第05讲 热电偶温度传感器

第五讲热电偶温度传感器ThermocoupleSensor,目录,2.4.1热电偶测温原理,温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。它除具有结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号便于远传或信号转换等优点外，还能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。,一、热电偶的特点,温度测量范围宽性能稳定、准确可靠信号可以远传和纪录,二、热电偶的分类,1按材料分类廉价金属铁康铜、铜康铜、镍铬考铜、贵重金属铂铑10铂、铂铑10铂铑6难熔金属钨铼系、钨钼系、非金属二碳化钨二碳化钼、石墨碳化物,2按用途和结构分类普通工业类直形、角形、锥形专用类,三、工作原理,两种不同的导体或半导体A和B组合成如图所示闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同(设TT0)，则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在。这种现象叫做热电效应(ThermoelectricEffect)在1821年首先由西拜克（See-back）发现，所以又称西拜克效应。,法国物理学家帕尔贴效应可以产生在两种不同金属的交界面，或者一种多相材料的不同相界间，也可以产生在非匀质导体的不同浓度梯度范围内。当对上述三种材料嵌入回路中并施加电流时，金属1会对金属2或相1对相2，或浓度点C1与C2间）产生放热或吸热反应。,JeanCharlesAthanasePeltier1785.2.221845.10.27,1821年，德国物理学家塞贝克发现，在两种不同的金属所组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中会产生一个电势，这就是热电效应，也称作“塞贝克效应（Seebeckeffect）”。,ThomasJohannSeebeck9April177010December1831,北爱尔兰出生的英国数学物理学家、工程师，也是热力学温标（绝对温标）的发明人，被称为热力学之父。他因为在横跨大西洋的电报工程中所作出的贡献而得到了维多利亚女王授予的爵位，威廉汤姆森男爵。为表彰和纪念他对热力学所作出的贡献，热力学温标的单位为开尔文。,WilliamThomson,1stBaronKelvin1824.6.261907.12.17,回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即温差电势和接触电势。,冷端,热端,1.接触电势Peltier电势,接触电势原理图,AB(T)导体A、B结点在温度T时形成的接触电动势；E单位电荷，e=1.610-19C；k波尔兹曼常数，k=1.3810-23J/K；NA、NB导体A、B在温度为T时的自由电子密度。,接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。,2.温差电势Thomson电势,温差电势原理图,A(T，T0)导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势；T，T0高低端的绝对温度；A汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1时所产生的温差电动势，例如在0时，铜的=2V/。,由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0,如果TT0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：,3.回路总电势,NAT导体A在结点温度为T时的电子密度；NAT0导体A在结点温度为T0时的电子密度；NBT导体B在结点温度为T时的电子密度；NBT0导体B在结点温度为T0时的电子密度；A导体A的汤姆逊系数；B导体B的汤姆逊系数。,温差电势比接触电势小，根据电磁场理论得,由于NA、NB是温度的单值函数,在工程应用中，常用实验的方法得出温度与热电势的关系并做成表格，以供备查。由公式可得：,热电偶的热电势，等于两端温度分别为T和零度以及T0和零度的热电势之差。,热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。,只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热电偶；相同材料不会产生热电势，因为当A、B两种导体是同一种材料时，ln(NA/NB)=0也即EAB(T，T0)=0,四点结论：,导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使EAB(T0)=常数，则回路热电势EAB(T，T0)就只与温度T有关，而且是T的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。,只有当热电偶两端温度不同，热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生。,对于有几种不同材料串联组成的闭合回路，接点温度分别为T1、T2、Tn，冷端温度为零度的热电势。