第7章-热电式传感器.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第7,章 热电式传感器,第7,章 热电式传感器,温度是表征物体冷热程度的参数，是六个基本物理量之一。通常把长度、时间、质量等基本物理量称作“外延量”，它们可以叠加，例如把长度相同的两个物体连接起来，其总长度为原来的单个物体长度的两倍。温度是一种“内涵量”，叠加原理不再适用，例如把两瓶,90,的水倒在一起，其温度绝不可能增加，更不可能成为,180,。,自然界中任何物理、化学过程都紧密地与温度相联系。在很多产品生产过程中，温度的测量与控制都直接和产品质量、生产效率、节约能源、安全生产等重要经济技术指标相联系。,在工农业生产和科学研究的各个领域中，温度的测量占有重要的地位。,最早的温度计是伽利略于,1597,年提出的，它是利用空气热膨胀的温度计。这种气体温度计可测定绝对温度，但使用不便。因此，后来开发了利用酒精和水银热膨胀的液体温度计。,由于通常的气体温度计是基于与气体种类无关而成立的热力学定律，,因此通常在同一温度下给出同一输出。但是对于液体温度计，则因为液体的热膨胀系数的不同，故转换特性也不同，输出随液体材料的不同而取各种不同的值。,为了保证温度量值的准确并利于传递，需要建立一个衡量温度的统一尺度，即温标。,华氏温标：,1714,年德国人华伦海特（,Fahrenheit）,发明了水银温度计，并以氯化铵和冰水的混合物温度为,0,度，人体的温度为,100,度，从,0,度到,100,度按水银的体积膨胀距离分成,100,等份，每一份为,1,度，称为,1,华氏度,，记作（,1,）。,水的冰点为,32,，沸点为,212,。,摄氏温标：,1740,年瑞典人摄尔修斯（,Celsius）,提出在标准大气压下，把水的冰点规定为,0,度，水的沸点规定为,100,度。从,0,度到,100,度按水银的体积膨胀距离分成,100,等份，每一份为,1,度，称为,1,摄氏度，记作（,1,）。,T,为华氏温度值；,t,为摄氏温度值。,随着科学技术的发展和温度测量的需要，人们研制了许多类型的测温装置。其中,热电式传感器在现代测量中应用最广泛。,热力学温标：,1848,年由开尔文（,Kelvin）,提出的以卡诺循环为基础建立的热力学温标，是一种理想而不能真正实现的理论温标，它是国际单位制中七个基本物理单位之一。该温标为了在分度上和摄氏温标相一致，把理想气体压力为零时对应的温度,绝对零度（在实验中无法达到的理论温度，低于,0,K,的温度不可能存在）与水的三项点温度分成,273.16,份，每份为,1,K（Kelvin）。,国际温标：,经国际协议产生的国际实用温标的指导思想是尽可能地接近热力学温标。,1989年7,月第,77,届国际计量委员会批准建立的新的国际温标,ITS-90，,单位仍为,K,T,90,为国际温标温度值；,t,为摄氏温度值。,热电式传感器是一种将,温度变化,转换为,电量变化,的装置。,它利用某种材料或元件的电磁参数随温度变化的特性来达到测量的目的。例如将温度转化为电阻、磁导或电势等的变化，通过适当的测量电路，就可由这些电参数的变化来表达所测温度的变化。,在各种热电式传感器中，以把温度变化转换为电阻和电势变化的方法最为普遍。将温度转换为,电阻值,大小的热电式传感器叫做,热电阻,。将温度转换为,电势,大小的热电式传感器叫做,热电偶,。,此外，基于半导体,PN,结与温度的关系研制的,PN,结型温度传感器,在窄温场中，也得到迅速发展和广泛应用。,另外还有热释电型温度传感器、谐振型温度计、热噪声温度计、热辐射传感器、光纤温度传感器等。,7.1,热电阻,7.2,PN,结型温度传感器,7.3,热电偶,7.1,热电阻,热电阻是利用物质的,电阻随温度而变化,的特性制成的电阻式测温系统。