第九章 热电式传感器

2
Rt R0 [1 At Bt C(t 100)t ]
2 3
<0℃: ±1℃、 0~100℃: ±0.5℃、 100~650℃: ±0.5%
附录 铂热电阻分度表
薄膜型及普通型铂热电阻
小型铂热电阻
2 铜电阻
在一般测量精度要求不高、温度较低的场合，
普遍地使用铜电阻。它可用来测量－50～＋ 150 C 的温度，在这温度范围内，铜电阻和温 度呈线性关系：
温度升高，金属内部原子晶格的振动 加剧，从而使金属内部的自由电子通过金 属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻 率变大，电阻值增加，我们称其为正温度 系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。 R i= R0 [1+α1T+ α2T²+ α3T³….]
材料要求：①材料的电阻温度系数α大，且为常数；
②材料的物理、化学性质稳定； ③电阻率较大，特性复现性好；
如何由热电偶的热电势查热端温度值? 设冷端为0C，根据以下电路中的毫伏表的示值及 K热电偶的分度表，查出热端的温度tx 。
1、冷端温度修正法——适用于冷端温度恒定 不变的情况
①热电势修正法：
利用公式：EAB(T, 0)= EAB(T, Tn)+ EAB(Tn, 0) 计算修正。 ②温度修正法： T0

T
T0
AdT
T
+
－
T0
B导体：
EB T , T0 B dT
T T0
总温差电动势：
EA T , T0 EB T , T0 A B dT
T T0
3、总热电动势
EA (T , T0 )
A
EAB (T )
T1
T T0
w of intermediate metal
A
A
T2
T1
B T 0
C
T2
T0
T1 B
T2
mV C
EABC t1, t2 EAB T1 EBC T2 ECA T2 EA T1,T2 EB T1,T2
当T1=T2,则 EABC t1, t2 0, EA t1, t2 0, EB t1, t2 0,
T’
T T’
补偿导线
T0 测温
4、专用集成芯片
AD594 Output = (Type J Voltage + 16 μV) × 193.4 AD595 Output = (Type K Voltage + 11 μV) × 247.3
9.1.2热电偶的类型及结构
一、热电极材料和热电偶类型：标准化热电偶/非标 准化热电偶
EAB(T, T0)= EAB(T, Tn)+ EAB(Tn, T0)
二、Practical thermocouple laws
w of homogeneous circuits
The thermal emf of a thermocouple with junctions at T ,T0 is totally unaffected by temperature elsewhere in the circuit if the two metals used are each homogeneous
1.热电偶的动态响应

dT j dt
Tj T
-------时间常数
cv 式中: F
T j T (1 e
t
(1) 测量恒定温度: 从T0→T

)
可见, 越大, 从T0→T的时间越长,动态误差越大. (2)测量沿直线上升的温度
T T0 ct
T j T0 ct c 1 e
铠装型热电偶外形
铠装型热电偶可 长达上百米
绝缘 材料
薄壁金属 保护套管 （铠体）
法兰
A B
③小惯性热电偶(薄膜热电偶)；
9.1.2热电偶的传热误差和动态误差
一 传热误差
1.对流换热
2.辐射换热
3.传导换热
二 动态误差
热接点的温度变化,在时间上总滞后与被测介质的温 度变化,由于这种热惯性引起的温度偏差值,为动态误 差
第九章 热电式传感器
Thermoelectric sensors
概述：温度测量及传感器分类
温度传感器按照用途可分为基准 温度计和工业温度计；按照测量方法 又可分为接触式和非接触式；按工作 原理又可分为膨胀式、电阻式、热电 式、辐射式等等；按输出方式分，有
自发电型、非电测型等。
红外温度计－－非接触式测温
9.1热电偶 (Thermocouple)
热电偶测温的主要优点
1、它属于自发电型传感器：测量时可以不需 外加电源，可直接驱动动圈式仪表； 2、测温范围广：下限可达-270C ，上限可 达1800C以上； 3、各温区中的热电势均符合国际计量委员会 的标准。
9.1.1热电偶工作的基本原理
先看一个实验——热电偶工作原理演示
3、Law of intermediate temperature
E AB (t1 , t2 ) E AB (t2 , t3 ) E AB (t1 ) E AB (t2 ) E AB (t2 ) E AB (t3 ) E AB (t1 ) E AB (t3 ) E AB (t1 , t3 )
A
＋
T
B
eAB（ T ）
自由 电子
T端：
KT nA E AB T ln nB e
T0 端：
KT0 nA EAB T0 ln e nB K (T T0 ) nA EAB T EAB T0 ln e nB
回路总接触电动势：
2、温差电动势/汤姆逊效应
EAB (T0 )
B
EB (T , T0 )
EAB (T , T0 ) EAB (T ) EB (T , T0 ) EAB (T0 ) EA (T , T0 )
EAB T , T0 EAB T EAB T0 A B dT
T T0
结论：
因此:
E AB t2 EBC t2 ECA t2 0 That is: EBC t2 ECA t2 E AB t2
EABC t1, t2 EAB t1 EAB t2 EA t1, t2 EB t1, t2 EAB t1, t2
(3)测量按正弦变化的温度