其热电势为,E=EAB（T1）+EBC（T2）+ENA（Tn）,由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体是否存在温度梯度，回路中没有电流(即不产生电动势)；反之，如果有电流流动，此材料则一定是非均质的，即热电偶必须采用两种不同材料作为电极。,1.均质导体定律,四、热电偶回路的性质（基本定律）,E总=EAB（T）+EBC（T）+ECA（T）=0,三种不同导体组成的热电偶回路,一个由几种不同导体材料连接成的闭合回路，只要它们彼此连接的接点温度相同，则此回路各接点产生的热电势的代数和为零。,如图，由A、B、C三种材料组成的闭合回路，则,2.中间导体定律,（1）将第三种材料C接入由A、B组成的热电偶回路，如图，则图a中的A、C接点2与C、A的接点3，均处于相同温度T0之中，此回路的总电势不变，即EAB(T1,T2)=EAB(T1)EAB(T2)同理，图b中C、A接点2与C、B的接点3，同处于温度T0之中，此回路的电势也为：EAB（T1,T2）=EAB（T1）-EAB（T2）,两点结论：,(a),(b),第三种材料接入热电偶回路图,电位计接入热电偶回路,根据上述原理，可以在热电偶回路中接入电位计E，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，就不会影响回路中原来的热电势，接入的方式见下图所示。,EAB（T,T0）=EAC（T,T0）+ECB（T,T0）,T0,T,EBA(T,T0),B,A,T0,T,EAC(T,T0),A,C,T0,T,ECB(T,T0),C,B,（2）如果任意两种导体材料的热电势是已知的，它们的冷端和热端的温度又分别相等，如图所示，它们相互间热电势的关系为：,如果不同的两种导体材料组成热电偶回路,其接点温度分别为T1、T2(如图所示)时,则其热电势为EAB(T1,T2)；当接点温度为T2、T3时，其热电势为EAB(T2,T3)；当接点温度为T1、T3时，其热电势为EAB(T1,T3)，则,EAB（T1,T3）=EAB（T1,T2）+EAB（T2,T3）,3.中间温度定律,EAB（T1,T3）=EAB（T1,0）+EAB（0,T3）=EAB（T1,0）EAB（T3,0）=EAB（T1）EAB（T3）,对于冷端温度不是零度时，热电偶如何分度表的问题提供了依据。如当T2=0时，则：,A,B,T1,T2,A,T0,热电偶补偿导线接线图,E,只要T1、T0不变，接入AB后不管接点温度T2如何变化，都不影响总热电势。这便是引入补偿导线原理。,EAB=EAB(T1)EAB(T0),说明：当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A、B同样热电特性的材料A、B(如图)即引入所谓补偿导线时，当EAA(T2)=EBB(T2)，则回路总电动势为,T2,B,T0,热电偶材料应满足：物理性能稳定，热电特性不随时间改变；化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐蚀；热电势高，导电率高，且电阻温度系数小；便于制造；复现性好，便于成批生产。,2.4.2热电偶的常用材料与结构,1铂铑10铂热电偶（S型）分度号LB3工业用热电偶丝：0.5mm，实验室用可更细些。正极：铂铑合金丝,用90铂和10铑(重量比)冶炼而成。负极：铂丝。测量温度：长期：1300、短期：1600。特点：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。用途：实验室或校验其它热电偶。测量温度较高，一般用来测量1000以上高温。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。材料属贵金属，成本较高。热电势较弱。,一、热电偶常用材料,工业用热电偶丝：1.22.5mm，实验室用可细些。正极：镍铬合金(用88.489.7镍、910铬，0.6硅，0.3锰，0.40.7钴冶炼而成)。负极：镍硅合金(用95.797镍,23硅,0.40.7钴冶炼而成)。测量温度：长期1000，短期1300。特点：价格比较便宜，在工业上广泛应用。高温下抗氧化能力强，在还原性气体和含有SO2，H2S等气体中易被侵蚀。复现性好，热电势大，但精度不如WRLB。,2镍铬镍硅(镍铝)热电偶（K型）分度号EU2,工业用热电偶丝：1.22mm，实验室用可更细些。正极：镍铬合金负极：考铜合金（用56铜，44镍冶炼而成）。测量温度：长期600，短期800。特点：价格比较便宜，工业上广泛应用。在常用热电偶中它产生的热电势最大。气体硫化物对热电偶有腐蚀作用。考铜易氧化变质，适于在还原性或中性介质中使用。,3镍铬考铜热电偶（E型）分度号为EA2,正极：铂铑合金（用70铂，30铑冶炼而成）。负极：铂铑合金（用94铂，6铑冶炼而成）。测量温度：长期可到1600，短期可达1800。特点：材料性能稳定，测量精度高。还原性气体中易被侵蚀。低温热电势极小，冷端温度在50以下可不加补偿。成本高。,4铂铑30铂铑6热电偶（B型）分度号为LL2,（1）铱和铱合金热电偶如铱50铑铱10钌热电偶它能在氧化气氛中测量高达2100的高温。（2）钨铼热电偶是60年代发展起来的，是目前一种较好的高温热电偶，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。国产钨铼-钨铼20热电偶使用温度范围3002000分度精度为1。,几种持殊用途的热电偶,（3）金铁镍铬热电偶主要用在低温测量，可在2273K范围内使用，灵敏度约为10V。