,分类：,金属热电阻：由纯金属材料制成的热电阻（简称：热电阻）。,半导体热敏电阻：由半导体材料制成的热电阻（简称：热敏电阻）。,7.1.1,金属热电阻,7.1.2,半导体热敏电阻,一,、,热电阻的结构,二、热电阻的材料,三、常用的几种热电阻,四、热电阻测量电路,五、热电阻的应用,由金属材料制成的热电阻称为金属热电阻（一般称为热电阻）。,工作原理：将,温度的变化量,变换成与之有一定关系的,电阻值的变化量,，通过对电阻值的测量实现对温度的测量。,7.1.1,金属热电阻,热电阻由电阻体、保护套和接线盒等部件组成。其结构形式可根据实际使用制作成各种形状，通常都是将双线电阻丝绕在用石英、云母陶瓷和塑料等材料制成的骨架上，它们可以测量,200500,的温度。,热电阻的感温体必须防止有害气体腐蚀，尤其是铜热电阻还要防止氧化。水分浸入会造成漏电，直接影响阻值。所以工业用热电阻都有玻璃、陶瓷或金属保护套管，其外形及结构和工业用热电偶相似。,一、热电阻的结构,无感绕法：,先将金属丝对折起来缠绕在骨架上，使两个端头都处于支架的同一端。这种,绕法没有电感，即使用在交流电桥里也只有纯电阻作用。还可防止外界交变磁场在热电阻上形成感生电势，而且也便于向外引线,。,无论哪种金属材料制备的热电阻，将双线电阻丝绕在骨架上时都必须采用,无感绕法,。,大多数金属导体的电阻都随温度而变化。,电阻,-,温度特性方程：,R,t,=,R,0,(1+,t,+,t,2,+),要求作为测量用的热电阻材料必须具备以下特点：,为提高灵敏度，,电阻温度系数要尽可能大（一般采用纯金属材料）,；,在测量范围内，物理和化学性质,稳定；,在测量范围内，电阻温度系数,恒定，便于实现温度表的线性刻度特性；,电阻率高,，利于减小尺寸，从而减小热惯性；,特性复现性好，容易复制。,二、,热电阻的,材料,目前应用得较多的热电阻材料有铂和铜以及铁、镍等。,三、常用的几种热电阻,1.,铂热电阻,由于铂的物理、化学性能非常稳定（尤其在高温和氧化性介质中），是目前制造热电阻的最好材料。,除用作工业测温外，主要作为标准电阻温度计。按国际温标,IPTS68,规定，在,259.34630.74,温域内，以铂电阻温度计作基准器。,式中,R,t,温度为,t,时的电阻,；,R,0,温度为,0,时的电阻,；,t,任意温度,；,A,，,B,，,C,分度系数,。,要确定电阻,R,t,与温度,t,的关系，首先要确定,R,0,的数值，,R,0,不同时，,R,t,与,t,的关系不同。在工业上将相应于,R,0,50,和,100,（,分度号,Pt50、Pt100）,的,R,t,t,关系制成分度表，称为热电阻分度表，供使用者查阅。,0,t,650,200,t,0,在测量精度不太高，测温范围不大的情况下，可以采用铜电阻来代替铂电阻，灵敏度比铂电阻高，易提纯，复制性能好，价格便宜，也能达到精度要求。在,50 150,的温度范围内，铜电阻与温度,接近线性,关系，可用下式表示：,2.,铜电阻,式中,R,t,温度为,t,时的电阻值；,R,0,温度为,0,时的电阻值；,a,铜电阻温度系数，,a,=4.25 4.2810,-3,/,。,铜电阻的缺点是电阻率较低，电阻体的体积较大，热惯性也较大，在,100,以上易氧化，因此只能用于,150,以下低温以及无水分、无腐蚀性的介质中。,我国以,R,0,值在50,和,100,（,分度号,Cu50、Cu100）,条件下，制成相应分度表作为标准，供使用者查阅。,3.,其它热电阻,上述两种热电阻对于低温和超低温测量性能不理想,，而铟、锰、碳等热电阻材料却是测量低温和超低温的理想材料。