学习情境二：工业窑炉温度控制系统 [目的要求] 掌握电阻式温度传感器及热电偶的的相关知识与应用。 [学习重点] 电阻式温度传感器及热电偶的工作原理、测量电路、线性测量方法。 [学习建议] 通过设计组装电路全面掌握电阻式温度传感器及热电偶的使用。 [学习内容] （一）电路原理分析 （二）电路设计 （三）元件参数分析 （四）电路组装调试

一、 金属热电阻传感器

1.1 金属热电阻传感器 金属热电阻传感器一般称作热电阻传感器，是利用金属导体的电阻值随温度的变化而变化的原理进行测温的。 金属热电阻的主要材料是铂和铜。 热电阻广泛用来测量-220～+850℃范围内的温度， 少数情况下， 低温可测量至1K（-272℃），高温可测量至1000℃。

最基本的热电阻传感器由热电阻、连接导线及显示仪表组成，如图2-14所示。 图2-14 金属热电阻传感器测量示意图

1.1.1 热电阻的温度特性 热电阻的温度特性，是指热电阻Rt随温度变化而变化的特性。 1.铂热电阻的电阻—温度特性 铂电阻的特点是测温精度高，稳定性好，所以在温度传感器中得到了广泛应用。铂电阻的应用范围为-200～+850℃。 铂电阻的电阻—温度特性方程，在-200～0℃的温度范围内为： Rt=RO[1+At+Bt2+Ct3(t-100)] 在0～+850℃的温度范围内为： Rt=RO(1+At+Bt2)

2.铜热电阻的电阻温度特性 由于铂是贵金属，在测量精度要求不高，温度范围在-50～+150℃时普遍采用铜电阻。铜电阻与温度间的关系为 Rt=R0(1+α1t+α2t2+α3t3) 由于α2、α3比α1小得多，所以可以简化为 Rt≈R0(1+α1t) 1.1.2 热电阻传感器的结构 热电阻传感器由电阻体、绝缘管、保护套管、引线和接线盒等组成，如图2-15所示。

热电阻结构

1.1.3 热电阻测量线路 直流电桥线路，主要考虑其引线电阻和接触电阻影响，常采用三线接法和四线接法。如图2-2、图2-3所示。 其次考虑工作电流的热效应影响，工作电流<10mA。

图2－2 热电阻测温电桥的三线连接法 图2－3 热电阻测温电桥的四线连接法

1.2 热电阻的应用 1)铂热电阻测温 恒压工作的铂热电阻测温电路如图1-4（a）所示。 1.2 热电阻的应用 1)铂热电阻测温 恒压工作的铂热电阻测温电路如图1-4（a）所示。 热电阻选用TRRA102B(Pt1000)，R0＝1000Ω ； 传感器工作电压UB＝10V＋e1。 测温电桥输出：；可得10mV/℃的电压灵敏度。

（a）测温电路；（b）直流/交流变换器电路 恒压工作铂热电阻测温电路 （a）测温电路；（b）直流/交流变换器电路

热电阻数字温度计测温电路如图所示。测温电桥输出信号经MAX138A/D转换，数字显示。 2)热电阻数字温度计 热电阻数字温度计测温电路如图所示。测温电桥输出信号经MAX138A/D转换，数字显示。 图MAX138管脚配置图 热电阻数字温度计电路 图1－6 MAX138管脚配置图 图1－7 热电阻数字温度计

MAX138A/D转换器与ICL7106比较，增加了如下功能： 片内设置有负电源转换器，因此可以单电源供电； 工作电源电压范围宽（2.5~7V）； 片内设置有振荡电路。 差动输出传感器信号适宜与MAX138等A/D转换连接，实现数字测量。MAX138、ICL7106、ICL7107等A/D转换器的转换精度是三位半，与二进制10位A/D转换器的转换精度相当

