第九章 热电偶传感器 本章介绍温度和温标的基本概念、温度测量的基本方法、热电偶的基本工作原理、热电偶的分类、特点及使用、冷端延长的方法、冷端温度补偿的方法和技术、控温仪表的使用等。

第九章 热电偶传感器 目录 9.1 温度测量的基本概念 9.2 热电偶传感器的工作原理 9.3 热电偶的种类及结构 9.4 热电偶冷端的延长 第九章 热电偶传感器 目录 进入 9.1 温度测量的基本概念 9.2 热电偶传感器的工作原理 9.3 热电偶的种类及结构 9.4 热电偶冷端的延长 9.5 热电偶的冷端温度补偿与 集成温度传感器 9.6 热电偶的应用及配套仪表 进入 进入 进入 进入 进入

温度是诸多物理现象中具有代表性的物理量，现代生活中准确的温度是不可缺少的信息内容，家用电器涉及温度测量和控制的有：电饭煲、电冰箱、空调、微波炉、电热水器等。

第一节 温度测量的基本概念 一、温度测量的基本概念 温度标志着物质内部大量分子无规则运动的剧烈程度。温度越高，表示物体内部分子热运动越剧烈。 第一节 温度测量的基本概念 一、温度测量的基本概念 温度标志着物质内部大量分子无规则运动的剧烈程度。温度越高，表示物体内部分子热运动越剧烈。 低温 高温 模拟图：在一个密闭的空间里，气体分子在高温时的运动速度比低温时快！温度从微观上看，是物体分子运动平均动能大小的标志。

二、温标 温度是表征物体的冷热程度的物理量。为了定量分析，要给给物体的冷热程度一个定量的描述。温标就是以此目的而建立的。 温标是温度数值化的标尺，它给出了温度数值化的一套规则和方法，并明确了温度的测量单位和温度起点。 温标的建立方法：借助于随温度变化而变化的物理量（体积、压力、电阻和热电动势等）来定义温度数值、建立温标。

二、温标 （续） 1. 温度的数值表示方法称为温标。 温标规定了温度的读数的起点（即零点）以及温度的单位。各类温度计的刻度均由温标确定。 2. 国际上规定的温标有：摄氏温标、华氏温标、热力学温标等。

温标的发展 发展阶段：华氏温标→摄氏温标→开氏温标 华氏温标规定：标准大气压下冰融点为32度，水沸点为212度，两者中间分180格，每格为华氏1度，符号为℉。摄氏温标规定，标准大气压下冰融点为0度，水沸点为100度，两者中间分100格，每格为摄氏1度，符号为℃。华氏温标与摄氏温标的换算关系是： 例：摄氏温度为20℃时，华氏温度为32+36=68℉ 开氏温标规定，温度不能为负值，起点为绝对零度，冰融点为273.15度，水沸点为373.15度，两者中间分100格，每格为1开，符号为K。 各种温标均有局限性，华氏温标和摄氏温标只能标定0℃～100℃ 的温度，而开氏温标的起点只是理论上存在，无法达到。

国际实用温标 摄氏温度的符号为t90，单位是摄氏度,符号为℃。 国际实用温标是一种协议温标，用来统一各国之间的温度计量。 ①尽可能地接近热力学（开氏）温度； ②各国均能以很高的准确度复现同样的温标； ③用于复现温标的标准温度计使用方便、性能稳定。 第一个国际温标是1927年国际计量大会决定采用的，“1927国际温标”,后来又不断改进修订，相继有1948国际温标、 1968国际实用温标和1990国际实用温标。 目前推行的是1990年国际实用温标ITS-90： 热力学温度用符号T90表示,单位为开尔文，符号为K。 摄氏温度的符号为t90，单位是摄氏度,符号为℃。

T90和t90的关系为：t90=T90-273.15 ， 或 t /℃=T /K-273.15 ITS-90国际实用温标由三部分组成： 定义固定点、内插标准仪器及内插公式。 定义的固定点是指： 某些纯物质的三相点（气、液、固共存）、熔点或凝固点、沸点这些固定点的指定温度值。 固定点间的温度用规定的内插标准仪器和内插公式来分度。 热力学温标就是通过这种方法在标准仪器上来实现的。