,铟电阻：,用,99.999,高纯度的铟丝绕成电阻，可在室温至,4.2,K,温度范围内使用。实验证明：在,4,.,215,K,温度范围内，灵敏度比铂电阻高,10,倍；其缺点是材料软，复制性差。,锰电阻：,在,263,K,温度范围内，电阻随温度变化大，灵敏度高。缺点是材料脆，难拉成丝。,碳电阻：,适合用液氦温域（,4.2,K）,的温度测量，价廉，对磁场不敏感，但热稳定性较差四、热电阻测量电路,最常用的测量电路是电桥电路。由于热电阻的阻值较小，所以导线电阻值不可忽视（尤其是导线较长时）。例如，,50,的铂电阻（约,0.19,/,），若导线电阻为,1,，,将会产生,5,的测量误差。为了解决这一问题，可采用,三线,或,四线,电桥连接法。,三线式：,图中,R,t,为,热电阻；,r,1,，,r,2,，,r,3,为引线电阻；,R,1,，,R,2,，,R,3,为固定电阻,；,R,a,为,调零精密可变电阻。调节,R,a,，,使,R,4,=,R,a,+,R,t0,=,R,1,=,R,2,=,R,3,，（,R,t0,：,热电阻在,0,时的电阻值,）,，,电桥平衡。当进行远程测量时，,r,1,r,2,，,分别接在两个相邻的桥臂上，不影响电桥的状态。,r,3,不在桥臂上，对电桥平衡状态无影响。由于测量仪表,G,内阻很大，流过,r,3,的电流接近于,0。,四线式：,为了高精度地测量温度，可将电阻测量仪设计成如图所示的四线式测量电路。图中,I,为恒流源，,r,1,r,4,是导线电阻，,R,t,为,热电阻，,V,为电压表。因为电压表,V,内阻很大，则,又因为,E,M,=E+I,V,（,r,2,+r,3,）,，,所以,由此可知，引线电阻,r,1,r,4,将不引入测量误差。,电压表,V,指示的值将是热电阻,R,t,的,电压降，根据此电压降可间接地测出微小温度变化。,五、热电阻的应用,1,铂热电阻测温,热电阻,TRRA102B（Pt1000，,R,0,1k），,接入直流电桥，三端集成稳压器,MC7801,输入,15,V，,输出供桥电压,U,B,U,B,10Ve,1,，,测温电桥输出：,若采用,9,V,电池供电，可用下图直流,-,直流变换器变为,15,V,电压。,测温范围：,0200,输出电压：,02,V,输出电压灵敏度：,10,mV/,调整方法：,先不接入传感器,(1),零点调整：在,a,、,b,间接入相当于,0 的1,k,电阻。调整,R,p1,使,U,o,为0,；,(2),增益调整：在,a,、,b,间接入相当于,50 的1.197,k,电阻。调整,R,p2,使,U,o为0.5,V；,(3),线性度调整：在,a,、,b,间接入相当于,200 的1.770,k,电阻。调整,R,p3,使,U,o,为2,V；,(4),反复调整多次到满意为止。,热敏电阻是利用,半导体的电阻值随温度变化,的特性,（半导体的热阻效应）实现对温度的测量,，也属于热电阻。,半导体材料比金属具有更大的电阻温度系数，热敏电阻的特点：,灵敏度高：其电阻温度系数要比金属大,10100,倍以上，能检测出,10,-6,温度变化。,小型：元件尺寸可做到直径为,0.2,mm，,能够测出一般温度计无法测量的,空隙、腔体、内孔、生物体血管等处的温度。,使用方便：电阻值可在,0.1100,k,之间任意选择。,重复性好，工艺性强，适于大批量生产，成本较低。,一、热敏电阻的结构形式,二、热敏电阻的分类和主要特性,三、热敏电阻的主要参数,四、热敏电阻的应用,7.1.2,半导体,热敏电阻,一、热敏电阻的结构形式,热敏电阻是由一些金属氧化物，采用不同比例的配方经高温烧结而成，然后采用不同的封装形式制成珠状、片状、杆状、垫圈状等各种形状。主要由热敏元件、引线和壳体组成。