1、第8章 熱電式傳感器8.1 熱電偶傳感器8.2 熱電阻傳感器8.3 熱敏電阻傳感器12 熱電偶傳感器熱電偶傳感器 1. 熱電偶測溫原理熱電偶測溫原理熱電效應：兩種不同材料的導體（或半導體）組成一個閉合回路，當兩接點溫度T和T0不同時，則在該回路中就會產生電動勢的現象。 熱電偶回路3接觸電動勢（兩種導體）接觸電動勢（兩種導體） 接觸電動勢的數值取決于兩種不同導體的材料特性和接觸點的溫度。兩接點的接觸電動勢eAB(T)和eAB（T0）可表示為 ：含義含義：由于兩種不同導體的自由電子由于兩種不同導體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動勢。密度不同而在接觸處形成的電動勢。 lnAABBntktEte

2、nt 0000lnAABBntktEtent4 含義含義：同一導體的兩端因其溫度不同而產生的一種電動勢。0001( ,)( ) ( )( ,).TAATABke T Td n t ten te T T大小表示：大小表示： 溫差電動勢（單一導體）溫差電動勢（單一導體）機理機理：高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大，：高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大，從高溫端跑到低溫端的電子數比從低溫端跑到高溫端從高溫端跑到低溫端的電子數比從低溫端跑到高溫端的要多，結果高溫端因失去電子而帶正電，的要多，結果高溫端因失去電子而帶正電， 低溫端因低溫端因獲得多余的電子而帶負電，在導體兩端便形成溫差電獲得多余的

3、電子而帶負電，在導體兩端便形成溫差電動勢。動勢。5熱電偶回路中產生的總熱電勢 eAB(T, T0)=eAB(T)eB(T,T0)eAB(T0)eA(T,T0) 忽略溫差電動勢忽略溫差電動勢，熱電偶的熱電勢可表示為： 00000000,lnlnABABABABABABAABBEt tEtEt tEt tEtEtEtntntktktentent6影響因素取決于材料和接點溫度，與形狀、尺寸等無關兩熱電極相同時，總電動勢為0兩接點溫度相同時，總電動勢為0對于已選定的熱電偶，當參考端溫度T0恒定時，eAB(T0)=c為常數，則總的熱電動勢就只與溫度T成單值函數關系，即 可見：只要測出eAB（T,T0）的

4、大小，就能得到被測溫度T，這就是利用熱電偶測溫的原理。 討論00( , )( )( )( )( )ABEt tf tf tf tCt 0000,lnlnAAABBBntntktktEt tentent7熱電偶的分度表n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。n供查閱使用，每10分檔 。中間值按內插法計算。()MLMLHLHLEEttttEE8S型型(鉑銠鉑銠10-鉑鉑)熱電偶分度表熱電偶分度表 9 在熱電偶測溫回路內，接入第三種導體時，只要第三種導體的兩端溫度相同，則對回路的總熱

5、電勢沒有影響。中間導體定律2. 熱電偶基本定律C0AB00( , )( )( )( , )ABABABEt tEtEtEt t10例：測量儀表及引線作為第三種導體的熱電偶回路 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。中間導體定律的應用11中間溫度定律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)的代數和，即 12中間溫度定律

6、的應用 根據這個定律，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。 該定律是參考端溫度計算修正法的理論依據。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。13標準導體（電極）定律0C0C0( , )( , )( , )ABABEt tEt tEt t14標準導體定律的意義n通常選用高純鉑絲作標準電極n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標準電極定律計算出來。 15例子n熱端為100，冷端為0時，鎳鉻合金與純鉑組成的熱電偶的熱

7、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：n2.95(4.0)=6.95(mV)0C0C0( , )( , )( , )ABABEt tEt tEt t16均質導體定律 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。 17 為了適應不同生產對象的測溫要求和條件，熱電偶的結構形式有：普通型熱電偶特殊熱電偶鎧裝型熱電偶薄膜熱電偶等。 9.1.2

8、熱電偶的結構與種類18普通型熱電偶結構 接線盒熱電極熱端絕緣管保護管 熱電極的長度一般為3002000mm，常用350mm。可測1800的高溫，工業應用廣泛。 19 優點優點：測溫端熱容量小，動態響應快；機械強度高，彎曲性好，可安裝在結構復雜的裝置上（1100C以下）。 鎧裝型熱電偶20薄膜熱電偶 特點特點：熱接點可以做得很小（m），具有熱容量小、反應速度快（s）等特點，適用于微小面積上的表面溫度以及快速變化的動態溫度測量（ 300C以下）。 21熱電極材料的選取n性能穩定 n溫度測量范圍廣n物理化學性能穩定 n導電率要高，并且電阻溫度系數要小n材料的機械強度要高，復制性好、復制工藝簡單，價格