t


T T0 TA sin t 当 t 5 后,热电偶的温度表达式为:
T j T0 TA 1
2
sin t
可见:振幅减小,相位滞后,且 随 增大.
9.2热电阻(RTD:resistive temperature detectiors) 9.2.1金属热电阻 一、工作原理、结构和材料
(1)标准化热电偶
铂铑10—铂(S型):0~1300℃ 铂铑13—铂(R型):0~1300℃ 铂铑30—铂铑6(B型):0~1600℃ 镍铬—镍硅(K型):0~1200℃
镍铬硅—镍硅(N型):-200~1200℃
镍铬—康铜(E型):-200~760℃ 铜—康铜(T型):-200~350℃ 铁—康铜(J型):-40~600 ℃
2、冷端温度自动补偿法——适用于冷端温度 变化的情况
①电桥补偿法：
电桥补偿法——冷端温度补偿器
②pn结冷端温度补偿法： 采用负温度系数（-2.2mv/ ℃ ）的二极管或三极 管在－100 ℃－ 100 ℃范围可达到0.3－0.8 ℃(二极 管)或0.05－0.2 ℃(三极管)的补偿精度。
3、延引热电极法
①如果热电偶两个电极的材料相同，即使接点温度
不 同，也不会产生电势； ②如果热电偶两个电极的材料不同，但两接点温度 相 同，也不会产生电势； ③ 总热电势EAB(T, T0)为两接点温度T、T0的函数， 与热电极的中间温度无关(中间温度定律);如果保持
T0温度不变，则EAB(T, T0)与T有单值对应关系；
1、铂热电阻(platinum resistance thermometer)


铂是一种贵金属。它的特点是精度高，稳定性 好，性能可靠，尤其是耐氧化性能很强。 铂在很宽的温度范围内约1200C以下都能保 证上述特性。铂很容易提纯，复现性好，有良 好的工艺性，可制成很细的铂丝(0.02mm或 更细)或极薄的铂箔。与其它材料相比，铂有 较高的电阻率，因此普遍认为是一种较好的热 电阻材料。 缺点：铂电阻的电阻温度系数比较小； 价格贵
在0C 以上，其电阻与温度的关系接近于直线， 其电阻温度系数A为3.9×10－3/C 。 我国已采用IEC标准制作工业铂电阻。按IEC标淮， 使用温度已扩大到-200～850 C ,初始电阻有100 和50 两种。 0 ~ +850℃：
0 ~ - 200℃： 测量精度高：
Rt R0 (1 At Bt )
几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线
二、热电偶结构形式
①普通型热电偶；
安装 螺纹
安装 法兰
1。热电极； 2。绝缘套管 3。保护套管； 4。接线盒； 5。盒盖
接线盒
引出线套管
不锈钢保护管
固定螺纹
（出厂时用塑料包裹）
热电偶工作端（热端）
②铠装热电偶；
铠装热电偶的制造工艺：把热电极材料与高温绝缘材 料预置在金属保护管中、运用同比例压缩延伸工艺、 将这三者合为一体，制成各种直径、规格的铠装偶体， 再截取适当长度、将工作端焊接密封、配置接线盒即 成为柔软、细长的铠装热电偶。 铠装热电偶特点：内部的热电偶丝与外界空气隔绝， 有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械 外力冲击的特性。铠装热电偶可以制作得很细，能解 决微小、狭窄场合的测温问题，且具有抗震、可弯曲、 超长等优点。