,珠状 片状 杆状 垫圈状,1,玻璃壳,2,热敏电阻,3,引线,二、热敏电阻的分类和主要特性,按半导体电阻随温度变化的典型特性分为三种类型：,负电阻温度系数,热敏电阻,（,NTC,）,：,大多数是由一些金属氧化物，如钴、锰、镍、铁等的氧化物，采用不同比例的配方，经高温烧结而成。,正温度系数,热敏电阻,（,PTC,）,：,主要采用钛酸钡系列材料中掺入少量（约,0.10.3%,）的稀土类金属氧化物（如,Y,2,O,3,、,Mn,2,O,3,），,经高温烧结而成。,临界温度系数,热敏电阻（,CTR,）,:,用,VO,2,系列材料在弱还原气氛中烧结。,主要用途：,NTC：,具有很高的负温度系数，主要用于,100300,范围的温度测量和温度补偿，应用最广泛；,PTC：,当温度超过某一数值时，电阻值随温度升高而迅速增大。主要用于测温、过热保护、,限流元件；,CTR：,在某一特定温度下电阻值会发生突变，也属于负温度系数。主要用于,温度开关。,热敏电阻主要特性（主要讨论,NTC）,1.,电阻温度特性,NTC,热敏电阻温度特性,热敏电阻的基本特性是电阻温度特性，,NTC,的电阻温度特性是一条指数曲线。,T,0,：,参考温度（通常取,20，293,K）,R,0,：,温度为,T,0,（293K）,时的阻值，称为额定电阻；,R,T,：,温度为,T,（K）,时的阻值；,B,：,热敏电阻常数，一般情况下，,B,20006000K，,在高温下使用时，,B,值将增大。,若定义 为热敏电阻的温度系数,随温度降低而迅速增大。,决定热敏电阻在全部工作范围内的温度灵敏度。热敏电阻的测温灵敏度比金属丝的高很多。例如,B,值为,4000,K,，,当,T,323K（50）,时，,3.8,，,约为金属电阻的,10,倍左右,。,由于,NTC,热敏电阻温度变化引起的阻值变化大，因此测量时引线电阻影响小，并且体积小，,非常适合测量微弱温度变化,；但是，,非线性严重,，所以实际使用时要对其进行线性化处理。,2.伏-,安特性,在稳态下，通过热敏电阻的电流,I,与其两端之间的电压,U,的关系，称为热敏电阻的伏安特性。,当电流很小时，不足以使热敏电阻产生温升，则其电阻值只决定于环境温度，伏安特性呈,线性,，遵循欧姆定律，主要用于测温。,当电流增大到一定值时，流过热敏电阻的电流使之加热，本身温度升高，使热敏电阻阻值减小，出现,负阻特性,。,NTC,热敏电阻伏安特性,因电阻减小，即使电流增大，端电压反而下降。,当电流和周围介质温度一定时，其阻值取决于介质的流速、流量、密度等散热条件。,据此原理可用来测流速、密度。,NTC,热敏电阻安,-,时特性,3.安-,时特性,热敏电阻的电流时间曲线如图所示，表示热敏电阻在不同的外加电压下，电流达到稳定最大值所需要时间。,热敏电阻受电流加热后，一方面使自身温度升高，另一方面也向周围介质散热，只有在单位时间内从电流获得的能量与向周围介质散发的热量相等，达到热平衡时，才能有相应的平衡温度，即有固定的电阻值。,这是一个热平衡过程，完成这个过程需要时间，一般为,0.51,s。,三、热敏电阻的主要技术参数,1.,标称电阻值,R,H,：,在环境温度为,(250.2),时的电阻值，又称冷电阻。,2.,电阻温度系数,：,热敏电阻在温度变化,1,时阻值的变化率（,/,）。,3.,耗散系数,H,：,热敏电阻温度与周围介质温度相差,1,时所耗散的功率,(,W/)。,4.,热容,c,：,热敏电阻温度变化,1,时所需吸收或释放的热量（,J/）。,5.,能量灵敏度,G,：,使热敏电阻的阻值变化,1%,时所需耗散的功率,(,W)。,6.,时间常数,：,温度为,T,0,的热敏电阻突然置于温度为,T,的介质中，热敏电阻的温度增量,T,=0.632(,T,T,0,),时所需的时间,(,s)。