9、便宜22 工程用熱電偶材料應滿足條件工程用熱電偶材料應滿足條件：熱電勢變化盡量大，熱電勢與溫度關系盡量接近線性關系，物理、化學性能穩定，易加工，復現性好，便于成批生產，有良好的互換性。 熱電偶的種類 國際電工委員會（IEC）向世界各國推薦8種標準化熱電偶（已列入工業標準化文件中，具有統一的分度表）。我國已采用IEC標準生產熱電偶，并按標準分度表生產與之相配的顯示儀表。23標準化熱電偶的主要性能和特點標準化熱電偶的主要性能和特點 24 8.1.3 熱電偶的冷端溫度補償 當熱端溫度為t時，分度表所對應的熱電勢eAB(t, 0)與熱電偶實際產生的熱電勢eAB(t,t0)之間的關系可根據中間溫中間溫度

10、定律度定律得到下式： eAB(t,0)= eAB(t,t0)+eAB(t0，0) 由此可見，eAB(t0，0)是冷端溫度t0的函數，因此需要對熱電偶冷端溫度進行處理。 25 熱電偶一般做得較短， 一般只有1m左右。 在實際測溫時，需要把熱電偶輸出的電勢信號傳輸到遠離現場數十米遠的控制室里的顯示儀表或控制儀表，這樣, 冷端溫度t0比較穩定。 (1) 熱電偶補償導線 解決辦法：工程中采用一種補償導線。在0150溫度范圍內，要求補償導線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。 26常用補償導線 27 在實驗室及精密測量中，通常把冷端放入0恒溫器或裝滿冰水混合物的容器中，以便冷端溫度保持0。 這是一種理想的補

11、償方法，但工業中使用極為不便。 (2) 冷端0恒溫法 mVABABTCC銅導線試管補償導線熱電偶冰點槽冰水溶液T028 當冷端溫度t0不等于0，需要對熱電偶回路的測量電勢值eAB（t，t0）加以修正。當工作端溫度為t時，分度表可查eAB(t,0)與eAB(t0,0)。 根據中間溫度定律中間溫度定律得到： eAB(t,0)= eAB(t,t0)+eAB(t0，0) (3) 冷端溫度修正法 29 例子 用鎳鉻-鎳硅熱電偶測量加熱爐溫度。已知冷端溫度t0=30，測得熱電勢eAB（t，t0）為33.29mV, 求加熱爐溫度。 eAB（t，0）= eAB(t,t0)+eAB(t0,0)=33.29+1.

12、203=34.493mV由鎳鉻-鎳硅熱電偶（K）分度表得t=829.8。 30冷端溫度矯正法得出的數據很精確，但是不適合連續測量溫度解解：查鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表得eAB（30，0）1.203 mV。 可得 (4) 冷端溫度自動補償法（電橋補償法）000( , )( , )UABABABCABEt ttEt tURU恒定值132213112323()()(1)()UUUUCCABCCR RRR RR RRUEERRRRRRRR31 8.1.4 熱電偶測溫電路1. 測量單點的溫度32 特殊情況下，熱電偶可以串聯或并聯串聯或并聯使用，但只能是同一分度號同一分度號的熱電偶，且冷端應在同一溫度冷端應在

13、同一溫度下。如： 熱電偶正向串聯正向串聯， 可獲得較大的熱電勢輸出和提高靈敏度； 在測量兩點溫差時，可采用熱電偶反向串聯反向串聯； 利用熱電偶并聯并聯可以測量平均溫度。332.測量兩點間溫度差（反向串聯）102012( , )( , )( , )TABABABEEt tEt tEt t343.測量多點的平均溫度（并聯或正向串聯） 特點：當有一只熱電偶燒斷時，難以覺察出來。當然，它也不會中斷整個測溫系統的工作。優點：熱電動勢大，儀表的靈敏度大大增加，且避免了熱電偶并聯線路存在的缺點，可立即可以發現有斷路。缺點：只要有一支熱電偶斷路，整個測溫系統將停止工作。12310203012301230( ,