一、 半导体热敏电阻

2.1 半导体热敏电阻 半导体热敏电阻简称热敏电阻，是一种新型的半导体测温元件。 热敏电阻是利用某些金属氧化物或单晶锗、硅等材料，按特定工艺制成的感温元件。热敏电阻可分为三种类型，即： 正温度系数（PTC）热敏电阻 负温度系数（NTC）热敏电阻 在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻器（CTR）。

2.1.1 热敏电阻的（Rt—t）特性 图2-19 各种热敏电阻的特性曲线 1-突变型NTC；2-负指数型NTC；3-线性型PTC；4-突变型PTC 图2-19 各种热敏电阻的特性曲线

结论： （1）热敏电阻的温度系数值远大于金属热电阻，所以灵敏度很高。 （2）同温度情况下，热敏电阻阻值远大于金属热电阻。所以连接导线电阻的影响极小，适用于远距离测量。 （3）热敏电阻Rt—t曲线非线性十分严重，所以其测量温度范围远小于金属热电阻。

2.1.2 热敏电阻温度测量非线性修正 由于热敏电阻Rt—t曲线非线性严重，为保证一定范围内温度测量的精度要求，应进行非线性修正。 （1）线性化网络 利用包含有热敏电阻的电阻网络（常称线性化网络）来代替单个的热敏电阻，使网络电阻RT与温度成单值线性关系。 其一般形式如图2-20所示。

线性化网络

（2）利用电阻测量装置中其它部件的特性进行综合修正。 下图是一个温度-频率转换电路， 虽然电容C的充电特性是非线性特性，但适当地选取线路中的电阻r和R，可以在一定的温度范围内，得到近于线性的温度-频率转换特性。

图2-21 温度-频率转换器原理图

（3）计算修正法 在带有微处理机（或微计算机）的测量系统中， 当已知热敏电阻器的实际特性和要求的理想特性时， 可采用线性插值法将特性分段，并把各分段点的值存放在计算机的存贮器内。 计算机将根据热敏电阻器的实际输出值进行校正计算后，给出要求的输出值。

2.2 热敏电阻的应用 2.2.1 流量测量， 基于流体流速（流量）与散热关系，利用热敏电阻桥式电路测流体流速（或流量），如图1-17所示。 2.2 热敏电阻的应用 2.2.1 流量测量， 基于流体流速（流量）与散热关系，利用热敏电阻桥式电路测流体流速（或流量），如图1-17所示。 热敏电阻流量计

2.2.2 温度控制

2.2.3 温度上、下限报警

2.3 热敏电阻温度传感器的应用 1.热敏电阻在汽车水箱温度测量中的应用 图2-25所示为汽车水箱水温监测电路。其中Rt为负温度系数热敏电阻。 2.热敏电阻在空调器控制电路中的应用 春兰牌KFR-20GW型冷热双向空调中热敏电阻的应用，如图2-26所示。

图 汽车水箱测温电路

图 热敏电阻在空调控制电路中的应用

3 冰箱、冰柜专用温度传感器 冰箱、冰柜专用温度传感器型号有KC系列。 冰箱、冰柜热敏电阻式温控电路如图2-35所示。 A1组成开机检知电路，由A2组成关机检知电路。 周而复始地工作，达到控制电冰箱内温度的目的。

图 冰箱热敏电阻温控电路

3 热电偶传感器

3.1 热电偶在温度的测量中应用十分广泛。它构造简单，使用方便，测温范围宽，并且有较高的精确度和稳定性。 3.1.1 热电偶测温原理 1.热电效应 如图所示，两种不同材料的导体组成一个闭合回路时，若两接点温度不同，则在该回路中会产生电动势。这种现象称为热电效应，该电动势称为热电势。

热电效应

2.两种导体的接触电势 假设两种金属A、B的自由电子密度分别为nA和nB,且nA>nB。当两种金属相接时，将产生自由电子的扩散现象。 达到动态平衡时，在A、B之间形成稳定的电位差，即接触电势eAB，如图2-3所示。 图2-3 两种导体的接触电势

