热电偶基本原理和使用方法

1、热电偶基本原理和使用方法常用热电偶分度号有 S、B、K、E、T、J等，这些都是标准化热电偶。其中K型也即镍铬一镍硅热电偶，它是一种能测量较高温度的廉价热偶。 由于这种 合金具有较好的高温抗氧化性， 可适用于氧化性或中性介质 中。它可长期测量 1000 度的高温，短期可测到 1200 度。它不能用于还原性介质中，否则，很快腐 蚀，在 此情况下只能用于500度以下的测量。它比 S型热偶要便宜很多，它的重复性很好，产生的热电势大，因 而灵敏度很高，而且它的线性很好。虽然其测量精 度略低，但完全能满足工业测温要求，所以它是工业上 最常用的热电偶。概述：作为工业测温中最广泛使用的温度传感器之一热电偶，与

2、铂热电阻一起，约占整个温度传感器总量的 60%热电偶通常和显示仪表等配套使用，直接测量各种生产过程中-401800C范围内的液体、蒸气和气体介质以及固体的表面 温度。热电偶工作原理：两种不同成份的导体(称为热电偶丝材或热电极)两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就 会产生电动势， 这种现象称为热电效应， 而这种电动 势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测 量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端(也称为测量端)，另一端叫做冷端(也称为补偿 端)； 冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。热电偶实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产

3、生的热电势测量温度，对于热电偶的热电 势，应注意如下几个问题：(1) 热电偶的热电势是热电偶两端温度函数的差，而不是热电偶两端温度差的函数；(2) 热电偶所产生的热电势的大小，当热电偶的材料是均匀时，与热电偶的长度和直径无关，只与热电 偶材料的成份和两端的温差有关；(3) 当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后，热电偶热电势的大小，只与热电偶的温度差有关；若热 电偶冷端的温度保持一定，这进热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。热电偶的基本构造：工业测温用的热电偶，其基本构造包括热电偶丝材、绝缘管、保护管和接线盒等。一、常用热电偶丝材及其性能1、铂铑10 铂热电偶(分度号为S，也称为单铂铑热电偶

4、)该热电偶的正极成份为含铑 10%的铂铑合金，负极为纯铂；它的特点是：(1) 热电性能稳定、抗氧化性强、宜在氧化性气氛中连续使用、长期使用温度可达1300C，超达1400C时，即使在空气中、纯铂丝也将会再结晶，使晶粒粗大而断裂；（2）精度高，它是在所有热电偶中，准确度等级最高的，通常用作标准或测量较高的温度;（3）使用范围较广，均匀性及互换性好；（4）主要缺点有：微分热电势较小，因而灵敏度较低；价格较贵，机械强度低，不适宜在还原性气氛或 有金属蒸汽的条件下使用。2、铂铑13 铂热电偶（分度号为R，也称为单铂铑热电偶）该热电偶的正极为含13%的铂铑合金，负极为纯铂，同 S型相比，它的电势率大 1

5、5%左右，其它性能几乎相 同，该种热电偶在日本产业界，作为高温热电偶用得最多，而在中国，则用得较少；3、铂铑30 铂铑6热电偶（分度号为E，也称为双铂铑热电偶）该热电偶的正极是含铑 30%的铂铑合金，负极为含铑 6%的铂铑合金，在室温下，其热电势很小，故在测量 时一般不用补偿导线，可忽略冷端温度变化的影响；长期使用温度为1600C，短期为1800C，因热电势较小，故需配用灵敏度较高的显示仪表。E型热电偶适宜在氧化性或中性气氛中使用，也可以在真空气氛中的短期使用；即使在还原气氛下，其寿 命也是R或S型的1020倍；由于其电极均由铂 铑合金制成，故不存在铂铑一铂热电偶负极上所有的缺 点、在高温时很

6、少有大结晶化的趋势，且具有较大的机械强度；同时由于它对于杂质的吸收或铑的迁移的 影响 较少，因此经过长期使用后其热电势变化并不严重、缺点价格昂贵（相对于单铂铑而言）。4、镍铬镍硅（镍铝）热电偶（分度号为K）该热电偶的正极为含铬 10%的镍铬合金，负极为含硅 3%的镍硅合金（有些国家的产品负极为纯镍）。可测 量01300C的介质温度， 适宜在氧化性及 惰性气体中连续使用， 短期使用温度为1200C，长期使用温度 为1000C，其热电势与温度的关系近似线性，价格便宜，是目前用量最大的热电偶。K型热电偶是抗氧化性较强的贱金属热电偶，不适宜在真空、含硫、含碳气氛及氧化还原交替的气氛下裸 丝使用；当氧分

7、压较低时，镍铬极中的铬将择优氧化，使热电势发生很大变化，但金属气体对其影响较小， 因此，多采用金属制保护管。K型热电偶的缺点：（1 ）热电势的高温稳定性较N型热电偶及贵重金属热电偶差，在较高温度下（例如超过1000C）往往因氧化而损坏；（2）在250500C范围内短期热循环稳定性不好，即在同一温度点，在升温降温过程中，其热电势示值 不一样，其差值可达 2 3C;（3） 其负极在150200C范围内要发生磁性转变， 致使在室温至230C范围内分度值往往偏离分度表，尤 其是在磁场中使用时往往出现与时间无关的热电势干扰；（4）长期处于高通量中系统辐照环境下，由于负极中的锰（Mn）、钻（C o）等元素

