第三章 温度传感器 3.1

EAB(t，t0)=EAB(t，tn)+EAB(tn，t0)
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热电偶传感器
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热电偶
补偿导线
普通热电偶
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安装 螺纹 安装 法兰
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一体化工业热电偶
自动检测与转换技术 3.1.1 热电偶的结构与种类 1.热电偶的结构 （1）普通工业热电偶 通常由热电极、绝缘管、保护管和接线盒等 几个主要部分组成，其结构如图所示。
3.1.2 热电偶测量温度的基本原理 1.“1个效应”
热电效应：将两种不同的导体或半导体两端相接组成闭合 回路，当两个接点分别置于不同的温度t、t0（t>t0）中时， 回路就会产生一个热电动势，这种现象就称为热电效应。两种 导体称为热电极，所组成的回路称为热电偶，两个工作端分别 称为热端和冷端。
当两个结点温度不等（T＞T0）有温差时，回路里会产生热 电势，形成电流。 利用这种效应，只要知道一端结点温度，就可以测出另一端 结点的温度。
缺点：不能直接在高温下用于氧化气氛中，不适合用
于真空中。
镍铬-铜镍热电偶（分度号E）
正极是镍铬合金，负极是铜镍合金（铜 55% ，镍 45%）。测温范围为-200~+800℃。可制作热电堆。
优点：热电动势较其他常用热电偶大。适宜在氧化
性或惰性气氛中工作。多用于300℃左右温度的测量。
缺点：测温上限较低。
镍铬硅－镍硅镁热电偶热电偶（分度号N）
正极（ NP ）为名义值 13.7 ％～ 14.7% 的铬和 1.2 ％～
1.6%的硅，及0.01%的镁与镍的合金，负极（NN）为名
义值4.2％～4.6%的硅和0.5％～1.5%的镁及0.02%的铬与
镍的合金。
优点：线性度好,热电动势较大,稳定性和均匀性比K热 电偶好。不会因磁性变化造成热电动势偏离分度表，耐 核辐射，价廉，是一种新的国际标准化热电偶,其综合性 能优于K型热电偶 。
为贵金属热电偶。正极是铂铑丝（铂90%，铑l0%）, 负极是纯铂丝。测量温度最高长期可达1300℃，短期可 达1700℃，多用于测量1000℃以上的高温。 优点：材料性能稳定；测量准确度较高，可做成标准 热电偶或基准热电偶；抗氧化性强，可在氧化性、惰性 气氛中工作。
易被侵蚀，需要用保护套管；其热电极材料属贵金属， 价昂，热电动势灵敏度较低。 国际温标中规定S热电偶为630~1064℃温度范围内 复现温标的标准仪器。
薄膜式热电偶的外形
1—热电极A
2—结点（热端） 3—热电极B
4—引脚接头 5—相同材质的引脚（冷端）
其他热电偶外形
小形K型热电偶
隔爆式热电偶外形
法兰盘
厚壁保护管
电缆线
压铸的接线盒
XC系列陶瓷纤维柔性热电偶
K、E、J分度 号备选，陶瓷绝 缘温度可达 2000℃(2200℉). 300 mm (12“) 长带绝缘， 13 mm (0.5”) 长的标准剥离引 线端.
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E AB (T , T0 ) [ E AB (T ) E AB (T0 )] [ E A (T , T0 ) EB (T , T0 )]
热电动势的大小 与组成热电偶的导体材料 两接点的温度有关。 热电偶回路中导体电子密度大的称为正极， A为正极，B为负极。
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温度仪表
概述
温度是诸多物理现象中具有代表性的物理量，是现代生活中不可缺少的信 息内容，家用电器如：电饭煲、电冰箱、空调、微波炉等都少不了温度传感 器。
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温度仪表
概述

根据所用测温物质的 不同和测温范围不同，有 煤油温度计、酒精温度计、 水银温度计、气体温度计、 电阻温度计、温差温度计、 辐射温度计、光测温度计 等等。
4.“4个定律” (1)中间导体定律
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在热电偶回路中接入第三种导体，只要 第三种导体和原导体的两接点温度相同， 则回路中总的热பைடு நூலகம்动势不变。
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(2)中间温度定律
热电偶两接点温度t、t0，中间温度tn， 热电动势等于该热电偶在接点温度为t、tn和tn、t0时的热电 动势的代数和，
用于制造铂热电偶的各种 热电偶丝
几种国标热电偶的测温范围及热电动势
分度号
名称
测量温度范围
1000℃ 热电动势 / mV 4.834 10.506 9.587 41.276
B R
铂铑30－铂铑6 铂铑13—铂
50～1820℃ -50～1768 ℃
S
K
铂铑10—铂
镍铬－镍硅 (铝)
-50～1768 ℃
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3.“3个结论” ① 热电偶必须采用两种不同材料作为电极，否则 无论导体截面如何、温度分布如何，回路中的总 热电动势恒为零。 ② 热电偶两接点温度必须不同，否则尽管采用了 两种不同的金属，回路总电动势恒为零。