几种温标的对比 正常体温为37℃ ， 相当于华氏温度多少度？

1990国际温标（ITS-90） 国际温度咨询委员会于1989年9月通过了1990年新的国际温标(ITS-90),并上报国际计量委员会批准。这个新国际温标于1990年1月1日起在全世界各国开始执行。新温标用“T(90)”代表热力学温度,其单位用 K 表示。我国的国家法定测温标准统一采用新的国际温，简称ITS-90。 ITS-90定义了一系列温度的固定点，测量和重现这些固定点的标准仪器以及计算公式，例如水的三相点为273.16K（0.01℃）等。

热力学温标（K） 热力学温标是建立在热力学第二定律基础上的最科学的温标，是由开尔文（Kelvin）根据热力学定律提来的，因此又称开氏温标。它的符号是T，单位是开尔文（K） 。 威廉·汤姆逊·开尔文勋爵像

三、温标的传递 国际实用温标是由各国计量部门按规定分别保持和传递。 各类温度计在使用前均要进行检定。一般采用比较法进行检定，即：将标准温度计和被校温度计同时放入检定装置（如各种恒温槽和管式电炉），以标准温度计测定的温度为已知，将被校温度计的测量值与其比较，从而确定被校温度计的准确度和修正值。

表9-1 ITS-90定义固定点

四、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、机械非电测型等。

温度传感器应满足的条件： 特性与温度之间的关系要适中，并容易检测和处理，且随温度基本呈线性变化； 除温度以外，特性对其它物理量的灵敏度要低； 特性随时间变化要小； 重复性好，没有滞后和老化； 灵敏度高，坚固耐用，体积小，对检测对象的影响要小； 机械性能好，耐化学腐蚀，耐热性能好； 能大批量生产，价格便宜； 无危险性，无公害。

温度传感器的种类及特点: 接触式温度传感器 非接触式温度传感器 接触式温度传感器的特点：传感器直接与被测物体接触进行温度测量，由于被测物体的热量传递给传感器，降低了被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时，测量准确度较低。因此采用这种方式要测得物体的真实温度的前提条件是被测物体的热容量要足够大。 非接触式温度传感器：主要是利用被测物体热辐射而发出红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成本较高，测量准确度较低。 优点：不从被测物体上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场。

温度测量及传感器分类 物理现象 种类 体积热膨胀 电阻变化 铂测温电阻、热敏电阻 热电偶 温差电动势 导磁率变化 BaSrTiO3陶瓷   体积热膨胀 电阻变化 温差电动势 导磁率变化 电容变化 压电效应 超声波传播速度变化 物质 颜色 P–N结电动势 晶体管特性变化 晶闸管动作点变化 热、光辐射 种类 铂测温电阻、热敏电阻 热电偶 BaSrTiO3陶瓷 石英晶体振动器 超声波温度计 示温涂料 液晶 半导体二极管 晶体管半导体集成电路温度传感器 热敏晶闸管 辐射温度传感器 光学高温计 1.气体温度计 2. 玻璃制水银温度计 3.玻璃制有机液体温度计 4.双金属温度计 5.液体压力温度计 6. 气体压力温度计 1．  热铁氧体 2．  Fe-Ni-Cu合金

表9-2 温度传感器的种类及特点 传 感 器 类 型 测 温 范 围/℃ 特 点 体 积 热 膨 胀 不需要电源，耐用；但感温部件体积较大 表9-2 温度传感器的种类及特点 所利用的物理现象 传 感 器 类 型 测 温 范 围/℃ 特 点 体 积 热 膨 胀 气体温度计 液体压力温度计 玻璃水银温度计 双金属片温度计 -250～1000 -200～350 -50～350 -50～300 不需要电源，耐用；但感温部件体积较大 接触热电动势 钨铼热电偶 铂铑热电偶 其他热电偶 1000～2100 200～1800 -200～1200 自发电型，标准化程度高，品种多；须进行冷端温度补偿 电 阻 的 变 化 铂热电阻 热敏电阻 -200～900 标准化程度高；但需要接入桥路才能得到电压输出 PN 结 结 电 压 硅半导体二极管 （半导体集成温度 传感器） -50~150 体积小，线性好， -2mV/℃；但测温范围小 温度-颜色 示温涂料 示温液晶 -50～1300 0～100 面积大，可得到温度图象；但易衰老，准确度低 光 辐 射 热 辐 射 红外辐射温度计 光学高温温度计 热释电温度计 -50～1500 500～3000 0～1000 非接触式测量，反应快；但易受环境及被测体表面状态影响

