第三章 接触式温度检测及仪表 第三章 第一节热电偶温度计 主要内容 v第一节 热电偶温度传感器 v第二节热电阻温度传感器 v第三节测温实例 v第四节其他温度检测仪表 第一节热电偶温度计 主要内容 v第一节 热电现象和关于热电偶的基本定 律 v第二节 标准化和非标准化热电偶 v第三节 热电偶的冷端温度补偿问题 v第四节 热电偶的校验 一、热电现象和热电偶温度计 二、热电偶的三条基本定律 一、热电现象和热电偶温度计 1.热电偶：两种不同材料的导体（或半导体）A和B 组成闭合回路A、B是热偶丝，也叫热电极 2. 热电势：热电偶放在被测对象中，两端温度不同 时，会产生的电动势 3. 热电流：回路中通过的电流 4.热端（工作端）、冷端（自由端）：感受温度变 化的那端称为或热端，另一端称为或冷端 这种物理现象称为热电现象 热电偶：范围100－16000C, 温度信号变成电信号，远传 先看一个实验——热电偶工作原理演示 结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势 热电极A 右端称为 ：自由端 （参考端 、冷端） 热电偶的工作原理 左端称为 ：测量端 （工作端 、热端） 热电极B 热电势 A B Ø 上述现象称为热电现象，1821年赛贝克发现的， 也称赛贝克效应 一、热电现象和热电偶温度计 5. 热电势的产生原因： 由温差电势和接触电势组成 1）温差电势：一根导体两端温度不同产生的热 电动势 ü原因： eA 一、热电现象和热电偶温度计 5. 热电势的产生原因： 2）接触电势：两种不同导体A 、B接触时产生原因 3)回路总电动势：A的电子密度大于B，tt0，则 回路中存在着四个电势, 一、热电现象和热电偶温度计 5. 热电势的产生原因： 热电势的工作原理：某只热电偶，如果使冷端温 度t0保持不变，则热电动势便成为热端温度t 的单一函数。
即， 故测量热电势的大小就可以反映温度的数值 一、热电现象和热电偶温度计 6.热电势的工作原理 二、热电偶的三条基本定律 均匀导体定律、 中间导体定律、 中间温度定律 1. 均匀导体定律 1）定律内容：由一种均匀导体（或半导体）组 成的闭合回路，不论温度如何分布，都不能产 生电动势 2）定律推论 v（1)热电偶必须由两种不同材料组成 v（2)由一种材料组成的闭合回路存在温差 时，如回路有热电势，则材料不均匀 2 中间导体定律 1）定律内容：不同材料组成的闭合回路中，若 各种材料接触点的温度都相同，则回路中热电 势的总和等于零 2）定律推论 v推论1：在热电偶回路接入第三种导体，若 第三种导体的两接点温度相同，对回路中总 热电势无影响 v推论2: 二、热电偶的三条基本定律 3)推论1用途: 1)连接显示仪表的两个接点温度相同， 则不 影响热电偶电势 2）也可以将热电偶的两端不焊接而直接插入 液态金属中或直接焊在金属表面进行温度测量 二、热电偶的三条基本定律 2 中间导体定律 2 中间导体定律 (4）推论1证明： t t0 A BB C (a) EABC(t,t1,t0)=eAB(t)+ eBC(t1) + eCB(t1)+ eBA(t0) = eAB(t)－eAB (t0) = EAB(t,t0) t1t1 二、热电偶的三条基本定律 1）第一种连接方式 t1 t A B C (a) EABC(t,t1,t0)=eAB(t)+ eBC(t0) + eCA(t0) 若设t＝t1＝t0 ，则根据本定律有 eAB(t0)+ eBC(t0) + eCA(t0) ＝0 EABC(t,t1,t0)=eAB(t)- eAB(t0)=EAB(t,t0) t0 t0 2 中间导体定律 二、热电偶的三条基本定律 (4）推论1证明 2）第二种连接方式 5)推论2：如果两种导体A,B对另一种导 体C的热电势已知，则这两种导体组 成热电势=是它们对参考导体热电势的 代数和。