（4）钯铂铱15热电偶是一种高输出性能的热电偶，在1398时的热电势为47.255mV，比铂铂铑10热电偶在同样温度下的热电势高出3倍，因而可配用灵敏度较低的指示仪表，常应用于航空工业。,（6）铜康铜热电偶，分度号MK热电偶的热电势略高于镍铬-镍硅热电偶，约为43V/。复现性好，稳定性好，精度高，价格便宜。缺点是铜易氧化，广泛用于20K473K的低温实验室测量中。,（5）铁康铜热电偶，分度号TK灵敏度高，约为53V/，线性度好，价格便宜，可在800以下的还原介质中使用。主要缺点是铁极易氧化，采用发蓝处理后可提高抗锈蚀能力。,常用的热电偶材料,1工业用热电偶下图为典型工业用热电偶结构示意图。它由热电偶丝、绝缘套管、保护套管以及接线盒等部分组成。实验室用时，也可不装保护套管，以减小热惯性。,工业热电偶结构示意图1接线盒；2保险套管3绝缘套管4热电偶丝,1,2,3,4,2.4.3常用热电偶的结构类型,各种热电偶,热电偶结构,铠装热电偶,断面如图所示。它是由热电偶丝、绝缘材料，金属套管三者拉细组合而成一体。又由于它的热端形状不同，可分为四种型式如图。优点是小型化（直径从12mm到0.25mm）、寿命、热惯性小，使用方便。测温范围在1100以下的有：镍铬镍硅、镍铬考铜铠装式热电偶。,2铠装式热电偶（又称套管式热电偶）,铠装式热电偶断面结构示意图1金属套管；2绝缘材料；3热电极(a)碰底型；(b)不碰底型；(c)露头型；(d)帽型,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。如图，其热接点极薄(0.010.lm),因此，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。目前我国试制的有铁镍、铁康铜和铜康铜三种，尺寸为6060.2mm;绝缘基板用云母、陶瓷片、玻璃及酚醛塑料纸等；测温范围在300以下；反应时间仅为几ms。,3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,快速反应薄膜热电偶,薄膜热电偶,一种测量钢水温度的热电偶。,4快速消耗微型热电偶,它是用直径为0.050.lmm的铂铑10一铂铑30热电偶装在U型石英管中，再铸以高温绝缘水泥，外面再用保护钢帽所组成。这种热电偶使用一次就焚化，但它的优点是热惯性小，只要注意它的动态标定，测量精度可达57。,原因热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定；热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0为依据，否则会产生误差。,2.4.4冷端处理及补偿,把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里，使T0=0。这种办法仅限于科学实验中使用。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。,1.冰点槽法,用普通室温计算出参比端实际温度TH，利用公式计算EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)例用铜-康铜热电偶测某一温度T，参比端在室温环境TH中，测得热电动势EAB(T，TH)=1.999mV，又用室温计测出TH=21,查此种热电偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.832mV，故得EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，T0)=1.999+0.832=2.831(mV)再次查分度表，与2.831mV对应的热端温度T=68。,注意:既不能只按1.999mV查表，认为T=49，也不能把49加上21，认为T=70。,2.计算修正法,0.801.20,2.442.85,TTkTH式中：T为未知的被测温度；T为参比端在室温下热电偶电势与分度表上对应的某个温度；TH室温；k为补正系数，其它参数见下表。,3.补正系数法,把参比端实际温度TH乘上系数k，加到由EAB(T，TH)查分度表所得的温度上，成为被测温度T。用公式表达即,热电偶补正系数,例用铂铑10铂热电偶测温，已知冷端温度TH=35，这时热电动势为11.348mV查S型热电偶的分度表，得出与此相应的温度T=1150。再从下表中查出，对应于1150的补正系数k=0.53。于是，被测温度T=1150+0.5335=1168.3（）用这种办法稍稍简单一些，比计算修正法误差可能大一点，但误差不大于0.14。,应用领域：如果冷端不是0，但十分稳定（如恒温车间或有空调的场所）。实质：在测量结果中人为地加一个恒定值，因为冷端温度稳定不变，电动势EAB(TH,0)是常数，利用指示仪表上调整零点的办法，加大某个适当的值而实现补偿。,4.零点迁移法,例用动圈仪表配合热电偶测温时，如果把仪表的机械零点调到室温TH的刻度上，在热电动势为零时，指针指示的温度值并不是0而是TH。而热电偶的冷端温度已是TH，则只有当热端温度T=TH时，才能使EAB(T,TH)=0，这样，指示值就和热端的实际温度一致了。这种办法非常简便，而且一劳永逸，只要冷端温度总保持在TH不变，指示值就永远正确。,利用不平衡电桥产生热电势补偿热电偶因冷端温度变化而引起热电势的变化值。不平衡电桥由R1、R2、R3(锰铜丝绕制)、RCu(铜丝绕制)四个桥臂和桥路电源组成。设计时，在0下使电桥平衡(R1=R2=R3=RCu)，此时Uab=0，电桥对仪表读数无影响。,5.冷端补偿器法,注意：桥臂RCu必须和热电偶的冷端