3.5 温度检测 仪表 温度测量的方法 热电偶温度检测仪表 热电阻温度检测仪表

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1 3.5 温度检测 仪表 3.3.1 温度测量的方法 3.3.2 热电偶温度检测仪表 3.3.3 热电阻温度检测仪表
3.5 温度检测 仪表 3.3.1 温度测量的方法 3.3.2 热电偶温度检测仪表 3.3.3 热电阻温度检测仪表 3.3.4 DDZ-Ⅲ型温度变送器 3.3.5 微型化温度变送器 温度是反映物体冷热状态的物理参数。温度是与人类生活息息相关的物理量。工业生产自动化流程，温度测量点要占全部测量点的一半左右。

2 3.3.1 温度检测方法 热电偶 主要特点 测量精度高，便于远距离、多点、集中检测和自动控制，应用广泛；不能测高温。
测温方式 测温仪表 测温范围℃ 主要特点 接 触 式 膨胀式 玻璃液体 -50～600 结构简单、使用方便、测量准确、价格低廉；测量上限和精度受玻璃质量的限制，易碎，不能远传。 双金属 -80～600 结构紧凑可靠；测量精度低、量程和使用范围有限 压力式 液体 气体 蒸汽 -30～600 -20～350 0～250 结构简单，耐震，防爆能记录、报警，价格低廉；精度低，测稳距离短，滞后大。 热电效应 热电偶 -200～1600 测温范围广、测量精度高、便于远距离、多点、集中检测和自动控制，应用广泛；需自由端温度补偿，在低温段测量精度较低 。 热阻效应 铂电阻 -200～600 测量精度高，便于远距离、多点、集中检测和自动控制，应用广泛；不能测高温。 铜电阻 -50～150 半导体热敏电阻 灵敏度高、体积小、结构简单、使用方便；互换性较差，测量范围有一定限制。 非接触式 辐射式 光学式 比色式 400～ ～3200 900～1700 不破坏温度场，测温范围大，响应块，可测运动物体的温度；易受外界环境的影响，低温不准。 红外线 光电探测 热电探测 0～3500 200～2000 测温范围大，适用于测温度分布，不破坏温度场，响应块；易受外界环境的影响，标定较困难。

3 3.3.2 热电偶温度检测仪表 热电偶的测温原理 有关热电偶回路的几点结论 热电偶冷端温度补偿 常用热电偶及其特性 热电偶的结构形式
热电偶传感器简称热电偶。热电偶能满足温度测量的各种要求，具有结构简单，精度高，范围宽（-269~2800℃），响应较快，具有较好的稳定性和复现性，因此在测温领域中应用广泛。

4 热电偶的测温原理 把两种不同的导体（或半导体）接成如图3-25所示的闭合电路，把它们的两个接点分别置于温度为t0及t（t>t0 ）的热源中，则在回路中将产生一个电动势，称为热电动势，或塞贝克电动势。这种现象称为热电效应或叫塞贝克效应。 图3-25中的两种导体叫热电极，两个接点，一个称为工作端或热端（t），另一个称为自由端或冷端。由这两种导体组成并将温度转换成热电动势的传感器称为热电偶。 图3-25 热电偶工作原理

5 赛贝克效应 热电偶效应在1821年首先由赛贝克（See－back）发现,所以又称赛贝克效应。
热电动势由两种导体接触电动势（或称珀尔帖电动势）和单一导体的温差电动势（汤姆逊电动势）组成。热电动势的大小与两种导体的材料及接点的温度有关。 热电偶原理图 T T0 A B 热端 冷端

6 热电偶回路的热电动势 由上述可知，图3-25的热电偶回路有四个热电动势；两个接触电动势 、 和两个温差电动势
由上述可知，图3-25的热电偶回路有四个热电动势；两个接触电动势 、 和两个温差电动势 、 ，热电动势的等效电路见图3-25 。四个电动势中，由于 ， 的量值最大，以 的方向为正，则回路热电动势为： 图3-26 热电动势等效电路

