工程人员手册
第五章 常见仪表知识
5.1 热电偶测温原理 5.1.1 热电效应与热电偶
热电效应是热电偶测温的基本原理。根据热电效应，任何两种不同的导体或半导体组成的闭合回路，如图5.1-1所示，如果将它们的两个接点分别置于温度各为t及t0的热源中，则在该回路内就会产生热电势。这两种不同导体或半导体的组合称为热电偶。每根单独的导体或半导体称为热电极。两个接点中，t端称为工作端（假定该端置于被测的热源中），又称测量端或热端；t0端称为自由端，又称参考端或冷端。
由热电效应可知，闭合回路中所产生的热电势由两部分组成， 图5.1-1 热电效应 即接触电势和温差电势，总电势由（5.1-1）式给出。实验结果表明，接触电势比温差电势小很多，可忽略不计，则热电偶的电势可表示为
EAB（t,t0）= eAB( t )－eAB（t0） （5.1-1）
这就是热电偶测温的基本公式。；
当t0为一定时，eAB(t0) = C为常数。则对确定的热电偶电极，其总电势就只与温度t成单函数关系，即
EAB（t,t0）= eAB( t )－C （5.1-2） 根据国际温标规定：t0 = 0℃时，用实验的方法测出各种不同热电极组合的热电偶在不同的工作温度下所产生的热电势值，列成一张张表格，这就是常说的分度表。温度与热电势之间的关系也可以用函数式表示，称为参考函数。新的ITS-90 的分度表和参考函数是由国际电工委员会和国际计量委员会合作安排，国际上有权威的研究机构（包括中国在内）共同参与完成的，它是热电偶的测温的主要依据。
5.1.2 热电偶基本定律
1、 中间导电定律 如图5.1-2所示将A、B构成的热电偶的t0端断开，接入第三种导体C，并使A与C和B与C接触处的温度均为t0，则接入导体C后对热电偶回路中的总电势没有影响。证明如下：
由于接触电势忽略不计，则回路中的总电势等于各
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接点的温差电势之和，即 图5.1-2 三种导体的热点回路
EABC（t，t0）＝eAB（t）＋ eBC（t0）＋ eCA（t0） （5.1- 3）当t = t0 时，有
EABC（t，t0）＝eAB（t0）＋ eBC（t0）＋ eCA（t0）＝ 0 （5.1 - 4），代入（3 – 3 ）式得 由上式可得eBC（t0）＋ eCA（t0）＝－eAB（t0）
EABC（t，t0）＝eAB（t）－eAB（t0）＝EAB（t，t0） （5.1- 5） 同理还可以证明，加入第四、第五种导体后，只要加入的导体的两端温度相等，则总电势与原热电偶回路的电势值相同。根据热电偶的这一性质，可以在热电偶回路种引入各种仪表、连接导线等。例如，在热电偶的自由端接入一只测量电势的仪表，并保证两各接点的温度一致就可以对热电势进行测量而且不影响热电偶的输出。
2、均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的截面如何以及各处的温度分布如何，都不能产生热电势。这条定律说明，热电偶必须由两种不同性质的材料构成。
3、中间温度定律 热电偶AB在接点温度为t，t0时的热电势EAB（t，t0）等于热电偶AB在接点温度为t，t0的热电势EAB（t，tc）和EAB（tc，t0）的代数和（见图5.1-3 ），即
EAB（t，t0）＝EAB（t，tc）＋EAB（tc，t0） （5.1–6 ） 4、等值替代定律 如果使热电偶AB在某一温度范围内所产生的热电势等于热电偶CD在同一温度范围内所产生的热电势，即EAB（t，t0）
，则这两支热电偶在该温度范围内可以互相代用。 图 5.1-3 中间温度定律 ＝ECD（t，t0）
5.2 热电阻测温原理
电阻的热效应早已被人们所认识，即电阻体的阻值随温度的升高而增加或减小。从电阻随温度的变化原理来看，大部分的导体或半导体都有这种性质，但作为温度检测元件，这些材料应满足以下这些要求：
1、要有尽可能大而且稳定的电阻温度系数；
2、电阻率要大，以便在同样灵敏度下减小元件的尺寸； 3、电阻值随温度变化要有单值函数关系，最好呈线性关系；
4、在电阻的使用温度范围内，其化学和物理性能稳定，并且材料复制性好，价格尽可能便宜。