+ A t t 0 B + A t t 0 C +C t t 0 B EAC ECB EAB 二、热电偶的三条基本定律 2 中间导体定律 6）推论2的用途： （1）已知热电极与标 准铂电极配对的热电 势，任何两种热电极 配对的热电势可知 t B A C t EAC ECB C 0 t 0 t 0 t EAC(t, t0)＋ ECB(t, t0) =eAC(t)+ eCB(t) + eBA(t0) + + 因为 eAC(t)+ eCB(t) + eBA(t)＝0 所以 EAC(t, t0)＋ ECB(t, t0) =eAB(t)+ eBA(t0)= EAB(t, t0) 二、热电偶的三条基本定律 2 中间导体定律 7）推论2的证明 3 中间温度定律 1）定律内容： 热电偶在两接点温度t1、t3时的热 电动势等于接点温度分别为t1、t2和t2、t3 的两 支同性质热电偶的热电动势的代数和 + A t1 t 2 B E1 + A t 3 B E2 EAB(t1, t2)＋ EAB(t2, t3) = eAB(t1)+ eBA(t2)+ eAB(t2) + eBA(t3) = eAB(t1) + eBA(t3) = EAB(t1, t3) + A t1 t 3 B E3=E1+E2 二、热电偶的三条基本定律 2)定律的应用： 1）为热电偶热电势－温度关系分度奠定了理论基 础。
已知热电偶在某一给定冷端温度下，电压对应 的温度值，另外冷端温度下，电压应对应什么温 度？（修正解决） 2）为工业测温中应用补偿导线提供了理论依据 1 测温时，其冷端温度要求恒定（？），如直接 满足此条件，热电偶冷端直接延伸放到恒温的地 方，热电偶很长，价格较高 2 用补偿导线连接到热电偶的冷端，延伸至恒定 冷端温度，在达到冷端温度恒定要求的同时，降 低造价 二、热电偶的三条基本定律 3 中间温度定律 分为补偿型和延伸型 v 补偿型的材料与对应的热电偶不同，价格 便宜，但在低温下热电性质相同 v延伸型的材料与对应的热电偶相同，但准 确度要求略低 4）使用补偿导线的注意事项 （1）在一定的温度范围内使用 （2）补偿导线与热电偶极热电性质相同 （3）极性不能接反 （4）接入点温度一致 二、热电偶的三条基本定律 3 中间温度定律 3）补偿导线的分类 Ø热电偶通常由热电极、绝缘管、保护套 管等几个主要部分组成，其常见外形结 构如图所示 安装 螺纹 安装 法兰 一、热电极材料及性质 二、标准化热电偶 三 非标准化热电偶 四 热电偶的构造 一、热电极材料及性质 1）物理性质稳定，其热电性质不随时间变 化 2）化学性质稳定，不易被氧化和腐蚀 3）灵敏度和线性度好 4）电导率高，电阻温度系数小 5）复制性好，以便交换 6）价格便宜 目前材料无法满足全部要求，不同条件下使 用不同的热电极材料。
二、标准化热电偶 Ø 标准化热电偶：是指制造工业较成熟， 应用广泛，能成批生产、性能优良而稳 定并已列入专业或国家工业标准化文件 中的那些热电偶 Ø标准化热电偶具有互换性 •铂铑10-铂热电偶（分度号S） •铂铑13-铂热电偶（分度号R） •铂铑30-铂铑6热电偶（分度号B） •镍铬一镍硅（镍铬一镍铝）热电偶（ 分度号K） •镍铬一康铜热电偶（分度号E） •铁一康铜热电偶（分度号J） •铜一康铜热电偶（分度号T） •镍铬一金铁热电偶（分度号NiCr－ AuFe0.07）及铜一金铁热电偶（分度号 Cu－AuFe0.07） 1. 几种标准化热电偶的性能和特点 1）铂铑10-铂热电偶 Ø 分度号为“S”，贵金属热电偶 Ø 常用直径0.5m m正极：铂铑丝(铂90%，铑 l0%)，负极：纯铂丝 Ø 长期使用最高温度达1300℃ ，短期使用可 达1600℃ Ø特点：热电性能稳定，精度高，抗氧化性强， 宜在氧化性、惰性气氛中工作，在无合适的非 金属保护套管时，不能在还原性气氛及含有金 属或非金属蒸汽中使用 二、标准化热电偶 1）铂铑10-铂热电偶 缺点：高温下长期，铂电极易断，对污 染敏感，导致热电势下降。