介绍几种温度测量方法 装满热水后图案变得清晰可辨 示温涂料（变色涂料）

变色陶瓷

示温变色贴

变色涂料在电脑内部温度中的示温作用 温度升高后变为红色 CPU散热风扇 低温时 显示蓝色

体积热膨胀式 不需要电源，寿命长；但感温部件体积较大， 只能抵近测量。 气体的体积与热力学温度成正比

红外温度计

热电偶测温的主要优点 1. 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-270℃ ，上限可达1800℃以上； 3.各温区中的各种热电偶的热电动势均符合国际计量委员会的标准。

第二节 热电偶的工作原理 热电偶工作原理演示 回目录 热电极B 热电极A A B 热电动势 结论： 第二节 热电偶的工作原理 回目录 热电偶工作原理演示 热电极B 热电极A 热电动势 右端称为：自由端（参考端、冷端） 左端称为：测量端（工作端、热端） A B 结论： 当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。

从实验到理论：热电效应 1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在回路中的指南针发生偏转。说明回路中产生了什么？ 1－工作端 2－热电极A 2－热电极B 4－指南针 5－参考端

“结点”产生热电动势的微观动画 A ＋ eAB（ T ） T B 热电偶的图形符号 两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的相互扩散现象。自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，从而产生热电动势。 A ＋ eAB（ T ） T 自由电子 B 热电偶的图形符号

上图中的接触电动势eAB(T )可用下式表示 式中 eAB(T) ——A、B两种材料在温度为T时的 接触电动势； T——接触处的热力学温度； k ——玻尔兹曼常数（k=1.3810-23J/K）； e ——电子电荷（e =1.610-19C）； nA、nB——热电极材料A、B的自由电子密度。

如果取eAB(T)的方向为正方向，如图所示，则有

有关热电动势的几个结论 1）如果热电偶两根电极材料相同，即使两端温度不同（t≠t0），但总输出热电动势仍为零。因此必须由两种不同材料才能构成热电偶。 2）如果热电偶两结点温度相同，则回路总的热电动势必然等于零。两结点温差越大，热电动势越大。 3）式中未包含与热电偶的尺寸形状有关的参数，所以热电动势的大小只与材料和结点温度有关。 如果以摄氏温度为单位，EAB(T，T0)也可以写成EAB(t，t0)，其物理意义虽然有所不同，但电动势的数值是相同的。

有关热电偶热电动势的讨论 结论：热电动势大致与两个结点的温差ΔT或Δt 成正比。 热电偶两结点所产生的总的热电动势等于热端热电动势与冷端热电动势之差，是两个结点的温差Δt 的函数： EAB(T，T0)=eAB ( T )- eAB ( T0 ) 结论：热电动势大致与两个结点的温差ΔT或Δt 成正比。

从实验到理论的讨论 如果用两盏酒精灯同时加热两个结点，指南针的偏转角反而减小。这又说明什么？ 结论： 指南针的偏转说明回路中有电动势产生，并有电流在回路中流动。 热电流的强弱与两个结点的温差有关，而不是与单一的一端结点的温度成正比。

中间导体定律 若在热电偶回路中插入“中间导体”(A、B热电极之外的其他导体),只要中间导体两端温度相同,则对热电偶回路的总热电动势无影响 。 1－镍铜表棒 2－磷铜接插件 3－铜漆包线动圈表头Cu－纯铜导线 HNi－镍黄铜 QSn－锡磷青铜 Sn－焊锡 NiMn－镍锰铜电阻丝

热电偶A、B回路插入中间导体C后， 总的热电动势为： 总的热电动势与C无关。同理，热电偶回路中插入多种导体（D、E、F……），只要保证插入的每种导体的两端温度相同，则对热电偶的热电动势也无影响。

中间导体定律的意义 利用热电偶来实际测温时，连接导线、显示仪表和接插件等均可看成是中间导体，只要保证这些中间导体两端的温度各自相同，则对热电偶的热电动势没有影响。 在使用热电偶时，应尽量使上述元器件两端的温度相同，才能减少测量误差。 在放大器中，若某个电阻或集成电路引脚两端的温度不相同，将产生热电动势。为了尽量减小由此产生的电动势，可以用铜质屏蔽罩将放大电路与热源隔离，并使罩内各个元件两端的温度相同。