7 热电偶测温的工作原理 由于温差电动势很小，而且 与 的极性相反，两者互相抵消，可忽略不计。因此，热电偶回路的热电动势为：
由于温差电动势很小，而且 与 的极性相反，两者互相抵消，可忽略不计。因此，热电偶回路的热电动势为： 由上式可见，热电偶回路的热电动势 与热点偶电极材料的电子密度 、 和两接点的温度 、 有关。当电极材料一定时，热电偶回路的热电动势 成为温度 和 的函数之差，即 若保持冷端温度 恒定， 常数，则上式可写成： （3-8） 由上式可见，热电偶回路的热电动势 与热端温度具有单值函数关系。 此即为热电偶测温的工作原理。

8 热电偶分度表 由于电极材料的电子密度与温度有关，温度变化，电子密度并非常数，因此式（3-8）的单值函数关系很难用计算方法准确得到，而是通过实验方法获得。规定在 ℃（ K），将测得的 与 的对应关系制成表格，称为各种热电偶的分度表。 热电动势 中，下标A、B表示热电极，规定写在前面的热电极A为正极，写在后面的热电极B为负极，表示测量温度， 表示冷端温度。若符号有变化，而其相应的位置的规定含义不变，因此有：

9 有关热电偶回路的几点结论 热电偶回路的热电动势仅与热电偶电极的热电性质及两端温度有关，而与热电极的几何尺寸（长短、粗细）无关。由于这一结论，使用中烧断的热电偶可重新焊接，经过校验合格后，再用于测温。 若组成热电偶的两电极的材料相同，即A=B， ，则无论两接点的温度如何，热电偶回路的热电动势总是等于零，即： 若热电偶两接点的温度相同，即 ，则尽管热电极材料A、B不同，热电偶回路的热电动势总是等于零。即：

10 有关热电偶回路的几点结论 热电偶回路的热电动势 仅与两端温度 和 有关，而与热电偶中间温度无关。
热电偶回路的热电动势 仅与两端温度 和 有关，而与热电偶中间温度无关。 在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要第三种材料导体两端的温度相同，第三种导体的接入不会影响热电偶回路的热电动势。

11 热电偶冷端温度补偿 如前所述，热电偶的冷端温度必须保持恒定，热电偶的热电动势才与被测温度具有单值函数关系。由于热电偶的分度表和显示仪表是在热电偶冷端温度 ℃刻度的，利用热电偶测温时，若其冷端温度 ℃，必须对仪表示值进行修正，否则会引起较大误差。因此，热电偶的冷端必须妥善处理。

12 冷端温度修正法 由于热电偶的分度表和与之配套的显示仪表是在
℃时刻度的，若显示仪表内部没有冷端温度自动补偿器和冷端温度 ℃时，必须对仪表的示值进行修正，否则会引起较大误差。修正公式为： 式中， 为修正值，它是冷端 ℃时对0℃的热电动势。

13 某热电偶，热端温度为t，冷端温度为tc，显然冷端温度难以实现恒定，怎么办？
生产现场 t0 毫伏计 恒温环境 A B D C 补偿导线 t tc A B 热电偶 被测设备 冷端的延伸 某热电偶，热端温度为t，冷端温度为tc，显然冷端温度难以实现恒定，怎么办？ 可以把热电偶做得很长，一直到控制室。 把冷端温度延伸到控制室，变为t0，恒定t0比较容易 此时，测得的热电势为 但热电偶一般为（较）贵重的金属，采用如图所示的延伸方式将需要大量的贵金属材料，不妥。 如果选用一组较廉价的材料（C、D），且CD在一定温度范围内所产生的热电势与热电偶AB在同一温度范围内所产生的热电势相等，就可以用CD来替代AB的延伸段。 CD即为热电偶AB的补偿导线，通常CD采用比热电偶电极材料更廉价的两种金属材料做成，一般在0～100℃范围内要求补偿导线要与被补偿的热电偶具有几乎完全相同的热电性质。 在选择和使用补偿导线时，要和热电偶的型号相匹配，注意极性不能接错，热电偶与补偿导线连接处的温度一般不能高于100℃。

