)，直接查分度表得到被測(cè)點(diǎn)溫度tx=720℃

。

注:接線盒3的溫度t3不是冷端溫度,屬于中間溫度,與測(cè)量結(jié)果無關(guān)。解（續(xù)）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，即：冷端溫度不再是0℃，而為40℃。此時(shí)的Ux=28.36mV，再求tx。EAB(t,0℃)=EAB(t,40℃)+EAB(40℃,0℃)=(28.36+1.61)mV=29.97mV反查K型熱電的偶分度表，仍然得到tx=720℃。三、儀表機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整法

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

）可補(bǔ)償冷端損失任務(wù)四熱電偶的安裝與應(yīng)用

為了使管道的氣流充分與熱電偶產(chǎn)生熱交換,裝配式熱電偶應(yīng)盡可能垂直向下插入管道中。熱電偶高出管道的部分必須包扎保溫材料,否則將產(chǎn)生3~5℃的誤差。

a）在肘管（彎管）上的安裝

b）在擴(kuò)展管上的安裝1－管道2－絕熱層3－熱電偶4－安裝螺栓5－墊片6－接線盒7－補(bǔ)償導(dǎo)線8－焊臺(tái)9－擴(kuò)大管鍋爐煙道中的密封安裝

帶有保護(hù)套管的工業(yè)爐熱電偶有傳熱和散熱損失。為了減少測(cè)量誤差，熱電偶和熱電阻應(yīng)該有足夠的插入深度。測(cè)量管道中心流體溫度時(shí)，一般應(yīng)將熱電偶的測(cè)量端插入到管道中心處。裝配式熱電偶在

鍋爐中的安裝適合不同被測(cè)壁面的熱電偶安裝方法

1—發(fā)熱元件2—散熱片3—薄膜熱電偶4—絕熱保護(hù)層

5—硬質(zhì)車刀6—用激光加工的斜孔7—露頭式鎧裝熱電偶的測(cè)量端8—薄壁金屬保護(hù)管9—冷端10—工件

a）薄膜熱電偶測(cè)量表面溫度

b）鎧裝式熱電偶測(cè)量車刀的核心溫度

c）鎧裝式熱電偶測(cè)量電動(dòng)機(jī)外殼溫度熱電偶絲與被測(cè)溫度金屬板的3種焊接方式熱電偶絲的沖擊焊電路熱電偶絲的接觸焊電路與熱電偶配套的儀表

由于我國(guó)生產(chǎn)的熱電偶均符合ITS-90國(guó)際溫標(biāo)所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，其一致性非常好，所以國(guó)家又規(guī)定了與標(biāo)準(zhǔn)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)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(dòng)圈儀表型號(hào)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。

回目錄XCZ系列指針式顯示儀表

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)。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）、調(diào)整電阻和顯示儀表組成了一個(gè)閉合回路。

1—熱電偶2—補(bǔ)償導(dǎo)線3—冷端補(bǔ)償器4—外接調(diào)整電阻5—銅導(dǎo)線6—?jiǎng)尤?—張絲8—磁鋼（極靴）

9—指針

10—刻度面板

XCZ系列指針式顯示儀表XMZ系列智能數(shù)字顯示儀表特點(diǎn)（1）輸入分度號(hào)切換：儀表的輸入分度號(hào)可按鍵切換（如K、R、S、B、N、E型等）。（2）量程設(shè)定：測(cè)量量程和顯示分辨力由按鍵設(shè)定。（3）控制設(shè)定：上限、下限或“上上限”、“下下限”等各控制點(diǎn)