参考电极定律 已知热电极A、B与参考电极C 组成的热电偶在结点温度为（t,t0）时的热电动势分别为EAC(t,t0)，EBC(t,t0)，则在相同温度下，由A、B两种热电极配对后的热电动势EAB(t,t0)： EAB（t,t0）=EAC(t，t0)EBC(t,t0) 参考电极定律简化了热电偶的选配工作。只要获得有关热电极与参考电极配对的热电动势，那么任何两种热电极配对时的热电动势均可求得，就能较快地筛选出适合需要的、 性能良好的热电偶。 目前常用纯铂丝作为 标准电极。

第三节 热电偶的种类及结构 八种国际通用热电偶： B:铂铑30—铂铑6 、R:铂铑13—铂 S:铂铑10—铂 、 K:镍铬—镍硅 第三节 热电偶的种类及结构 回目录 八种国际通用热电偶： B:铂铑30—铂铑6 、R:铂铑13—铂 S:铂铑10—铂 、 K:镍铬—镍硅 N:镍铬硅—镍硅 、E:镍铬—铜镍 J:铁—铜镍 T:铜—铜镍 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 B 铂铑30－铂铑6 50～1820℃ R 铂铑13—铂 -50～1768 ℃ S 铂铑10—铂 E 分度号 名称 测量温度范围 1000℃ 热电动势/ mV B 铂铑30－铂铑6 50～1820℃ 4.834 R 铂铑13—铂 -50～1768 ℃ 10.506 S 铂铑10—铂 9.587 K 镍铬－镍硅 (铝) -270～1370 ℃ 41.276 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？

几种旧国标热电偶的分度号测温范围 热电偶类别 旧 代号 分度号 测温 范围 允许误差 铂铑30-铂铑6 WRR LL-2 或B 0～1820℃ ≤800℃，±4.0℃ >800℃ ±0.5%t 铂铑10-铂 WRP LB-3 或S 0～1768℃ ≤600℃，±3.0℃ >600℃ 镍铬-镍硅 WRN EU-2 或K 0～1370℃ ≤400℃，±3.0℃ >400℃ ±0.75%t 镍铬-考铜 镍铬-铜镍 WRK WRE EA-2 或E 0～800℃ ≤300℃，±3.0℃ >300℃ ±1.0%t

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？ 为什么所有的曲线均过原点（0℃点）？

铂铑30-铂铑6热电偶（分度号B） 为贵金属热电偶。正极是铂铑丝（铂70%，铑30%），负极也是铂铑丝（铂94%，铑6%），俗称双铂铑。 测量温度最高长期可达1600℃，短期可达1800℃。 优点：材料性能稳定，测量准确度高，测温上限高。 缺点：在还原性气体中易被侵蚀，价昂。

铂铑10-铂热电偶（分度号S） 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。 缺点：在高温还原性气体中（如气体中含CＯ、H2等）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。

铂铑10-铂热电偶（分度号R） 为贵金属热电偶。正极是铂铑丝（铂87%，铑l3%）,负极是纯铂丝。测量温度最高长期可达1300℃，短期可达1600℃，多用于测量1000℃以上的高温。热电动势与S热电偶类似，但稳定性和复现性比S型热电偶好。国外使用较多，多用于精密测量，是今后的发展方向 。 优点：使用上限较高，准确度高，性能稳定，复现性好，抗氧化性好。 缺点：热电动势较小，不能在金属蒸气和还原性气氛中使用，在高温下连续使用时特性会逐渐变坏，价昂；

镍铬-镍硅（镍铝）热电偶（分度号K） 镍铬-镍硅的正极为含铬10%的镍铬合金（KP），负极为含硅3%的镍硅合金（KN）。国已经基本上用镍铬-镍硅取代镍铬-镍铝热电偶,两者分度表是相同的。 测温范围：-200~+1370℃。 优点：测温范围较宽、热电动势与温度关系近似线性，热电动势较大、价廉。是目前工业中应用最为广泛的热电偶。测量温度长期可达1000℃，短期可达1300℃。 　缺点：在300~500℃及800℃左右时，短期热循环稳定性不好，热电动势不够稳定，且不能用于核辐射场合。裸丝在还原性气体和含有SO2、H2S等气体中易被侵蚀。当氧分压较低时，镍铬电极中的铬将被氧化(也称绿蚀)，使热电动势发生很大变化。因此多采用金属制热电偶保护管。

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 。 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。

