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1、第一节 热电现象及热电偶定律,一 热电现象及热电偶测温原理,热电偶是目前世界上科研和生产中应用最普遍、最广泛的温度测量元件。它将温度信号转换成电势（mV）信号，配以测量毫伏的仪表或变送器可以实现温度的测量或温度信号的转换。具有结构简单、制作方便、测量范围宽、准确度高、性能稳定、复现性好、体积小、响应时间短等各种优点。,它既可以用于流体温度测量，也可以用于固体温度测量。既可以测量静态温度，也能测量动态温度。并且直接输出直流电压信号，便于测量、信号传输、自动记录和控制等。,将两种不同的导体或半导体连成闭合回路，当两个接点处的温度不同时，回路中将产生热电势。,闭合回路中产生的热电势由两种电势组成：温
2、差电势和接触电势,两种不同的导体相接触时，因各自的电子密度不同而产生电子扩散，当达到动平衡后所形成的电势，大小取决于两种不同导体的性质和接触点的温度。,指同一导体的两端因温度不同而产生的电势，不同的导体具有不同的电子密度，所以它们的温差电势也不一样。,是导体A右端的温度为T时的电子密度是导体B左端的温度为T时的电子密度,NAt为导体A在温度t时的电子密度,热电偶回路中总热电势,经过简化可得闭合回路的总热电势为,接触电势要远大于温差电势，闭合回路总电势以接触电势为主,EAB(T,T0)=f(T)-C,闭合回路的总热电势取决于两种材料及两个端点的温度.当热电偶材料一定时,热电偶的总热电势成为温度T
3、和T0的函数,当T0维持一定时,对于确定的热电偶热电势只与温度T成单值函数关系,即:,(1) 热电偶产生热电势的条件是两种不同的导体材料构成回路，两端接点处的温度不同。,小结,(2) 热电势大小只与热电极材料及两端温度有关，与热偶丝的粗细和长短无关。,小结,(3) 热电极材料确定以后，热电势的大小只与温度有关。,小结,测温时，测量端置于被测温度处。而参比端一般要保持恒定温度，并与测量仪表相接。,在这个闭合回路中，T端称测量端或热端，T0端称参比端或冷端。,二 热电偶的基本定律,1 均质导体定则2 中间导体定则标准电极定则4 中间温度定则,1 均质导体定则,由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体
4、的截面和长度以及其温度分布如何，都不能产生热电势。,这一定则说明，一种均质材料不能构成热电偶,由两种不同材料组成的热电偶则要求材质的均匀性要好，否则热电极的温度分布将会对热电势值产生影响,2 中间导体定则,在热电偶回路中接入中间导体后，只要中间导体两端的温度相同，对热电偶回路的总热电势值没有影响。,2 中间导体定则,假设金属的活性顺序为ABC,回路总电势,2 中间导体定则,回路总电势,EAB(t)-EAC(t0)+EBC(t0),=EAB(t)-EAC(t0)-EBC(t0),=EAB(t)-EAB (t0) =EAB(t,t0),3 标准电极定则,已知热电偶的两个电极A、B分别与另一电极C组
5、成的热电偶的热电势为 EAC(T,T0)和EBC(T,T0) ，则在相同接点温度(T,T0)下，由A、B电极组成的热电偶的热电势 EAB(T,T0)为:,例如，铂铑30铂热电偶的EAC（1084.5 , 0）=13.976mv,铂铑6铂热电偶的EBC（1084.5,0）=8.354mv，根据标准电极定律，,铂铑30铂铑6热电偶的EAB(1084.5, 0）=13.976-8.354=5.622mv。,4 中间温度定则,热电偶AB在接点温度为t1、t3时的热电势EAB(t1, t3)等于热电偶AB在接点温度为t1、t2和t2 、 t3时的热电势EAB(t1, t2)、EAB(t2, t3)的代数