,热敏电阻式流量计,四、热敏电阻的应用,优点：,温度系数大，灵敏度高，热容量小，响应快，分辨率高；价格便宜等。,缺点：,互换性差，热电特性非线性大等。,主要用于测温、控温、温度补偿、介质流速（或流量、密度）测量以及温度补偿、过热保护、温度开关等。,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）。,R,t,1,、,R,t,2,特性完全相同，分别置于管道和不受介质流速影响的小室中。介质静止时（初始）电桥调平，输出电压为零。介质流动时，带走,R,t,1,上的热量，使,R,t,1,温度降低，阻值随之变化，电桥失去平衡，输出电压值与介质流速有关。,2.,温度控制,此电路利用,NTC,热敏电阻实现单点温度控制。,主要由,NTC,热敏电阻、直流电桥、电平比较器、晶体管，继电器、加热装置组成。,调整,b,点电位,U,b,决定预设温度,T,b,，,初始时继电器不通电，常闭触点,K,闭合，加热器通电加热。,温度上升，热敏电阻,R,T,阻值减小，,a,点电位,U,a,升高至,U,a,U,b,时，电平比较器输出变为低电位，,VT,1,导通，使,VT,2,也导通，继电器通电，常闭触点,K,断开，加热器断电停止加热。,温度下降，热敏电阻,R,T,阻值增加，,a,点电位,U,a,下降至,U,a,n,B,）,组成的闭合回路中，当两端点的温度不同,（,T,T,0,）,时，整个闭合回路内总的热电势,E,AB,（,T,，,T,0,）,为如果热电偶两电极材料相同（,n,A,n,B,，,A,B,），,两接点温度不同，不会产生热电势；,如果两电极材料不同，但两接点温度相同（,T,=,T,0,），,也不会产生热电势；,热电偶工作的基本条件：,两电极材料不同，两接点温度不同,。,热电势的大小只与材料的性质及两端点的温度有关，而与热电极的几何形状和尺寸无关,。,应该指出的是，在金属中自由电子数目很多，以致温度不能显著地改变它的自由电子浓度，所以在同一种金属内的温差电势极小，可以忽略。因此，在一个热电偶回路中起,决定作用,的是两个接点处产生的与材料性质和该点所处温度有关的,接触电势,。,当两热电极材料不同，且,A、B,固定（即,n,A,n,B,、,A,、,B,皆为常数），热电势便为两接点温度（,T,，,T,0,）,的函数，若保持,T,0,不变，则,E,（,T,0,）,为常数,这就是热电偶测温原理,。,热电极的极性：热端失去电子的热电极为正极，获得电子的为负极，且有,二、热电偶的基本定律,2.,中间导体定律：,在热电偶中插入第三种材料，只要插入材料两端的温度相等，对热电偶的总热电势没有影响。,1.,均质导体定律,两种均质金属组成的热电偶，其热电势大小与热电极直径、长度及沿热电极长度上的温度分布无关，只与热电极材料和两端温度有关。,要求热电极材质均匀，克服因热电极上各点温度不同时造成附加误差。,中间导体定律具有特别重要的实际意义。因为利用热电偶来测量温度时，必须在热电偶回路中接入电气测量仪表，也就相当于接入第三种材料。,如果热电偶回路各接点温度相同，其总的热电势为,0,。于是假设当接点,1,、,2,和,3,的温度都为,T,0,时，其回路总的热电势必为,0,，,其结果与两种金属时完全相同。,右图是将热电偶的一个接点分开，接入第三种材料,C,。,设接点,2,和接点,3,的温度相同（,T,0,），,则这时热电偶回路的总的热电势为,热电偶回路总的热电势，绝不会因为在其电路中的任意部分接入,第三种两端温度相同,的材料而有所改变。热电偶的这一特性，不但可以允许在其回路中接入电气测量仪表，而且也允许采用任意的焊接方法来焊接热电偶。这就是中间导体定律的实际意义。,如果按右图的方式接入第三种材料，则回路总热电势为,由于,所以,其结果与两种金属时完全相同。