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。

几种非标准型热电偶 ① 铱和铱合金高温热电偶 铱50铑-铱10钌、铱铑40-铱、铱铑60-铱热电偶。它能在氧化环境中测量高达2100℃的高温，且热电动势与温度关系线性好。

② 钨铼热电偶 一种非标高温热电偶，可使用在真空、惰性气体介质或氢气介质中，但高温抗氧能力差。 钨铼3-钨铼25、钨铼-钨铼20热电偶使用温度范围在300～2000℃，分度准确度为1％。主要用于钢水连续测温、反应堆测温等场合。

③ 金铁—镍铬热电偶 正极：Au7%与93%的Fe合金，负极90%Ni与10%Cr的合金。偶丝直径为0.2和0.3mm。 主要用于超低温测量，可在2～273K （约-271~0℃）范围内使用，灵敏度约为10μV／℃。

④ 钯—铂铱15热电偶 是一种高输出热电动势的热电偶： 在1398℃时的热电动势为47.255mV，比铂铑10-铂热电偶在同样温度下的热电动势高出3倍，因而可配用灵敏度较低（需要较大输入电动势）的指示仪表，应用于要求高灵敏度的场合。

热电偶的分度表 ——热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法 我国从1991年开始采用国际计量委员会规定的“1990年国际温标”(简称ITS-90)的新标准。按此标准,制定了相应的分度表,并且有相应的线性化集成电路与之对应，并由计算机查表。 直接从热电偶的分度表查温度与热电动势的关系时的约束条件是：自由端（冷端）温度必须为0℃。 本教材的附录D仅列出工业中常用的镍铬-镍硅（K）热电偶的分度表。 使用分度表时，冷端必须为0℃ 。

冷端置于0℃的方法之一 1—被测流体管道 2—热电偶 3—接线盒 4—补偿导线 5—铜质导线 6—毫伏表 7—冰瓶 8—冰水混合物 9—试管 10—新的冷端

查热电偶分度表（温度/毫伏数） 设热电偶的冷端温度为0℃，请根据本教材的附录D——工业中常用的镍铬-镍硅（K）热电偶的分度表，查出-100℃、0℃ 、 100℃ 时的热电动势。 数字式温度表 单片机自动查分度表，并显示被测温度值 温度上限设定值 温度上限值设定键

K热电偶的分度表 分别查出-100℃、+100℃时的2个热电动势。 计算与0℃之差，体会热电动势的非线性。

如何由热电偶的热电动势查热端温度值 设冷端为0℃，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 。

装配式热电偶的外形 安装螺纹 安装法兰

接线盒 普通装配式热电偶的 结构图 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）

普通工业用装配式热电偶结构示意图 接线盒 保险套管 绝缘套管 热电偶丝

装配式热电偶在管道中的安装 1—装配式热电偶 2—管道 3—绝热层 锅炉烟道中的密封安装

装配式热电偶在 锅炉中的安装

端面式热电偶及其在测温面的安装 能更快速地反映被测端面的实际温度。 2017/3/3

铠装式热电偶 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。

铠装式热电偶

铠装型热电偶外形 铠装型热电偶可 长达上百米 B A 绝缘 材料 薄壁金属 保护套管（铠体） 法兰 铠装型热电偶横截面

铠装型热电偶外形 接线卡 屏蔽层 测量端 （热端）

铠装式热电偶在设备中的安装

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）

快速反应薄膜热电偶 用真空蒸镀等方法使两种热电极材料蒸镀到绝缘板上而形成薄膜装热电偶，热接点约0.01～0.lμm。 4 1 2 3 特别适用于对壁面温度的快速测量。安装时，用粘结剂将它粘结在被测物体壁面上。 尺寸约为 60×6×0.2mm; 测温范围在300℃以下；反应时间仅为几ms。 快速反应薄膜热电偶 1—热电极 2—热接点 3—绝缘基板 4—引出线

隔爆式热电偶 结构特点：隔爆热电偶的接线盒在设计时采用防爆的特殊结构，它的接线盒是经过压铸而成的，有一定的厚度、隔爆空间，机构强度较高；采用螺纹隔爆接合面，并采用密封圈进行密封，因此，当接线盒内一旦放弧时，不会与外界环境的危险气体传爆，能达到预期的防爆、隔爆效果。 使用场合：工业用的隔爆型热电偶多用于化学工业自控系统中（由于在化工生产厂、生产现场常伴有各种易燃、易爆等化学气体或蒸汽，如果用普通热电偶则非常不安全、很容易引起环境气体爆炸）。

