2023/7/241第九章熱電偶傳感器

本章學習的主要內容有:1、了解溫度測量的基本概念和方法；2、了解熱電偶的工作原理，了解熱電偶的分類及特點；3、掌握控溫儀表的接線方法。2023/7/242第一節溫度測量的基本概念

一、溫度測量的基本概念

溫度標志著物質內部大量分子無規則運動的劇烈程度。溫度越高，表示物體內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2023/7/243二、溫標1、溫度的數值表示方法稱為溫標。它規定了溫度的讀數的起點（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、國際上規定的溫標有：攝氏溫標、華氏溫標、熱力學溫標等。

2023/7/244熱力學溫標（K）

熱力學溫標是建立在熱力學第二定律基礎上的最科學的溫標，是由開爾文（Kelvin）根據熱力學定律提出來的，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2023/7/245幾種溫標的對比F=9/5C+32C=5/9(F-32)K=C+273

正常體溫為37C

，相當于華氏溫度多少度？2023/7/2471990國際溫標(ITS-90)

從1990年1月1日開始在全世界范圍內采用1990年國際溫標，簡稱ITS-90。它定義了一系列溫度的固定點，測量和重現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。

2023/7/248三、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，有自發電型、非電測型等。

2023/7/2410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2023/7/2411變色涂料在電腦內部溫度中的示溫作用CPU散熱風扇低溫時顯示藍色溫度升高后變為紅色2023/7/2412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溫度成正比2023/7/2413紅外溫度計2023/7/2414熱電偶測溫的主要優點

1、它屬于自發電型傳感器：測量時可以不需外加電源，可直接驅動動圈式儀表；

2、測溫范圍廣：下限可達-270C

，上限可達1800C以上；

3、各溫區中的熱電勢均符合國際計量委員會的標準。2023/7/2415先看一個實驗——熱電偶工作原理演示

結論：當兩個結點溫度不相同時，回路中將產生電動勢。

熱電極A右端稱為：自由端（參考端、冷端）

第二節熱電偶的工作原理

左端稱為：測量端（工作端、熱端）

熱電極B熱電勢AB2023/7/2416從實驗到理論：熱電效應

1821年，德國物理學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（稱為結點），發現放在回路中的指南針發生偏轉（說明什么？），如果用兩盞酒精燈對兩個結點同時加熱，指南針的偏轉角反而減小（又說明什么？）

。顯然，指南針的偏轉說明回路中有電動勢產生并有電流在回路中流動，電流的強弱與兩個結點的溫差有關。

2．接觸電動勢由于兩種不同導體的自由電子密度不同，在接觸處會發生自由電子的擴散形成的電動勢

導體A因失去電子而帶正電，導體B則因獲得電子而帶負電，在接觸面處形成電場，如圖所示

2023/7/2418結點產生熱電勢的微觀解釋及圖形符號

自由電子＋ABeAB（

T）T2023/7/2419通過以上演示得出結論

——有關熱電偶熱電勢的討論

熱電偶兩結點所產生的總的熱電勢等于熱端熱電勢與冷端熱電勢之差，是兩個結點的溫差Δt

的函數：

EAB（T，T0）=eAB（

T）-eAB（

T0

）熱電勢大致與兩個結點的溫差Δt

成正比熱電偶定律1．中間導體定律在熱電偶回路中接入第三種材料的導體，只要第三種導體兩端的溫度相等，則對熱電偶回路總的熱電動勢無影響2．中間溫度定律實際測溫時，由于熱電偶的長度有限，自由端溫度將直接受到被測介質溫度和周圍環境的影響,采用補償導線，可將熱電偶的自由端延伸到遠離高溫區的地方，從而使自由端的溫度相對穩定注意兩根補償導線與熱電偶兩個熱電極的接點必須具有相同的溫度補償導線只能與相應型號的熱電偶配用3．參考電極定律（標準電極定律）由A、B兩種熱電極配對后的熱電動勢在實際應用中，由于純鉑絲的物理化學性能穩定、熔點高、易提純，所以目前常用純鉑絲作為標準電極

(C極)參考電極2023/7/2422第三節熱電偶的種類及結構

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－鎳硅

-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？熱電偶的分度表

——熱電偶的線性較差，多數情況下采用查表法

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，制定了相應的分度表，并且有相應的線性化集成電路與之對應。

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

本教材p317的附錄E列出了工業中常用的鎳鉻-鎳硅（K）熱電偶的分度表。K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？2023/7/2426幾種常用熱電偶的熱電勢與溫度的關系曲線分析

哪幾種熱電偶的測溫上限較高？

結論：

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）？2023/7/2427如何由熱電偶的熱電勢查熱端溫度值

設冷端為0C，根據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

。2023/7/2428普通裝配型熱電偶的外形安裝螺紋安裝法蘭2023/7/2429普通裝配型熱電偶的

結構放大圖

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

2023/7/2430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2023/7/2431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、超長等優點。

2023/7/2432隔爆型熱電偶外形厚壁保護管壓鑄的接線盒電纜線2023/7/2433隔爆型熱電偶

結構特點：隔爆熱電偶的接線盒在設計時采用防爆的特殊結構，它的接線盒是經過壓鑄而成的，有一定的厚度、隔爆空