3.单一导体的温差电势 对于单一导体，如果两端温度分别为T、TO，且T>TO，如图2-4所示。 图2-4 单一导体温差电势

导体中的自由电子，在高温端具有较大的动能，因而向低温端扩散，在导体两端产生了电势，这个电势称为单一导体的温差电势。 势电偶回路中产生的总热电势，由图2-5可知： EAB(T,TO)=eAB(T)+eB(T,TO)-eAB(TO)-eA(T,TO) 或 EAB(t,tO)=eAB(t)+eB(t,tO)-eAB(tO)-eA(t,tO) 式中： EAB(T,TO): 热电偶回路中的总电动势； eAB(T): 热端接触电势； eB(T,TO): B导体温差电势； eAB(TO): 冷端接触电势； eA(T,TO): A导体温差电势。

接触电势示意图

在总电势中，温差电势比接触电势小很多，可忽略不计，则热电偶的热电势可表示为： EAB(T,TO)=eAB(T)-eAB(TO) 对于已选定的热电偶，当参考端温度TO恒定时，EAB(TO)=c为常数，则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，即： EAB(T,TO)=eAB(T)- c =f(T) 实际应用中，热电势与温度之间的关系是通过热电偶分度表来确定。 分度表是在参考端温度为00C时，通过实验建立起来的热电势与工作端温度之间的数值对应关系。

４.热电偶的基本定律 (1)中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种导体，只要该导体两端温度相等，则热电偶产生的总热电势不变。 如图2-6所示，可得回路总的热电势 EABC(T,TO)=eAB(T)-eAB(TO)=EAB(T,TO) 根据这个定律，我们可采取任何方式焊接导线，将热电势通过导线接至测量仪表进行测量，且不影响测量精度。

中间导体定律示意图

(2)中间温度定律 在热电偶测量回路中，测量端温度为T，自由端温度为TO，中间温度为ＴO′，如图2-7所示。则T，TO热电势等于T，TO′与TO′，TO热电势的代数和。即 EAB(T,TO)=EAB(T,TO′)+EAB(TO′,TO) 运用该定律可使测量距离加长，也可用于消除热电偶自由端温度变化影响。

中间温度定律示意图

(3)参考电极定律（也称组成定律） 如图2-8所示。 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)，则相同温度下，由A、B两种热电极配对后的热电动势EAB(T，T0)可按下面公式计算： EAB(T，T0)=EAC(T，T0)-EBC(T，T0) 参考电极定律大大简化了热电偶选配电极的工作。

参考电极定律示意图

例2.1 当T为100℃，T0为0℃时，鉻合金—铂热电偶的E（100℃，0℃）=+3.13mV，铝合金—铂热电偶E（100℃，0℃）为-1.02mV，求鉻合金—铝合金组成热电偶的热电势E（100℃，0℃）。 解： 设鉻合金为A，铝合金为B，铂为C。 即 EAC（100℃，0℃）=+3.13mV EBC（100℃，0℃）=-1.02mV 则 EAB(100℃,0℃)=+4.15mV

3.2 热电偶的结构形式及热电偶材料 1.普通型热电偶 普通型热电偶一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成。普通型热电偶按其安装时的连接形式可分为固定螺纹连接、固定法兰连接、活动法兰连接、无固定装置等多种形式。 如图所示：

1-热电极;2-绝缘瓷管;3-保护管;4-接线座;5-接线柱;6-接线盒 直形无固定装置普通工业用热电偶

2.铠装热电偶（缆式热电偶） 铠装热电偶也称缆式热电偶，是将热电偶丝与电熔氧化镁绝缘物溶铸在一起，外表再套不锈钢管等构成。 这种热电偶耐高压、反应时间短、坚固耐用。 如图所示：

1-热电极;2-绝缘材料;3-金属套管;4-接线盒;5-固定装置 铠装热电偶

3.薄膜热电偶 用真空镀膜技术或真空溅射等方法，将热电偶材料沉积在绝缘片表面而构成的热电偶称为薄膜热电偶。 如图2-11所示： 图2-11 薄膜热电偶

4.热电偶组成材料及分度表 为了准确可靠地进行温度测量，必须对热电偶组成材料严格选择。 目前工业上常用的四种标准化热电偶材料为: 铂铑30－铂铑6、 铂铑10－铂、 镍铬－镍硅 镍铬－铜镍（我国通常称为镍铬－康铜）。 组成热电偶的两种材料写在前面的为正极，后面的为负极。 热电偶的热电动势与温度之关系表，称之为分度表。