隔爆式热电偶外形 法兰盘 电缆线 厚壁保护管 压铸的接线盒

装配式热电偶的常用保护管材料 材料名称 使用温度/C H62黄铜 12CrMOV钢 1Cr18Ni9Ti不锈钢 Cr18Ni12MO2Ti GH39高温不锈钢 石英 高铝质管（85%90%Al2O3） 高级耐火陶瓷 再结晶氧化铝 碳化硅 钢玉质管（99.5%Al2O3） 硼化锆 石墨 氧化钍（ThO） 400 600 900 1200 1300 1400 1500 1600 1800 2000 2200

其他热电偶外形 小形K型热电偶

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，

用消耗式热电偶测量熔融金属温度的 示意图

适合不同被测壁面的热电偶安装方法 a）薄膜热电偶测量表面温度 b）铠装式热电偶测量车刀的核心温度 c）铠装式热电偶测量电动机外壳温度 1—发热元件 2—散热片 3—薄膜热电偶 4—绝热保护层 5—硬质车刀 6—用激光加工的斜孔 7—露头式铠装热电偶的测量端 8—薄壁金属保护管 9—冷端 10—工件

用两根热电偶测量水泵的效率

热电偶丝与被测温度金属板的3种焊接方式

热电偶丝的冲击焊电路

热电偶丝的接触焊电路

第四节 热电偶冷端的延长 回目录 采用相对廉价的补偿导线，可延长热电偶的冷端，使之远离高温区；可节约大量贵金属；易弯曲，便于敷设。 第四节 热电偶冷端的延长 回目录 采用相对廉价的补偿导线，可延长热电偶的冷端，使之远离高温区；可节约大量贵金属；易弯曲，便于敷设。 补偿导线在0～100℃范围内的热电动势与配套的热电偶的热电动势相等，所以不影响测量准确度。

热电偶冷端延长 用A‘、B’与A及B连接后，测温回路的总的热电势仅取决于A、B、T及T0（T0为新的自由端，它是稳定的），而与A、A‘ 及B、B’连接处的温度Tn（中间温度，它是不稳定的）无关，在T0处测得的总的热电势与直接将热电偶延伸到T0无异。 2

补偿导线型号（续） 型号 配用热电偶 正-负 导线外皮 颜色 100℃时的 热电动势/ mV RC R （铂铑13-铂） 红-绿 0.647 NC N（镍铬硅-镍硅） 红-黄 2.744 EX E （镍铬-铜镍） 红-棕 6.319 JX J（铁-铜镍） 红-紫 5.264 TX T （铜-铜镍 ） 红-白 4.279

补偿导线外形 A' B' 屏蔽层 保护层

热电偶的冷端延长电路

第五节 热电偶的冷端温度补偿 必要性： 1. 用热电偶的分度表查毫伏数-温度时，必须满足t0=0℃的条件。在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化，这样t0不但不是0℃ ，而且也不恒定， 因此将产生误差。 2. 一般情况下，冷端温度高于0℃ ，热电动势总是偏小。应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失 。 回目录

冷端温度补偿的方法 一、冷端恒温法： 将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中，使冷端的温度保持在0℃不变。此法也称冰浴法，它消除了t0不等于0℃而引入的误差，由于冰融化较快，所以一般只适用于实验室中。

冰浴法： 在冰瓶中，冰水混合物的温度能较长时间地保持在0℃不变。

冰浴法接线图——冷端至于0℃环境中

EAB(t,0 ℃)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0 ℃) 二、计算修正法 当热电偶的冷端温度t0 0℃时，由于热端与冷端的温差随冷端的变化而变化，所以测得的热电动势EAB(t,t0)与冷端为0℃时所测得的热电动势EAB(t,0℃)不等。若冷端温度高于0℃，则EAB(t,t0)<EAB(t,0 ℃)。可以利用下式计算并修正测量误差： EAB(t,0 ℃)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0 ℃)

计算修正法举例 K热电偶测温电路中，热电极 A、B直接焊接在钢板上，A '、B' 为补偿导线，Cu为铜导线，已知接线盒1 的温度t1=40℃，冰瓶中为冰水混合物，接线盒 3 的温度t3=20.0℃。 求：1）冰瓶的温度t 2；2）将热电极直接焊在钢板上是应用了热电偶的什么定律？3）当Ux=29.97mV时，估算被测点温度t x ；4）如果冰瓶中的冰完全融化，温度上升到与接线盒1的温度相同，此时的Ux减小到28.36mV，再求t x。