,但是，,如果接入第三种材料的两端温度不等，热电偶回路的总热电势将会发生变化,。其变化大小，取决于材料的性质和接点的温度。对于上图来说，其改变值相当于,B,与,C,组成的附加热电偶的热电势。因此，,接入第三种材料不宜采用与热电极的热电性质相差很远的材料,；否则，一旦温度发生变化，热电偶的电势变化将会很大，从而影响测量精度。,3.,连接导体定律与中间温度定律：,若导体,A,、,B,分别与连线导线,A,、,B,相接，其结点温度分别为,T,、,T,n,、,T,0,，,回路的总电势为,此式是连接导线（导体）定律的数学模型，即,回路的总电势等于热电偶热电势,E,AB,（,T,T,n,）,与,连接导线热电势,E,A,B,（,T,n,T,0,）,的代数和,。,此定律是工业运用补偿导线进行温度测量的理论基础。,当导体,A,与,A,及,B,与,B,材料分别相同时，上式可写为,此式是中间温度定律的数学模型，即,回路的总电势等于,E,AB,（,T,T,n,）,E,AB,（,T,n,T,0,）,的代数和,。,T,n,称为中间温度,。,此定律为制定分度表奠定了理论基础，,只要求得参考端温度为,0,时的“热电势温度关系”，就可以根据此式求出参考温度不等于,0,时的电势。,4.,标准电极定律：,如果两种导体,分别与第三种导体,组成的热电偶所产生的热电势已知，则此两种导体组成热电偶的热电势就已知。,AC,、,AB,和,BC,三个热电偶，其接点温度一端都为,T,，,另一端都为,T,0,，,若,由此可知，,当任一电极,B,，,C,，,D,，,与一标准电极,A,组成热电偶产生热电势为已知时，就可以利用上式求出这些热电极彼此任意组成热电偶时的热电势。,通常采用铂作为标准电极。,三、热电偶结构和种类,（一）结构,将两热电极的一个端点焊接在一起组成热结点，就构成了热电偶。在两个热电极之间用耐高温材料进行绝缘，再根据不同用途作适当的处理就构成了工作热电偶。根据被测对象的不同，热电偶的结构形式是多种多样的，下面介绍几种比较典型的热电偶的结构形式。,1.,普通型热电偶,普通型热电偶通常将热电极加上绝缘套、保护套管和接线盒做成如图所示的棒形结构。安装连接时，可采用螺纹或法兰方式连接；根据使用条件，可制作成密封式普通型或高压固定螺纹型。,主要用于测量容器或管道内的气体、蒸汽、液体等介质的温度,。可根据测量条件及测量范围来选用。,2.,铠装热电偶（缆式）,铠装热电偶是把保护管（材料为不锈钢或镍基高温合金），绝缘材料（高纯脱水氧化镁或氧化铝）与热电偶丝组合在一起拉制而成，也称套管热电偶或缆式热电偶。可以做得很细很长，可以弯曲。,（,a）,单芯结构,（,b）,双芯碰底型,（,c）,双芯不碰底型d）,双芯露头型,（,e）,双芯帽型,铠装热电偶的特点,：小型化、动态响应快、测量端热容量小、挠度好、强度高、种类多（绕制成双芯、单芯、四芯等）。由于挠性好、柔性大，可以弯成各种形状，适用于结构复杂的对象，机械性能好，抗震动和耐冲击。,3.,薄膜热电偶,薄膜热电偶分为片状、针状等，它是由厚度为,0.0,l0.1,m,两种金属薄膜连接在一起的特殊结构的热电偶。其特点是：热容量小、动态响应快，,适用于动态测量小面积时的瞬时变化的温度,。,4.,表面热电偶,分为永久性安装和非永久性安装两种，,主要用来测量金属块、炉壁、橡胶筒，涡轮叶片、轧辊等固体的表面温度,。,5.,浸入式热电偶,浸入式热电偶主要用来测量钢水、铜水、铝水以及熔融合金的温度。其主要特点是：,可以直接插入液态金属中进行测量温度,。,装配式热电偶热电阻,铠装式热电偶热电阻,热套式热电偶热电阻,隔爆热电偶、热电阻,（二）对热电偶材料的基本要求,1.,热电极,根据热电偶的原理，似乎只要是两种不同金属材料都可以组成热电偶，用以测量温度；但是为了保证工程技术中的可靠性以及足够的测量精度，并不是所有材料都可组成热电偶。