14 补偿导线法 热电偶的电极材料大多数是贵金属合金，不可能做得很长，若用户不提出要求，最常用的长度是350mm。使用时，其冷端接近被测温度场，并暴露于空气中，受环境温度的影响，其冷端温度是不可能稳定的。因此，必须设法将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场合，就得利用补偿导线法。 热电偶回路的结论4（即中间温度定律）是补偿导线法的理论依据。补偿导线是指在一定温度范围内（0-100℃），其热电特性与其所连接的热电偶的热电特性相同或相近的一种廉价的导线。其作用是利用廉价、线径较粗的补偿导线作为贵金属热电偶的延伸线，以节约贵金属，将热电偶的冷端延伸至远离被测温度场而且温度较恒定的场合，便于冷端温度的修正和减小测量误差。

15 补偿导线法 使用补偿导线时必须注意 （1）热电偶的补偿导线只能与相应型号的热电偶配合使用，且必须同极性连接，见表3-4，否则会引起较大的误差。 图3-27 补偿导线接线 （2）热电偶与补偿导线连接处的温度不应超过100℃，否则由于热电特性不同带来新的误差。 （3）只有新延伸的冷端温度恒定或所配显示仪表内具有冷端温度自动补偿器时，使用补偿导线才有意义。 可见，引起的相对误差是相当大的。同时若配错热电偶的补偿导线，也会引起较大的误差，使用时必须注意。

16 冷端恒温法 利用补偿导线将热电偶的冷端延伸到温度恒定的地方见图3-29。图中A、B为热电偶，C、D为其补偿导线。E、F为铜连接线，P为显示仪表，K为恒温槽或冰点槽，用以保持热电偶冷端温度稳定在 。热电偶测量温度为 ，当测出热电动势数值 后，可以根据 的大小加以修正。必须注意测量时保证接点3、4（冷端）真正恒温外，还得保证1、2点温度一致，且其温度 不得超过补偿导线规定的使用温度。 图3-29 冷端恒定法

17 补偿电桥法 使用补偿电桥时必须注意： （1）由于电桥是在20℃时平衡的，采用这种补偿电桥时需把显示仪表的机械零点调整到20℃。
（2）冷端补偿器只能与相应型号的热电偶配合使用，不能配错冷端补偿器的型号，否则会引起较大误差 （3）不能接错冷端补偿器的极性，否则不但起不到补偿作用，而且会引起更大误差。 （4）有一些显示仪表（例如自动电子电位差计、DDZ-II和DDZ-III温度变送器等）内部已含有冷端补偿器。 图3-30 补偿电桥法原理线路

18 常用热电偶及其特性 下面介绍几种常用标准化热电偶，所谓标准化热电偶是国家标准规定了其电动势与温度的关系和允许误差，并有统一的标准分度表的热电偶。 铂铑10－铂热电偶（S） 由直径为（0.5±0.020）的纯铂丝（负极）和相同直径的由含质量分数90％的铂和10％的铑制成的合金丝（正极）组成，其分度号为S。 镍铬－镍硅热电偶（K） 这种热电偶由镍铬、镍硅制成，分度号用K表示。镍铬为正极，镍硅为负极。由于K型热电偶化学性能稳定，复制性好，热电动势大，线性好，价格便宜，可在1000℃以下长期使用，短期测量可达1200℃，是工业生产中最常用的一种热电偶。

19 常用热电偶及其特性 镍铬—锰白铜（原称考铜）热电偶（E） 铂铑—铂铑热电偶（B）
其分度号用E表示。镍铬为正极，锰白铜（原称考铜）为负极。适用于还原性和中性介质，长期使用温度不可超过600℃，短期测量可达800℃。E热电偶特点是热电特性的线性好，灵敏度高，价格便宜；缺点是锰白铜（原称考铜）易受氧化而变质，测温范围低而且窄。 铂铑—铂铑热电偶（B） 其分度号为B，简称为双铂铑热电偶。是一种贵金属热电偶。其正极含质量分数（下同）为30%的铑，负极含6%的铑。 B热电偶的特点是抗污染能力强，性能稳定，精度高，因室温情况下热电动势。适用于氧化性和中性介质，可长期测1600℃的高温，短期可测1800℃。缺点是热电动势小，价格昂贵。