解： 1）接线盒1 是热电极与补偿导线（延长导线）的接线位置，不影响测量结果，不必考虑t 1温度的大小和波动。 冰瓶的温度为: 0 ℃,是补偿导线（冷端）与铜导线的接线位置,所以可以直接查分度表。 2）将热电极直接焊在钢板上是应用了热电偶的中间导体定律。 3）当Ux=29.97mV时，直接查分度表得到被测点温度t x=720 ℃ 。 注:接线盒 3 的温度t3不是冷端温度,属于中间温度,与测量结果无关.

EAB(t,0℃)=EAB(t,40℃)+EAB(40℃,0℃) 解（续） 4）如果冰瓶中的冰完全融化，温度上升到与接线盒1的温度相同，即：冷端温度不再是0 ℃，而为40 ℃。 此时的Ux=28.36mV，再求t x。 EAB(t,0℃)=EAB(t,40℃)+EAB(40℃,0℃) =(28.36+1.61)mV=29.97mV 反查K型热电的偶分度表， 仍然得到t x =720℃。

三、仪表机械零点调整法 指针被预调到室温（40 ℃ ） 可补偿冷端损失 用螺丝刀调节仪表面板上的“机械零点”，使指针指到气温t0（图中为40 ℃）的刻度上。 机械零点 指针被预调到室温（40 ℃ ） 可补偿冷端损失

半导体集成温度传感器测温及热电偶冷端温度的测量 PN结的温度特性演示 半导体集成温度传感器测温及热电偶冷端温度的测量 PN结是集成温度传感器的最基础的测温元件。 二极管的正向电压降UD以-2mV/℃ 的趋势变化 。

集成温度传感器的测温原理 集成温度传感器内部多将一个三极管的集电极与基极短接，还有恒流源（VT3、VT4）、放大器、输出级等电路。 在集成温度传感器内部，两只测温晶体管（VT1、VT2）的b-e结压降的不饱和值Ube之差ΔUbe，（R1上的压降）与热力学温度T、成正比： q:电子电荷,Jc1、Jc2:两只晶体管的集电极电流密度。

集成温度传感器的类型 集成温度传感器可分为：模拟型集成温度传感器和数字型集成温度传感器。模拟型的输出信号形式有电压型和电流型两种。 电压型的灵敏度多为10mV/℃（以摄氏温度0℃作为电压的零点），电流型的灵敏度多为1μA/K（以绝对温度0K作为电流的零点）； 数字型又可以分为开关输出型、并行输出型、串行输出型等几种不同的形式。

模拟型集成温度传感器 电流输出型集成温度传感器 电流输出型温度传感器能产生一个与绝对温度成正比的电流作为输出，AD590是电流输出型温度传感器的典型产品。

AD590封装 空脚（接地）

AD590的基本转换电路（开氏温度） 电流-电压转换电路（10mV/K） 增加负载电阻的阻值可提高输出电压。

输出电压Uo与 摄氏温度成正比（100mV/℃） AD590的基本转换电路 输出电压Uo与 摄氏温度成正比（100mV/℃） 输出电压Uo与热力学温度成正比（1mV/K）

电压输出型集成温度传感器 ——LM35/45（10mV/K）

电压输出型集成温度传感器 —— LM35/45（摄氏温度） 正温度测量电路 LM35/45构成的 正负温度测量电路

集成温度传感器 用于CPU散热保护电路 散热风扇 集成温度IC CPU散热片 CPU插座

数字输出型集成温度传感器 单片集成温度传感器内部包含高达上万个晶体管，能将测温PN结传感器、高准确度放大器、多位A/D转换器、逻辑控制电路、总线接口等做在一块芯片中，可通过总线接口，将温度数据传送给诸如单片机、PC、PLC等上位机。不会产生模拟信号传输时电压衰减造成的误差，抗电磁干扰能力较强。 目前在集成温度传感器中常用的总线有：I-Wire总线、I2C总线、USB总线、SPI总线、SMBUS总线等。