14、 )( , )( , )33(,3 )(, )33ABABABTABABEEEEt tEt tEt tEEtttttttEt0123102030012301230( , )( , )( , )(,3 )(, )TABABABtABABEEEEEt tEt tEt tEttttEttt t35 8.2 熱電阻傳感器 熱電阻傳感器是利用導體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進行測溫的。 熱電阻廣泛用來測量200850范圍內的溫度，少數情況下，低溫可測量至1K，高溫達1000。標準鉑電阻溫度計的精確度高，作為復現國際溫標的標準儀器。 36熱電阻的結構 電阻絲采用雙線并繞法雙線并繞法繞制在具有一定形狀的云

15、母、石英或陶瓷塑料支架上，支架起支撐和絕緣作用。 37 1. 常用熱電阻 對用于制造熱電阻材料的要求： 具有盡可能大和穩定的電阻溫度系數和電阻率 電阻值與溫度變化具有良好的線性關系 物理、化學性能穩定 容易加工、價格盡量便宜等。 目前最常用的熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻。 38 (1) 鉑熱電阻 鉑熱電阻的特點特點是精度高、穩定性好、性能可靠，所以在溫度傳感器中得到了廣泛應用。 按IEC標準，鉑熱電阻的使用溫度范圍為-200850。鉑熱電阻的特性方程為： 在-2000的溫度范圍內： Rt=R01+At+Bt2+Ct3(t-100) 在0850的溫度范圍內： Rt = R0(1+At+Bt2) A

16、=3.9710-13/ B=-5.8510-7/2 C=-4.2210-12/4 39 可見：熱電阻在溫度t時的電阻值與0時的電阻值R0有關。 目前我國規定工業用鉑熱電阻有R0=10和R0=100兩種，它們的分度號分別為Pt10和Pt100，其中以Pt100為常用。 鉑熱電阻不同分度號亦有相應分度表，即Rt-t的關系表，這樣在實際測量中，只要測得熱電阻的阻值Rt，便可從分度表上查出對應的溫度值。40鉑電阻分度表鉑電阻分度表 41 (2) 銅熱電阻 在一些測量精度要求不高且溫度較低的場合，可采用銅熱電阻進行測溫， 它的測量范圍為-50150。 銅熱電阻在測量范圍內其電阻值與溫度的關系幾乎是線性的

17、，可近似地表示為Rt=R0（1+t） =4.2810-3/ 兩種分度號：Cu50(R0=50)和Cu100（R0=100）。 42分度號：Cu50 050R 43銅熱電阻的分度表銅熱電阻的特點n銅熱電阻的電阻溫度系數較大、線性性好、價格便宜。（測溫范圍內的電阻值都不大！）n缺點：電阻率較低，電阻體的體積較大，熱慣性較大，穩定性較差，在100 以上時容易氧化，因此只能用于低溫及沒有浸蝕性的介質中。44用熱電阻傳感器進行測溫時，測量電路經常采用電橋電路。 熱電阻與檢測儀表相隔一段距離，因此熱電阻的引線對測量結果有較大的影響。熱電阻內部引線方式有二線制、三線制和四線制三種。8.2.3 熱電阻的測量電

18、路45 工業上廣泛用熱電阻測量的溫度范圍是-200500 特點：是精度高，穩定，適于測低溫；缺點：熱慣性大，需要輔助電源。流過熱電阻絲的電流不宜超過6mA，否則會產生較大的熱量，影響測量精度內部引線方式 電阻體二線制電阻體三線制電阻體四線制46忽略引線電阻忽略引線電阻兩線制特點：n這種引線方式簡單、費用低，但是引線電阻以及引線電阻的變化會帶來附加誤差。n兩線制適于引線不長、測溫精度要求較低的場合。1322tR RRRr1322tR RRrRn平衡條件：n誤差來源：47三線制用于工業測量，一般精度 132)()(RrRRrRt2213)(RrRRrRRt12RR條件：132tR RRR則有（不受引線電阻影響）：48例：對于標號為Pt100的鉑熱電阻，如果采用圖8.20的兩線制接法測溫，設電橋電源為10V，R1=R2=1000， R3100，引線電阻r=5，如果被測溫度為300，試求兩線制接法引起的相對測量誤差。n解：根據式（8.30），當t300時，鉑熱電阻的阻值為：n按三線制接法，引線電阻不會引起誤差，其輸出電壓為：n按圖8.20的二線制接法，輸出電壓為：n因此，二線制接法引起的測量相對誤差為：n可見，兩線制接法引起的測量誤差是相當大的，在實際測量中應