20 a)普通热电偶 b )铠装热电偶 c)表面型热电偶 d )快速热电偶
热电偶的结构形式 由于热电偶的用途和安装位置不同，其外形也常不同。工业常用热电偶外形结构形式分以下几种： a) b ) c) d ) 图3-31 热电偶的结构形式 a)普通热电偶 b )铠装热电偶 c)表面型热电偶 d )快速热电偶

21 热电阻传感器 利用电阻随温度变化的特性制成的传感器称热电阻传感器。
热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。 在工业应用中，热电偶一般适用于测量500℃以上的较高温度。 对于500℃以下的中、低温度，热电偶输出的热电势很小，这对二次仪表的放大器、抗干扰措施等的要求就很高，否则难以实现精确测量；而且，在较低的温度区域，冷端温度的变化所引起的相对误差也非常突出。 测量中、低温度，一般使用热电阻温度测量仪表较为合适。

22 热电阻传感器的分类 热电阻传感器按其制造材料来分，可分为金属热电阻及半导体热电阻两大类；
按其结构来分，有普通型热电阻、铠装热电阻及薄膜热电阻； 按其用途来分，有工业用热电阻、精密的和标准的热电阻。 热电阻传感器主要用于对温度和温度有关的参量（如压力、流速）进行测量。

23 铂热电阻 在0～850℃范围内，铂电阻的电阻值与温度的关系为 在–200℃～0℃范围内为： Rt=R0（1+At+Bt2）
式中 R0、Rt——温度为0及t℃时的铂电阻的电阻值； A、B、C——常数值，其中： A= ×10-3℃-1或 ×10-3℃-1 B= –5.847×10-7℃-2或–5.851×10-7℃-2 C= –4.22×10-12℃-4或–4.04×10-12℃-4 Rt=R0（1+At+Bt2） Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100) t3]

24 铂电阻的纯度 铂电阻的纯度以R100/R0表示，R100表示在标准大气压下水沸点时的铂的电阻值。
我国工业用铂电阻分度号为BA1、BA2，其R100/R0=1.391。 用途：钢铁、地质、石油、化工等生产工艺流程,各种食品加工、空调设备及冷冻库、恒温槽等的温度检测与控制中。

25 热电阻分度表 如何根据已知热电阻的电阻值，得出热电阻感应到的温度? 分度表查询（由于热电阻的非线性） P193（Pt100）
Rt＝315.20Ω，对应的温度是？（Pt100）T＝605℃ 目前，我国常用的工业铂电阻有： 分度号Pt46，R0＝46.00Ω ； 分度号Pt100，R0＝100.00Ω； 标准铂电阻或实验室用铂电阻的 为10.00Ω或30.00Ω。 由于铂电阻具有精度高、稳定性好、性能可靠和复现性好等特点，国际温标规定，从 ~630.74℃温域内以铂电阻温度计作为基准器制定其它温度标准。

26 其他热电阻传感器 铜电阻温度传感器 镍电阻温度传感器 P196（Cu50） Rt＝71.40Ω，对应温度是？（Cu50） T＝100℃
由于镍热电阻温度系数较大，故其灵敏度高。我国虽已定其为标准化热电阻，但还未制定出相应的标准化分度表，故目前多用于温度变化范围小，灵敏度要求高的场合，如精密恒温等。