6、和。,EAB(t1, t3)= EAB(t1, t2)+EAB(t2, t3),根据这一定则，只需列出热电偶在参比端温度为0的分度表，就可以求出参比端在其它温度时的热电势值。,热电偶参考端补偿导线法处理,原理：在一定温度范围内，与配用热电偶的热电特性相同的一对带有绝缘层的廉价金属导线为补偿导线。,回路总热电势为E=EAB(T,T0)+EAB(T0,T0),E=EAB(T,T0),补偿导线,EAB(T0,T0) =EAB(T0,T0),常用补偿导线的结构分为普通型和带屏蔽层型两种按照补偿原理分为补偿型及延伸型两种补偿导线按使用温度可分为一般用（0100）和耐热用（0200）,注意 两个接点温度不
7、能超过规定温度两个接点温度应当相同。否则，由于热电偶与补偿导线的热电特性并不完全相同，可能会引起较大的测量误差。正负极不能接反,在T0=0条件下，用实验的方法测出各种不同热电极组合的热电偶在不同热端温度下所产生的热电势值，可以列出对应的分度表，常用热电偶的热电特性有分度表可查。,通常表示热电偶所用热电极材料时，电子相对活跃的为正极，电子相对不活跃的为负极。,分度表,第二节 标准化与非标准化热电偶,一 热电极材料及其热电性质,在测温范围内热电性能稳定，不随时间和被测对象而变化；在测温范围内物理化学性能稳定，不易氧化和腐蚀，耐辐射；所组成的热电偶要有足够的灵敏度，热电势随温度的变化牢要足够大；,一
8、 热电极材料及其热电性质,热电特性接近单值线性或近似线性；电导率高，电阻温度系数小； 机械性能好，机械强度高，材质均匀；工艺性好，易加工，复制性好价格便宜。,二 标准化热电偶,1廉金属热电偶 1）T型（铜康铜）热电偶 2）K型（镍铬镍铝或镍硅）热电偶 3）E型（镍铬康铜）热电偶 4）J型（铁康铜）热电偶,K型（镍铬镍硅）热电偶 这是一种贱金属热电偶，它的特点是价格低廉，灵敏度高，复现性较好，高温下抗氧化能力强，是工业和实验室中大量采用的一种热电偶。但在还原性介质或含硫化物气氛中易被侵蚀。,T型（铜康铜）热电偶 这是一种贱金属热电偶，测量精度高，稳定性好，低温时灵敏度高，价格低廉。,E型（镍铬康
9、铜）热电偶 这是一种贱金属热电偶，在以上几种热电偶中它的灵敏度最高，但抗氧化及抗硫化物介质的能力较差，适于在中性或还原性气氛中使用。,2 贵金属热电偶 1）S型（铂铑10铂）热电偶 2）R型（铂铑13铂）热电偶 3）B型（铂铑30铂铑6）热电偶,S型（铂铑10铂）热电偶 这是一种贵金属热电偶，它的特点是精度高，物理化学性能稳定，测温上限高，适于在氧化或中性气氛介质中使用。另外，它的热电势较小，灵敏度较低，价格昂贵。它不仅可用于工业和实验室测温，更为重要的是它可以保存为基准热电偶和传递为各级标准热电偶。,B型（铂铑30铂铑6）热电偶 这是一种贵金属热电偶，它的特点是测温上限短时可达1800，测量
10、精度高，适于在氧化或中性气氛介质中使用。但不宜在还原气氛中使用，灵敏度较低，价格昂贵。,三 非标准化热电偶,（1）钨铼系热电偶 （2）钨铱系热电偶 （3）其他非标准化热电偶,四 热电偶的构造,1 普通热电偶2 铠装热电偶3 薄膜热电偶,1 普通热电偶,（1）热电极（2）绝缘材料（3）保护套管,两个热电极,热电偶接点,2 铠装热电偶,WRTK2-434/8*1000mm 铠装固定卡套法兰热电偶 WRSK-143/6*1000mm Gh3030 铠装防爆热电偶 WRNK-332/4*1000mm Gh2520 铠装可动卡套螺纹热电偶,由金属套管、绝缘材料（一般为氧化镁粉）和热电偶线三者组合而成的坚