能用作温度检测元件的电阻体称为热电阻。根据上述要求，目前国际上最常见的热电阻
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有铂、铜及半导体热敏电阻等。
5.2.1金属热电阻
金属热电阻主要有铂电阻、铜电阻和镍电阻等，其中铂电阻和铜电阻最为常用，有一套标准的制作要求和分度表、计算公式。
金属热电阻阻值随温度得变化大小用电阻温度系数α来表示，其定义为：
α＝（R100 －R0）/100R0 （5.2- 1） 式中R0和R100分别为0℃和100℃时热电阻的电阻值。可见R100 / R0越大，α值也越大，说明温度升高使热电阻的电阻值增加越多。
金属的纯度对电阻温度系数影响很大，纯度越高，α值越大，例如，作为基准器用的铂电阻，要求α＞3.925×103Ω/Ω·℃；一般工业上用的铂电阻则要求α＞3.85×103Ω/
－
－
Ω·℃。另外α值还与制造工艺有关。因为在电阻丝的拉伸过程中，电阻丝的内应力应会引起α的变化，所以电阻丝在做成热电阻之前，必须进行退火处理，以消除内应力。
工业用热电阻温度计的分度公式和分度号作为标准用铂电阻温度计可以用一种严密、合理的方程来描述其电阻比与温度的关系，但是该方程比较复杂。对于工业用铂电阻温度计可用简单的分度公式来描述其电阻与温度的关系。工业用铂电阻温度计的使用范围是 -200 ～ 850℃，在如此宽的温度范围内，很难用一个数学公式准确表示，为此需要分成两个温度范围分别表示，在-200 ～0℃的温度范围内用
Rt＝R0[1＋At＋Bt2＋C（t－100）t3 ] （5.2-2）在0 ～850℃得温度范围内用
Rt＝R0（1＋At＋Bt2） （5.2-3）式中Rt和R0分别为t℃和0℃时铂电阻的电阻值；A、B和C为常数。在ITS-90中，这些常数规定为
A＝3.9083×10
－13
/℃
B＝-5.775×107/℃2
－
C＝-4.183×10
－12
/℃4
铜电阻温度计也有相应的分度公式。由于它在-50 ～ 150℃的使用范围内其它电阻值与温度的关系几乎是线性的，因此在一般场合下可以近似地表示为
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Rt＝R0（1＋αt） （5.2-3） 式中α为铜电阻的温度系数，取α＝4.28×103/℃。
－
所以对R0的允许误差有严格的要求。另外R0的由于热电阻在温度t时的电阻值与R0有关，
大小也有相应的规定。R0愈大，则电阻体体积增大，不仅需要较多的材料，而且使测量的时间常数增大，同时电流通过电阻丝产生的热量也增加，但引线电阻及其变化的影响变小；R0愈小，情况与上述相反。因此，需要综合考虑选用合适的R0。目前，我国规定工业用铂电它们得分度号分别为Pt10和Pt100；铜电阻温度计也有R0＝阻有R0＝10Ω和R0＝100Ω两种，
50Ω和R0＝100Ω两种，其分度号分别为Cu50和Cu100。
用表格形式给处在不同温度下各种热电阻分度号的电阻值称为热电阻的分度表。图5.2-1给由图可见，出了电阻比Rt / R0 与温度t的特性曲线。
铜热电阻的特性比较接近直线；而铂电阻的特性呈现出一定的非线性，温度越高，电阻的变化率
越小。 图5.2-1 常用热电阻的特性曲线
2.3 压力传感器测量原理
压力传感器是压力检测系统的重要组成部分。由各种压力敏感元件将被测信号转换成容易测量的电信号作输出，给显示压力值，或供控制和报警使用。
压力传感器的种类很多，常用压力传感器的性能比较如表5.3-1所示。
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表5.3-1 几种常见的压力传感器的性能比较
5.3.1应变式压力传感器
应变式压力传感器是把压力的变化转换成电阻值的变化来进行测量的。应变片是由金属导体或半导体制成的电阻体，其阻值随压力所产生的应变而变化。对于金属导体，电阻变化率△R/R的表达式为：
△R/R≈（1＋2μ）ε
式中 μ—— 材料的泊松系数；
ε—— 应变量
图5.3-1为国产BPR-2型压力传感器的结构示意图
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