27 热电阻传感器测量电路 热电阻将温度的变化转换成电阻的变化量，常用平衡电桥或不平衡作为其测量电路。为了减小热电阻的引线电阻和引线电阻随温度的变化而变化引起的测量误差，工业测量用热电阻用三线制接入桥路，见图3-32a。 为了减小热电阻的引线电阻及引电阻随减度变化而变化和由于接触电阻及接触电势引起的测量误差，在实验室精密测量时，热电阻用四线制接入测量电路，见图3-32b。 图3-32 热电阻测量电路 a）三线制接入桥路 b）四线制测量电路

28 3.3.4 DDZ-Ⅲ型温度变送器 DDZ-Ⅲ型温度变送器主要将温度、温差、压力以及与温度有关的工艺参数变换成DC 4～20mA 或DC 1～5V的统一标准信号。它具有如下的主要特点： 1) 采用低漂移、高增益的运算放大器作为主要放大器，具有电路简单和良好的可靠性、稳定性及各项技术性能。 2) 在配热电偶和热电阻的变送器中采用线性比电路，使其输出电流 与被测温度呈线性关系，测量精度高。 3) 电路中采用了安全火花防爆技术措施，可用于易燃易爆场合。 4) 采用DC 24V集中供电，实现了二线制接线方式。 DDZ-Ⅲ型温度变送器原理框图如图3-33所示，由图可见，该变送器由量程单元和放大单元组成。

29 DDZ-Ⅲ型温度变送器原理框图 图3-33 DDZ-Ⅲ型温度变送器原理框图

30 DDZ-Ⅲ型温度变送器的品种 DDZ-Ⅲ型温度变送器有三个品种：
1）直流毫伏变送器，其输入信号是直流毫伏信号。凡是能将工艺参数变换成直流毫伏信号的传感器或检测元件均可与该变送器配合使用，将被测工艺参数转换成DC 4～20mA统一标准信号，从而扩大了变送器的应用范围。 2）热电偶温度变送器。 3）热电阻温度变送器。 三种变送器在电路结构上都由量程单元和放大单元两部分组成。其中放大单元是通用的，而量程单元则随品种、测量范围的不同而异。

31 3.3.5 微型化温度变送器 AD590构成的温度变送器 TMP17构成温度变送器
该变送器由AD590系列温度检测元件和运算放大器AD707A组成。AD590系列温度检测元件有系列产品，计有AD590I、AD590J、AD590K、AD590L和AD590M。以AD590M的性能最佳，其最大非线性误差为±0.3℃，重复性误差小于±0.05℃，标定误差为±0.5℃，响应时间仅为20 。测量范围为-55～150℃，其输出为DC 4~20mA。该变送器的缺点是测量范围较窄。 TMP17构成温度变送器 TMP17系列温度检测元件有TMP17F和TMP17G两种产品，以TMP17F的精度较高，若经精心校准，其精度可达±1℃，非线性误差仅为±0.5℃。其抗干扰能力强，稳定性好，价格低廉。其测温范围为-40～105℃。输出为DC 4~20mA统一标准信号。

32 3.3.5 微型化温度变送器 TMP35构成微型温度变送器 TMP01构成温度变送器
TMP35系列温度检测元件是一个共有15种品种的系列产品，其中以TMP37的灵敏度最高，达20mV/℃。其工作原理是以晶体管的基-射结电压Vbe随温度变化而变化的原理工作的。TMP35系列温度检测元件的测量范围为-50～125℃，其输出为DC 4~20mA，最高可达150℃，测量精度为±1℃，非线性误差为±0.5℃，静态工作电流仅为50 。其内部集成有恒流源，因此稳定性好。 TMP01构成温度变送器 TMP01系列温度检测元件有TMP01E/F/G三个品种，其中以TMP01E的精度最高。TMP01E精度达±1%，电压灵敏度达60mV/℃，内含2.500V的基准电压源、缓冲器、窗口比较器、滞后电压发生器及集电极开路晶体管等，输出信号是具有滞后特性的控制电压，输出电流达20mA。TMP01系列温度检测元件不仅适用于温度检测，而且适用开关式温度控制的场合，其测量范围-55~125℃，其输出为DC 4~20mA，功耗仅为2mW。