数字输出型集成温度传感器 当热电偶冷端高于0℃时，输出的电动势EAB（tx，0℃）将减小。为了弥补冷端引起的损失，必须将冷端在t0温度时所损失的对应热电势EAB（t0，0℃）补偿到热电偶的输出中，使总的热电势增大，达到冷端为0℃时的EAB（tx，0℃），然后才能查热电偶的分度表，从而得到正确的被测温度tx。 冷端补偿的公式为 EAB（tx，0℃）= EAB（tx，t0）+ EAB（t0，0℃） 根据这一公式，许多厂商设计、制造了集成冷端补偿芯片。 1

专用热电偶冷端温度补偿芯片 MAX6675是基于SPI总线、专门用于对工业中最常用的镍络-镍硅K型热电偶进行温度补偿的芯片。它能将补偿后的热电动势转换为代表温度的数字脉冲，从SPI串行接口输出。

MAX6675工作 MAX6675工作时必须与热电偶冷端或补偿导线处于相同的温度场中，冷端温度t0必须高于0℃，低于100℃。在100℃范围内，它将产生与分度表对应的4.096μV/100℃的补偿电压。时序图如下： 当CS为低电平时，MAX6675的SO端输出一串12位与时钟信号（SCK）同步的二进制码。

第六节 热电偶的配套仪表 由于我国生产的热电偶均符合ITS-90国际温标所规定的标准，其一致性非常好，所以国家又规定了与标准热电偶配套的仪表，它们的显示值为温度，而且均已线性化。国家标准的动圈式显示仪表命名为XC系列。有指示型（XCZ）和指示调节型（XCT）等系列品种。与K型热电偶配套的动圈仪表型号为XCZ-101或XCT-101等。数字式仪表也有指示型（XMZ）和指示调节型（XMT）等几种系列品种。 回目录

XCZ系列指针式显示仪表 XC系列动圈式仪表测量机构的核心部件是一个磁电式毫伏计。动圈式仪表与热电偶配套测温时，热电偶、连接导线（补偿导线）、调整电阻和显示仪表组成了一个闭合回路。 1—热电偶 2—补偿导线 3—冷端补偿器 4—外接调整电阻 5—铜导线 6—动圈 7—张丝 8—磁钢（极靴） 9—指针 10—刻度面板

XCZ系列指针式显示仪表

XMZ系列智能数字显示仪表特点 （1）输入分度号切换：仪表的输入分度号可按键切换（如K、R、S、B、N、E型等）。 （2）量程设定：测量量程和显示分辨力由按键设定。 （3）控制设定：上限、下限或“上上限”、“下下限”等各控制点值可在全量程范围内设定,上下限控制回差值也可分别设定. （4）继电器功能设定：内部的数个继电器可根据需要设定成上限控制（报警）方式或下限控制（报警）方式。 （5）断线保护输出：可预先设定各继电器在传感器输入断线时的保护输出状态（ON/OFF/KEEP）。掉电数据保护。 （6）冷端补偿范围：0～60℃。带有计算机、打印机接口.

XMZ系列智能 数字显示仪表外形

与热电偶配套的标准仪表接线图 右上角的三个接线端子分别为：仪表内继电器的常开（动合）触点、动触点和常闭（动断）触点。当被测温度低于设定的上限值时，“高-总”端子接通，“低-总”端子断开； 当被测温度达到上限值时，“低-总”端子接通，而“高-总”端子断开，起到控温或报警作用。“上限输出1”的两个触点还可用于控制其他电路。

其他与热电偶配套的仪表 数字式温度 显示调节仪 上下限设定

DDZ－Ⅲ型电动单元组合 仪表中的变送单元之一： 轨装式温度变送器 它能将热电偶（或热电阻）的输入信号线性地转换成与温度成比例的电流（电压）信号，供给显示、控制仪表及计算机集散系统，广泛用于冶金、石油化工、热电站、纺织、造纸等行业的测温控制系统中。

如何根据电路和设备的要求， 对测温仪表、电炉进行接线 热电偶 利用XMT仪表组成热电偶测温、控温电路

黄 L1 热电偶输出端 L3 红 接零铜排 L2 绿 电炉 下页为热电偶 接线过程的演示 接零 接大地铜排

黄 L1 热电偶输出端 L3 红 接零铜排 L2 绿 电炉 接线过程开始 接大地铜排

L3 接线过程结束 接大地铜排 黄 L1 红 接零铜排 L2 “3”端接何处? 热电偶输出端 绿 电炉 当温度控制器测得的温度达到设定值时，5-6两端开路，交流接触器失电，电炉回路被切断。 接线过程结束 接大地铜排