一般说来，对热电偶电极材料有以下要求：,在测量范围内，热电性质稳定，不随时间而变化；,在测量范围内，有足够的物理化学稳定性，不易氧化、变形和腐蚀；,电阻温度系数小，电阻率小；,它们组成的热电偶，测温中产生的热电势要大，测温范围宽，热电势随,温度单值地线性或接近线性变化；,材料复制性好，可制成标准分度，机械强度高，制造工艺简单，价格便,宜。,实际上没有一种材料能满足上述全部要求，要根据测量的具体条件来加以选择。,常用的贵金属热电极材料有铂铑合金和铂，普通金属热电极材料有铁、铜、康铜、考铜、镍铬合金、镍硅合金等，还有铱、钨、铼等耐高温材料。此外还有非金属材料，如碳、石墨和碳化硅等也可以作热电极的材料。,热电极有正、负之分，使用时应注意到这一点。,2.,绝缘材料,绝缘材料是为了防止电极间短路，根据不同使用温度，可选用橡胶、塑料,（,6080,）,、玻璃丝、玻璃管,（,500,）,、石英管（,01300,）,、瓷管1400,）,和氧化铝管（,15001700,）,作绝缘材料。最常用的是氧化铝和耐火陶瓷等。,4.,接线盒,接线盒供热电偶和补偿导线连接之用。接线盒固定在热电偶保护套管上，一般用铝合金制成，分为普通式和密封式（防溅式）两类。,3.,保护套管,保护套管的作用是使电极和待测温度介质隔离，使之免受化学侵蚀和机械损伤。,显然对保护套管的要求是必须有优良传热性能，能经久耐用。,常用的套管材料有两类：金属和非金属。金属常用铝、铜、铜合金、炭钢、不锈钢、镍等高温合金材料；非金属材料有石英、高温陶瓷、氧化铝（镁）等，应根据热电偶类型，测温范围和使用条件来选择套管材料。,（三）常用热电偶,1.,铂铑铂热电偶WRLB,型）属于贵金属热电偶。铂铑铂热电偶的正极是铂铑合金，能长时间在,01200,中工作，短时间可以测到,1600,。它的物理化学稳定性好，因此,一般用于较为精密的测温中,。目前在国际实用温标中它被规定为在,630.741064.43,范围内复现温标的基准。,除作基准外，目前还用作工业测温热电偶。,2.,镍铬镍铝热电偶,（,WREU,型）,是非贵重金属热电偶中性能最稳定的一种,，因此应用最广。正极是镍铬合金，负极是镍铝合金。因含有大量的镍，故在高温下抗氧化、腐蚀能力很强；但易受还原气体的有害影响，在低温下（,500,以下）还是可以用在还原介质中的。可长时间工作在,1000,，短时间可到,1300,。与铂铑铂热电偶相比具有接近直线的分度曲线。在相同温差下，它的热电势要比铂铑铂的热电势大,45,倍。缺点是热电极不易做得均匀，但由于它的热电势较大，还是可以保证有足够的精度，其误差一般在,68,范围内。因属于普通金属，价格较为便宜，故它的电极制作得比较粗（,3,mm,），,这样便带来很多优点，如使用寿命长、强度高等。,3.,镍铬考铜热电偶,（,WREA,型）的正极是镍铬合金，而负极是考铜。成分为铜,（,Cu）56,，,镍,（,Ni）44,。,由于负极含有一半以上的铜，因此易于氧化。它,适用于还原或中性介质,，短时间可以测量到,800,的温度。,在标准分度的热电偶中它的热电势最大,例如在,600,时有,66.4,mV,）。,它也有较为接近线性的分度曲线，因此其测量精度比较高，应用较为广泛。其主要缺点是测量温度上限不高，电极材料成分含量不容易保证，因此复制性差。,4.,铜康铜热电偶,是非标准分度热电偶中应用较多的一种,，,尤其在低温下使用更为普通,。铜康铜热电偶一般多用于实验和科研中，可以用来测量,200200,的温度。,测量低温时，由于工作端的温度低于自由端，所以正负极要发生变化。