3.3 热电偶测温及参考端温度补偿 1.热电偶测温基本电路 如下图所示， 图（a）表示了测量某点温度连接示意图。 图（b）表示两个热电偶并联测量两点平均温度。图（c）为两热电偶正向串联测两点温度之和。 图（d）为两热电偶反向串联测量两点温差。 热电偶串、并联测温时，应注意两点： 第一，必须应用同一分度号的热电偶； 第二，两热电偶的参考端温度应相等。

常用的热电偶测温电路示意图

2.热电偶参考端的补偿 热电偶分度表给出的热电势值的条件是参考端温度为0℃。如果用热电偶测温时自由端温度不为0℃，必然产生测量误差。应对热电偶自由端（参考端）温度进行补偿。 例如：用K型（镍铬-镍硅）热电偶测炉温时，参考端温度t0=30℃， 由分度表可查得 E(30℃,0℃)=1.203mv， 若测炉温时测得E(t,30℃)=28.344mv， 则可计算得 E(t,0℃)=E(t,30℃+E(30℃,0℃)=29.547mv 由29.547mv再查分度表得t=710℃，是炉温。

一、布置课题并进行说明 热电偶温差计的设计与制作。 提出问题：热电偶是如何测量温度的？

热电偶测温原理

二、热电偶在炉温控制中的应用

三、热电效应 解释热电效应现象。 用不同导体动手做一个热电势回路，验证热电效应。

四、热电偶的结构及类型 1. 拆热电偶实物弄清其构造 仔细观察实训室里提供的热电偶实物，弄清其型号及输出线的联接。 掌握用热电偶测量温度的基本方法。根据输出电压，对照分度表得被测量温度。

2. 结构类型 普通型、铠装型、端面型、防爆型等。 普通型 铠装型防水型

五、查表法测水温 1. 动手操作 按照要求测量开水的温度，倒一杯开水，将热电偶放入其中，并将引出线接入数字毫伏表，得到输出电压，查相应的热电偶分度表得出水的温度。 发现问题查找原因。

2. 冷端补偿 必须将冷端温度保持恒定才能使热电势正确反映热端的被测温度，由于很难保证冷端温度在恒定0℃故常采取一些冷端补偿措施，主要有：冷端恒温法 、补偿导线法 、计算修正法 和电桥补偿法等几种。

如采用镍铬-镍硅热电偶测炉温，热端为800℃ ，冷端为50 ℃ ，仪表室为20 ℃ ，先分别查表得： E（800,0）=33.277mV、 E(50,0)=2.022mV和 E(20,0)=0.798mV。 则不补偿时输入仪表的热电势为：E(800,50)=33.277－2.022=31.255mV（相当于751 ℃ ），采用补偿导线后则为：E(800,20)=33.277－0.798=32.479mV（相当于781 ℃ ），效果显著。

冷端温度补偿电桥的原理图

六、温差测量电路的设计与制作 1. 测量电路原理图

2. 热电偶的选择 热电偶有几十种，选用现有的普通K型热电偶。

3. 温度信号调理电路 电路采用ISO100光耦合线性隔离放大器，电源由两个IA1215S-1W提供。

4. 显示 可直接将测量电路的输出电信号接入液晶电压表进行显示。 5. 制作 按测量电路原理图设计好电路板，将元件安装到PCB板上，再进行锡焊，做好温度放大测量电路后将热电偶联接进来，并将信号输出线接入液晶电压表。

六、调试 调节测量电路的放大倍数，使液晶电压表显示的电压在一定范围内变化，最好使电压每变化1V，温度正好变化10℃。发现问题要认真查找原因，并加以消除。注意使用范围。