11、实体。按测量端：绝缘型、接壳型、露端型和分离式绝缘型；按固定装置：无、卡套式、螺纹、法兰等,测量范围大和反应速度快安装使用方便使用寿命长，机械强度和耐压性能好从0.25mm12mm直径范围，最大长度可到500m,铠装型热电偶可长达上百米,第三节 热电偶冷端温度补偿,一 计算法二 冰点槽法三 补偿电桥法,3 热电偶冷端温度补偿,热电偶的总热电势为温度T和T0的函数,当T0维持一定时,对于确定的热电偶热电势只与温度T成单值函数关系,即:,EAB(T,T0)=f(T)-C,存在问题,冷端温度T0难以保持稳定,所以要对冷端进行温度补偿,一 计算法,热电偶冷端温度T0通常为环境温度而不是0，此时需要进行
12、计算修正。,可查分度表求得,然后可得,二 冰点槽法,工业应用时，一般把参比端放在电加热的恒温器中，使其维持在某一恒定的温度。,在实验室情况及精密测量中，是把参比端置于能保持恒温的冰点槽中，参比端温度为0。测得热电势后，直接查分度表得知被测温度。,三 补偿电桥法,补偿电桥法是在热电偶测温系统中串联一个不平衡电桥，此电桥输出的电压随热电偶冷端温度变化而变化，从而修正热电偶冷端温度波动引入的误差。,补偿电桥法利用不平衡电桥产生相应的电势，以补偿热电偶由于参比端温度变化而引起的热电势变化。,前述中间导体定则的推广,回路总电势,E=EAB(t,t0),回路总电势,E=EAB(t,t0)+U,回路总电势,
13、E=EAB(t,t0)+U,回路总电势,E=EAB(t,t0)+Uab,E=E(t,t0)+Uab,RS为限流电阻,桥路供电电压为直流4V,R1=R2=R3=1,采用锰铜丝无感绕制,其电阻温度系数为0,RCU用铜丝无感绕制,其电阻温度系数为4.310-3-1,当温度为20 时为 1,当热电偶冷端和补偿端的温度t0=20 时,补偿器的4个桥臂电阻均为1,电桥处于平衡状态,桥路输出电压为Uab=0,当t0随环境温度升高时,Rcu增大,则a点电位不变,b点电位降低，使Uab增加,当t0随环境温度升高时,由于t0升高,E(t,t0)将减小,选择Rs,使Uab的增加值等于E(t,t0)减小量,那么总电动
14、势E将不随t0 变化,相当于使冷端温度自动处于20 ,达到了补偿的目的.,3.用两支分度号为K的热电偶测量A区和B区的温差，连接回路如右图所示。当热电偶参考端温度t0为0时，仪表指示200。问在参考端温度上升25时，仪表的指示值为多少？为什么？,第四节 金属测温电阻,一 对金属测温电阻的要求二 标准化热电阻三 工业用热电阻的结构,复水器出口水温（热电阻）,WZC-111/12*1000mm Cu50铜热电阻,WZP2-240/A级3线300/150mmE(0-300)隔爆热电阻,WZPK2-103/B级6*515mm(0-300)铂热电阻,热电阻温度计被广泛地用于低温及中温（-200500）范
15、围内的温度测量，目前应用范围已扩展到15K的超低温领域。在10001200的高温范围内，也具有较好特性。,优点：测温准确度高，信号便于传送。 缺点：不能测太高的温度，需外部电源供电，连接导线的电阻易受环境温度影响而产生测量误差。,大多数金属热电阻随其温度升高而增加，当温度升高1时，其阻值约增加0.4%0.6%，称具有正的电阻温度系数。电阻值Rt与温度t（）的关系可表示为Rt = R0（1 + At + Bt2 + Ct3） 式中 Rt 温度为t时金属导体的电阻； R0 温度为0时金属导体的电阻； A、B、C 与金属材料有关的常数。对不同区间，系数不同,一 对金属测温电阻的要求,虽然大多数金属和
16、半导体的电阻与温度之间都存在着一定的关系，但并不是所有的金属或半导体都能做成电阻温度计。用于测温的热电阻（或热敏电阻）应满足以下要求： （1）电阻温度系数要大，以得到高敏感度；,电阻温度系数：在某一温度间隔内，温度变化1 时的电阻相对变化量，单位为1/。,（2）在测温范围内化学与物理性能要稳定； （3）复现性要好；（4）电阻率要大，以得到小体积的元件，进而保证热容量和热惯性小，使得对温度变化的响应比较快；,（5）电阻温度特性尽可能接近线性，以便于分度和读数； （6）价格相对低廉。,目前已被采用的电阻温度计具有如下特点： （3）热电阻感温部分体积比热电偶的热接点大得多，因此不宜测量点温度与动态温