在测量,0,以上温度时，铜为正极，康铜（成分为铜,60,，镍,40,）为负极。,目前在,0100,范围内铜康铜热电偶已被定为三级标准热电偶，用以检定低温测量仪表的精度。它的误差不超过,0.1四、热电偶的冷端处理和补偿,因为热电势的大小只与,热电极的材料性质,及,两端点的温度,有关，而在测量中热电极材料是一定的，所以,必须使一端温度（一般是冷端）保持不变,，其热电势才是另一端温度（一般是热端）的单值函数。,另外。热电偶的标准分度表是在其冷端处于,0,的条件下测得的电势值，只有冷端处于,0,时才能直接应用分度表或分度曲线。,所以在温度测量中，热电偶电路中最大的问题是冷端的处理和补偿问题，即如何选择测温的参考点。,1.,延长导线法,2.0,恒温法,3.,冷端温度修正法,4.,冷端温度自动补偿法,1.,延长导线法,利用延长导线（补偿导线）使冷端远离热端，引到温度较稳定的,T,0,端测试。（在实际使用的时候，可把补偿导线一直延伸到配用仪表的接线端子，这时冷端温度即为仪表接线端子所处的环境温度）。,要求：,在一定的温度范围内，补偿导线与配对的热电偶具有相同或相近的热电特性。,如图,A,、,B,为热电偶电极，,C,、,D,为补偿导线，冷端温度为,T,0,，,E,为铜导线，,M,为所配用的毫伏计（或数字仪表，此时需加放大、数模转换等电路）。这时回路中总热电势为,E,AB,（,T,，,T,0,），,流过测温毫伏计的电流为,式中,R,Z,，,R,C,，,R,M,分别为热电偶、导线（包括铜线、补偿导线和平衡电阻）和仪表的内阻（包含负载电阻,R,L,）。,2.0,恒温法,将热电偶冷端置于冰水混合物的,0,恒温器（或电恒温器）内，使其工作与分度状态达到一致。,此方法只适用于实验室。,3.,冷端温度修正法,对于冷端温度不等于,0,，但能保持恒定不变（恒温器）或能用普通方法测出（室温）的情况，可采用修正法。,（1,）热电势修正法,冷端温度不为,0,而是某一温度,T,n,，,实际测得的热电势为,E,AB,(,T,T,n,)，,无法直接利用分度表，可利用中间温度定律进行修正。,设,T,n,为室温,21,，用铂铑,10,铂热电偶测量温度,T,，,测得热电势为,E,AB,(,T,21)0.465mV，,查分度表知,E,AB,(21,0)0.119mV。,则,用0.584,mV,查分度表知T,92，,即实测温度,T,为92,。,（2,）温度修正法,由实测热电势,E,AB,（,T,，,T,n,）,直接查分度表表，得,T,，,此温度不是,真实温度,T,，,T,T,kT,n,k,为热电偶修正系数，决定于热电偶种类和被测温度范围。,例如上例，用铂铑,10,铂热电偶测量温度,T,，,测得热电势为,E,AB,(,T,21)0.465mV，,直接查分度表得,T,75 。,查,k,值表得,k,=0.82，,则,T,750.822192.2,与热电势修正法所得结果一致。,4,、冷端温度自动补偿法,电桥补偿法,用电桥在温度变化时的不平衡电压（补偿电压）去消除冷端温度变化对热电偶热电势的影响，这种装置称为冷端温度补偿器。,原理：,U,(,T,)=,E,AB,(,T,T,0,),E,AB,(,T,T,0,+,T,),R,1,、,R,2,、,R,3,和,R,W,为锰铜电阻，阻值几乎不随温度变化，,R,cu,为铜电阻（热电阻），其电阻值随温度升高而增大，与冷端靠近，处于相同温度。设,计时使电桥在冷端温度为,T,0,时,处于平衡，,U,ab,=0,，,电桥对仪表的读数无影响。当温度不等于,T,0,时，电桥不平衡，产生一个不平衡电压,U,ab,加入热电势回路。只要设计合适，使,U,ab,正,好补偿,由于冷端温度变化而引起的热电势变化值，从而可得正确测量值。,不同型号的冷端温度补偿器应与所用的热电偶配套。,