它的热电势 较小，灵敏度较低；价格昂贵 故国际温标中规定它为630.74－ 1064.43℃温度范围内复现温标的标准仪 器分度值见附录1－2. 常用作标准热电偶或用于高温测量,价格 贵，精度高，灵敏度低 二、标准化热电偶 1. 几种标准化热电偶的性能和特点 4 镍铬-镍硅（镍铬-镍铝）热电偶 分度号为“K”，贱金属热电偶常用直径0.3 －0.32m m正极：镍铬合金(镍90.5%，铬 9.5%)，负极：镍硅(镍97.5%，硅2.5%)长期 使用最高温度可达1200℃ ，短期使用可达 1300℃在500 ℃以下可在还原性、中性、氧 性气氛中可靠的工作，在500 ℃以上只能中性 、氧性气氛中工作此热电偶可用于温度很低 的含氢或氨的气氛中，而不能用于氧化还原交 替的气氛中，也不能用于含硫的气氛中，真空 中只能短期使用其热电势比铂铑10-铂热电 偶大4－5倍，且线性好分度值见附录1－5 测温1200以下，贱金属，线性度好，灵敏 度大 5 镍铬-康铜热电偶 分度号为“E”是一种贱金属热电偶 ，测温范围为-200－900℃，常用直径 0.3－3.2m m它的正极是镍铬合金，负 极是铜镍合金(铜55%，镍45%)。
长期使 用最高温度可达750℃ ，短期使用可达 900℃适合在中性、氧性气氛中工作， 其它气氛中使用所受的限制镍铬-镍硅热 电偶相同适合在0以下测温度，在高湿 性气氛中不易腐蚀其特点是每摄氏度 下对应热电动势最高，因此经常被使用 分度值见附录1－6 三 非标准化热电偶 Ø 在某些特殊场合：高温、低温、超低温 、高真空和有核辐射等被测对象中使用 1 钨莱系热电偶 2 铱佬系热电偶 3 铂钼5－铂钼0.1热电偶 4 非金属热电偶 特点：不具有互换性，没有统一分度 名称 热电极材料 使用温度 范围(℃) 过热使用温 度 范围(℃) 特征 正极 负极 钨铼系WRe5、WRe3WRe26、WRe250～23003000 适用于还原性、H2及惰性 气体质脆 铂铑系PtRh20、PtRh40PtRh5、PtRh20 300～1500 1100～ 1600 1800 1800 在高温下使用，热电动势 小，其它性能与R型相同 铱铑系Ir、Ir、Ir IrRh40、IrRh50、 IrRh60 1100～ 2000 2100 适用于真空、惰性气体及 微氧化性气氛质脆 镍钼系NiNiMo180～1280/ 可用于还原性气氛，热电 动势大 钯铂系Pd、Pt及Au合金Au、Pd合金0～11001300 耐磨性能强，热电动势的 大小基本上与K型相同 镍铬、 金铁 以Ni-Cr为主的合金 含0.07mo1%Fe的合 金 0～300K/ 20K以下热电动势比较大 ，热电动势的线性好 银金、 金铁 含Au为0.37mo1% 的合金 含0.03mo1%Fe的 Au-Fe合金 1～40K/热电动势小，受磁场影响 四 热电偶的构造 1 普通型热电偶 2 铠装热电偶 3 薄膜热电偶 1 普通型热电偶 本体是热电极，绝缘套，保护套管， 接线端子。
普通装配型热 电偶的 结构放大图 接线 盒 引出线套管 固定螺纹 （出厂时用塑料包裹 ） 热电偶工作端（热端） 不锈钢保护管 2 铠装热电偶 铠装热电偶：金属套管、绝缘材料和热电 极三者一体 四 热电偶的构造 优点： 1）动态响应快； 2）机械强度高，挠性好，耐高压、强 烈震动和冲击； 3）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 铠装型热电偶外形 法 兰 铠装型热电偶可 长达上百米 薄壁金属 保护套管 （铠体） BA 绝缘 材料 铠装型热电偶 横截面 3 薄膜热电偶 由两种金属薄膜连接而成 1）特点： 微小面积上的温度测量；动态响应快，可测 瞬变的表面温度 2)应用： (1)如将热电极材料直接蒸镀到被测表面，可测微秒级 变化的温度 (2)如制成针状，针尖为热端，可测量点的温度 四 热电。