17、度，半导体热敏电阻虽然体积较小，但其稳定性和复现性却较差。,目前已被采用的电阻温度计具有如下特点：（1）在中低温范围内其精确度高于热电偶温度计；（2）灵敏度高，当温度升高1时，大多数热电阻的阻值增加0.4%0.6%，半导体材料的阻值降低3%6%；,二 标准化热电阻,1铂热电阻特点：精度高，稳定性好，性能可靠。在氧化性的气氛中，甚至在高温下的物理化学性质都非常稳定。它易于提纯，复现性好，有良好的工艺性，可以制成极细的铂丝或极薄的铂箔。与其他热电阻材料相比，有较高的电阻率。,缺点：电阻温度系数较小，在还原性气氛中，特别是在高温下易被沾污变脆，价格较贵。,在200 0范围内，铂的电阻温度关系为Rt
18、= R0 1 + At + Bt2 + C( t100 )t3 在0 850范围内，其关系为Rt = R0 ( 1 + At + Bt2 ) 式中，A、B、C 分度常数。,铂的纯度用百度电阻比W（100）表示，即W（100）= R100 / R0式中，R100 100时铂电阻值； R0 0时铂电阻值。W（100）越高，则其纯度越高。,2铜热电阻,特点：它的电阻值与温度的关系是线性的，电阻温度系数也比较大，而且材料易提纯，价格比较便宜，但它的电阻率低，易于氧化。在50 150范围内，铜的电阻温度关系为Rt = R0 ( 1 + t )式中， 铜的电阻温度系数。,某铜电阻在20时的阻值R2016.
19、28，4.2510-3-1，求该热电阻在100时的阻值。,3. 镍热电阻,特点：电阻温度系数较铂大，约为铂的1.5倍。在50150内，其电阻与温度关系为 Rt=100+0.5485t+ 0.66510-3t2+2.80510-9t4,一般将电阻丝统在云母、石英、陶瓷、塑料等绝缘骨架上，经过固定，外面再加上保护套管。但骨架性能的好坏，影响其测量精度、体积大小和使用寿命。,三 工业用热电阻的结构,电阻体（无感双绕法）,1-外壳或绝缘体 2-铂丝 3-骨架 4-引出线,铜热电阻结构示意图,铂热电阻结构示意图,感温元件结构,普通（装配式）铂电阻,热电阻的引出线,两线制。方式简单，费用低引线电阻以及引线
20、电阻的变化会带来附加误差。 三线制。可以较好地消除引线电阻的影响，测量准确度高于两线制，应用较广。 四线制。精度高，但是麻烦。,1、热电阻2、引出线3、接线盒4、连接线5、显示仪表,铠装式铂电阻比装配式铂电阻直径小，易弯曲，抗震性好，适宜安装在装配式铂电阻无法安装的场合。铠装式铂电阻外保护套管采用不锈钢，内充满高密度氧化物绝缘体，因此，它具有很强的抗污染性能和优良的机械强度，适合安装在环境恶劣的场合。,铠装式铂电阻,可直接用铜导线和二次仪表相连接使用。由于它具有良好的电输出特性，可为显示仪、记录仪、调节器、扫描器、数据记录仪以及计算机提供准确的温度变化信号。,铠装式铂电阻,把金属铂研制成粉浆，
21、采用先进的激光喷溅薄膜技术，及光刻法和干燥蚀刻法把铂附着在陶瓷基片上形成膜，引线经过激光调阻制成。铂金属的长期稳定性、可重复操作性、快速响应及较宽的工作温度范围等特性使其能够适合多种应用。,薄膜铂热电阻,陶瓷、玻璃、薄膜铂热电阻元件,6机电一体化温度变送器,温度变送器为24V供电、二线制的一体化变送器。将热电阻或热电偶的信号放大，并转换成4-20mA或0-10mA的输出电流,或05V的输出电压。其中铠装变送器可以直接测量气体或液体的温度特别适用于低温范围测量。,温度变送器,直流毫伏、热电偶、热电阻这三种输入信号的量程单元各不相同，但其后所接的放大单元相同，可以互换。,第五节 半导体热敏电阻,一