8、发生蜕变，使其稳定性欠佳，致使热电势发生较大变化。5、镍铬硅镍硅热电偶（分度号为N）该热电偶的主要特点是：在 1300C以下调温抗氧化能力强，长期稳定性及短期热循环复现性好，耐核辐射 及耐低温性能好，另外，在 4001300C范围内，N型热电偶的热电特性的线性比K型偶要好；但在低温 范围内（-200400C）的非线性误差较大，同时，材料较硬难于加工。6、铜铜镍热电偶（分度号为T）T型热电电偶，该热电偶的正极为纯铜， 负极为铜镍合金（也称康铜），其主要特点是：在贱金属热电偶中， 它的准确度最高、热电极的均匀性好；它的使用温度是-200350C，因铜热电极易氧化，并且氧化膜易脱落，故在氧化性气氛中

9、使用时，一般不能超过300C，在-200300C范围内，它们灵敏 度比较高，铜康铜热电偶还有一个特点是价格便宜，是常用几种定型产品中最便宜的一种。7、铁康铜热电偶（分度号为J）J 型热电偶 ， 该热电偶的正极为纯铁，负极为康铜（铜镍合金），具特点是价格便宜， 适用于真空氧化的还原或惰性气氛中，温度范围从 -200800C，但常用温度只是 500C以下，因为超过这个温度后，铁热电 极的氧化速率加快，如采用粗线径的丝材，尚可在高温中使用且有较长的寿命；该热电偶能耐氢气（H 2）及一氧化碳（CO）气体腐蚀，但不能在高温（例如 500C）含硫（S）的气氛中使用。8、镍铬铜镍（康铜）热电偶（分度号为E）

10、E型热电偶是一种较新的产品，它的正极是镍铬合金，负极是铜镍合金（康铜），其最大特点是在常用的 热电偶中，其热电势最大，即灵敏度最高；它的应用范围虽不及K型偶广泛，但在要求灵敏度高、热导率低、可容许大电阻的条件下，常常被选用；使用中的限制条件与K型相同，但对于含有较高湿度气氛的腐 蚀不很 敏感。除了以上 8种常用的热电偶外，作为非标准化的热电偶还有钨铼热电偶，铂铑系热电偶，铱锗系热电偶， 铂钼系热电偶和非金属材料热电偶等。二、绝缘管该热电偶的工作端被牢固地焊接在一起，热电极之间需要用绝缘管保护。热电偶的绝缘材料很多，大体上 可分为有机和无机绝缘两类，处于高温端的绝缘物必须采用无机物，通常在100

11、0以下选用粘土质绝缘管，在 1300 以下选用高铝管，在 1600以下选用刚玉管。三、保护管 保护管的作用在于使用热电偶电极不直接与被测介质接触，它不仅可延长热电偶的寿命，还可起到支撑和 固定热电极增加其强度的作用；因此，热电偶保护管及绝缘选择是否合适，将直接影响到热电偶的使用寿 命和测量的准确度，被采用做保护管的材料主要分金属和非金属两大类。热电偶冷端补偿 摘要：温度测量应用中，热电偶因其坚固性、可靠性以及较快的响应速度得到了普遍应用。本应用笔记讨 论了热电偶的基本工作原理，包括参考端 （冷端） 的定义和功能。本文还给出了按照具体应用选择冷端温度 测量器件的注意事项，并给出了三个设计范例。概

12、述温度测量应用中有多种类型的变送器，热电偶是最常用的一种，可广泛用于汽车、家庭等领域。与RTD 、电热调节器、温度检测集成电路 （IC） 相比，热电偶能够检测更宽的温度范围，具有较高的性价比。另外， 热电偶的牢固、可靠性和快速响应时间使其成为各种工作环境下的首要选择。当然，热电偶在温度测量中也存在一些缺陷，例如，线性特性较差。虽然它们与RTD 、温度传感器 IC 相比可以测量更宽的温度范围，但线性度却大打折扣。除此之外， RTD 和温度传感器 IC 可以提供更高的灵 敏度和精度，可理想用于精确测量系统。热电偶信号电平很低，常常需要放大或高分辨率数据转换器进行 处理。如果排除上述问题，热电偶的低

13、价位、易使用、宽温度范围使其得到广泛使用。热电偶基础热电偶是差分温度测量器件，由两段不同的金属/合金线构成，一段用作正端，另一段用作负端。表 1 列出了四种最常用的热电偶类型、所用金属以及对应的温度测量范围。每种热电偶在其规定的温度范围内具有 独特的热电特性。表1.常用的热电偶类型类型正 端金属 / 合金负端金属 /合金温度范围 （c）T铜镍铜合金-200 至 +350J铁镍铜合金0 至 +750K镍铬合金镍基热电偶合金-200 至+1250E镍铬合金镍铜合金-200 至 +900两种不同类型的金属接 （焊接）在一起后形成两个结点，如 图 1a 所示，环路电压是两个结点温差的函数。这 种现象称