③ 热电偶回路总热电动势的大小只与材料和接点 温度有关，与热电偶的尺寸、形状无关。
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铠装热电偶的优点：
铠装热电偶体积小、热容量小、动态响应快、挠性 好、柔软性好、强度高、耐压、耐震、耐冲击等许多优 点，广泛应用于工业生产过程。
铠装型热电偶外形
铠装型热电偶可 长达上百米
绝缘 材料
A
B
薄壁金属 保护套管 （铠体） 铠装型热电偶 横截面
法兰
铠装型热电偶外形
接线卡
屏蔽层 测量端 （热端）
EAB(t, t0)
A 热电偶回路
＋
eAB（ T ）
热电动势： 接触电动势 温差电动势
T
B
自由 电子
（1）接触电动势
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A导体 _ + _ + _ +
eAB(t)
接触点t B导体
eAB(t)
接触点t0
eAB(t0)
浓度高
接触电动势的大小 与接点处温度高低 与导体的电子密度有关。
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-270～1370 ℃
E
镍铬－铜镍 (康 铜) - 270～800 ℃
—
5种热电偶的测温范围与热电动势各有什么特点？用途？
几种常用热电偶的热电动势与温度 的关系曲线分析
哪几种热电 偶的测温上限较 高？ 哪一种热电 偶的灵敏度较高？ 哪一种热电 偶的灵敏度较低？ 哪几种热电 偶的线性较差？
铂铑30-铂铑6热电偶（分度号B）
1—热电极；2—热接点；3—绝缘管；4—保护管； 5—接线盒；6—引线口 图 普通工业热电偶结构
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（2）铠装热电偶
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是由金属套管、绝缘材料和热电极经焊接密封和装 配等工艺制成的坚实组合体。 金属套管材料:铜、不锈钢（1Cr18Ni9Ti）或镍基高 温合金（GH30）等； 套管最长可达100 m以上,最细能达0.25 mm。 绝缘材料:电熔氧化镁、氧化铝、氧化铍等的粉末。 热电极有单支（双芯）、双支（四芯），彼此间互 不接触。
当热电偶两电极材料确定后，热电动势便 是两接点温度t和t0的函数差，即 EAB(t, t0) = f(t) f(t0)
（2.3）
如果使冷端温度t0保持不变，热电动势就成 为热端温度t的单一函数，即 EAB(t, t0) = f(t) C = (t)
当冷端温度t0恒定时， 热电偶产生的热电动势只与热端的温度有关。 （2.4）
（2）温差电动势
eA(t，t0) _ + _ + _ + t t＞t0 温差电动势的大小 与导体的电子密度及两端温度有关。 t0
A导体
eA(t，t0)
B导体
eB(t，t0)
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热电偶回路总电势：
图所示为热电偶回路接触和温差电势分布。
E AB (T , T0 ) [ E AB (T ) E AB (T0 )] [ E A (T , T0 ) EB (T , T0 )]
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铠装热电偶
铠装式热电偶在设备中的安装
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（3）薄膜热电偶 薄膜热电偶是由两种薄膜热电极材料，用真 空蒸镀、化学图层等办法蒸镀到绝缘基板上面制 成的一种特殊热电偶。热接点可以做得很小， 0.01~0.1微米。具有热容量小、反应速度快等特点， 适用于微小面积的表面温度以及快速变化的动态 温度测量。
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钢水快速测温方法 • 在炼钢厂中，有时直接将热电极（例如铂铑10铂快速测温热偶丝）插入钢水中测量钢水温度
红外线辐射温度计
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3.1 热电偶传感器
本节学习要点：
1、掌握热电偶传感器的工作原理； 2、熟悉工业热电偶的种类和几种常用热电偶的特性； 3、掌握热电偶温度补偿原理及常用补偿方法； 4、了解热电偶传感器的应用。
铁-铜镍热电偶（分度号J）
正极是铁，负极是铜镍合金。
测温范围为-200~+760℃。
优点：价廉、热电动势较大（仅次于E型热电偶，
约为 53μV/℃）、线性度好，可在 800℃以下的还原
介质中使用。 缺点：铁电极易氧化。
铜-铜镍热电偶（分度号T）
正极是铜，负极是铜镍合金，测温范围为 -200~+400℃，热电动势高于镍铬 - 镍硅热电偶， 约为43μV/℃。 优点：准确高、复现性好、稳定性好、价廉。 缺点：铜电易氧化，故在氧化性气氛中使用时， 一般不能超过300℃。 在 0~-100℃范围内，铜 - 铜镍热电偶已被定为 三级标准热电偶，用以检测低温仪表的准确度， 误差不超过0.1℃，年稳定性可小于±3μV。
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第3章 温度传感器