22、半导体热敏电阻的材料和温度特性二半导体热敏电阻的结构及应用,由金属氧化物和化合物按不同的配方比例烧结而成，电阻值随电阻体的温度变化而显著变化。热敏电阻以体积小、结构简单、灵敏度高、稳定性好、价格低廉等优点，在工业生产的温度控制和电子线路的温度补偿以及测量仪器、医疗设备、家电等领域有广泛的应用,一半导体热敏电阻的材料和温度特性,优 点： (1) 热敏电阻的温度系数比金属大（49倍） (2) 电阻率大，体积小，热惯性小，适于测量点温、表面温度及快速变化的温度。 (3) 结构简单、机械性能好。缺点：线性度较差，复现性和互换性较差。,热敏电阻分类：,正温度系数(PTC)负温度系数(NTC) 临界温度系
23、数(CTR),PTC热敏电阻正温度系数 钛酸钡掺合稀土元素烧结而成 用途：彩电消磁，各种电器设备的过热保护，发热源的定温控制，限流元件。 CTR热敏电阻负温度系数 以三氧化二钒与钡、硅等氧化物，在磷、硅氧化 物的弱还原气氛中混合烧结而成 用途：温度开关。,NTC热敏电阻很高的负电阻温度系数 主要由Mn、Co、Ni、Fe、Cu等过渡金属氧化物混合烧结而成 应用：点温、表面温度、温差、温场等测量自动控制及电子线路的热补偿线路,半导体电阻,函数关系,二 热敏电阻的结构及应用,构成：热敏探头、引线、壳体二端和三端器件：为直热式，即热敏电阻直接由连接的电路获得功率；四端器件：旁热式,热敏电阻的线性化,串
24、联在热敏电阻中的R的最佳值,热电阻式传感器的应用,为消除由于连接导线电阻随环境温度变化而造成的测量误差，常采用三线制和四线制连接法。,三线制,热电阻测温电桥的三线制接法,工业用热电阻一般采用三线制,G检流计，R1 ，R2 ，R3固定电阻，R a零位调节电阻， R t 热电阻,四线制接法,热电阻测温电桥的四线制接法,精密测量中，采用四线制接法,金属丝热电阻作为气体传感器的应用,1连通玻璃管 2流通玻璃管 3铂丝,（a）真空度测量方法对环境温度变化比较敏感， 实际应用中有恒温或温度补偿装置。可测到133.32210-5Pa。（b）可检测管内气体介质成分比例变化、热风流速变化, 温度测量,热敏电阻点
25、温计, 温度控制,简易温度控制器, 温度补偿,仪表中的电阻温度补偿电路,金属一般具有正的温度系数，采用负温度系数的热敏电阻进行补偿，可以抵消由于温度变化所产生的误差,例 用镍铬镍硅（K型）热电偶测量炉温，热电偶的冷端温度为40，测得的热电动势为35.72mV，问被测炉温为多少?,解：查K型热电偶分度表知E(40,0)=1.611mV测得：E(t,40)=35.72mV则：E(t,0)=E(t,40)+E(40,0)=(35.72+1.611)mV=37.33mV查分度表知t=900.1，则被测炉温为900.1。,作业,补偿导线接反了,热电偶补偿导线切记勿接反,在日常检测过程中，有不少厂家电工对
26、热电偶补偿导线的作用不了解，只知道热电偶补偿导线是热电偶与仪表连接的专用线。而不知道热电偶补偿导线有正负极之说，随意将热电偶补偿导线与热电偶和仪表连接，这是错误的，会引起很大的误差。,热电偶补偿导线切记勿接反,以某一机械加工厂为例，当时工件的工艺要求淬火920。操作者也按工艺要求定值，仪表指示正常。淬火后，工件出现纹状，使一炉工件报废。分析事故中，发现热电偶补偿导线接反了，校正后，炉内温度为973。当时热电偶补偿导线接点温度为45，室内温度为18。,热电偶补偿导线切记勿接反,热电偶补偿导线接反了，校正后，炉内温度为973。当时热电偶补偿导线接点温度为45，室内温度为18。计算接反后造成温度误差为：EAB（t45，0)=1817mVEAB（t18，0)=0718mVE=2EAB（t45t18）=2198mV相当于5313。,例 用镍铬镍硅（K型）热电偶测量炉温，热电偶的冷端温度为40，测得的热电动势为35.72mV，问被测炉温为多少?,热电堆,为了提高热电偶的灵敏度，可将多个热电偶串联起来组成热电堆；热电堆的输出电动势是多个热电偶的输出电动势之和。,