14、为 Seebeck 效应，用于解释热能转换为电能的过程。 Seebeck 效应相对于 Peltier 效应， Peltier 效应用于解释电能转换成热能的过程，典型应用有电热致冷器。图1a所示，测量电压Vout是检测端（热端）结电压与参考端（冷端）结电压之差。因为 Vh和Vc是由两个结的温度差产生的，Vout也是温差的函数。定标因数，a对应于电压差与温差之比，称为Seebeck系数。MEASUFUhlGtHOTREFEREMCE (COLD)UMCHONJUNCTION厂11 :NETALft!1X i如X 1X p/ -j X- !F| *ME1ALB ;-ThVrsur；9:vnc = a

15、(TH-Tc图1a.环路电压由热电偶两个结点之间的温差产生，是Seebeck效应的结果MEASURING (HOT)REFERENCE (COLD)COPPERUMCHONJUNCTIONCOPPERVtJLJT = Pg Tc）图1b.常见的热电偶配置由两条线连接在一端，每条线的开路端与铜恒温线连接。图1b所示是一种最常见的热电偶应用。该配置中引入了第三种金属（中间金属）和两个额外的节点。本例中,每个开路端与铜线电气连接，这些连线为系统增加了两个额外节点，只要这两个节点温度相同，中间金属（铜）不会影响输出电压。这种配置允许热电偶在没有独立参考结点的条件下使用。Vout仍然是热端与冷端温度之差

16、的函数，与 Seebeck系数有关。然而，由于热电偶测量的是温度差，为了确定热端的实际温度， 冷端温度必须是已知的。冷端温度为0C （冰点）时是一种最简单的情况，如果Tc = 0 ，则Vout = Vh。这种情况下，热端测量电压是结点温度的直接转换值。美国国家标准局（NBS）提供了各种类型热电偶的电压特征数据与温度对应关系的查找表。所有数据均基于 0C冷端温度。利用冰点作为参考点，通过查找适当表格中的Vh可以确定热端温度。在热电偶应用初期，冰点被当作热电偶的标准参考点，但在大多数应用中获得一个冰点参考温度不太现实。如果冷端温度不是0C,那么，为了确定实际热端温度必须已知冷端温度。考虑到非零冷端

17、温度的电压，必需对热电偶输岀电压进行补偿，既所谓的冷端补偿。选择冷端温度测量器件如上所述，为了实现冷端补偿，必须确定冷端温度，这可以通过任何类型的温度检测器件实现。在通用的温度传感器IC、电热调节器和RTD中，不同类型的器件具有不同的优、缺点，需根据具体应用进行选择。对于精度要求非常高的器件，经过校准的铂RTD能够在很宽的温度范围内保持较高精度，但其成本很高。精度要求不是很高时，热敏电阻和硅温度传感器IC能够提供较高的性价比，热敏电阻比硅 IC具有更宽的测温范围，而传感器IC具有更高的线性度，因而性能指标更好一些。修正热敏电阻的非线性会占用较多的 微控制器资源。温度传感器IC具有岀色的线性度，

18、但测温范围很窄。总之，必需根据系统的实际需求选择冷端温度测量器件，需要仔细考虑精度、温度范围、成本和线性指标， 以便得到最佳的性价比。考虑因素一旦建立了冷端补偿方法， 补偿输出电压必须转换成相应的温度。 一种简单的方法既是使用 NBS 提供的查 找表，用软件实现查找表需要存储器，但查找表对于连续的重复查询提供了一种快速、精确的测量方案。 将热电偶电压转换成温度值的另外两种方案比查找表复杂一些， 这两种方法是： 1） 利用多项式系数进行线 性逼近， 2） 对热电偶输出信号进行模拟线性化处理。软件线性逼近只是需要预先确定多项式系数，不需要存储，因而是一种更通用的方案。缺点是需要较长时 间解多阶多项

19、式，多项式阶数越高，处理时间越长，特别是在温度范围较宽的情况下。多项式阶数较高时， 查找表相对提供了一种精度更高、更有效温度测量方案。出现软件测试方案之前，模拟线性化常被用来将测量电压转换成温度值（除了人工查找表检索外 ）。这种基于硬件的方法利用模拟电路修正热电偶响应的非线性。其精度取决于修正逼近多项式的阶数，在目前能够 测试热电偶信号的万用表中仍采用这种方法。应用电路下面讨论了三种利用硅传感器 IC 进行冷端补偿的典型应用，三个电路均用来解决温度范围较窄（0 C 至+70 C和-40 C至+85 C）的冷端温度补偿，精度在几个摄氏度以内。第二个电路包含一个远端二极管温度 检测器，由连接成二极

20、管的晶体管为其提供测试信号。第三个电路中的模/数转换器（ADC）内置冷端补偿。所有三个电路均采用 K型热电偶（由镍铬合金和镍基热电偶合金组成）进行温度测量。示例 #1图2所示电路中，16位习 ADC将低电平热电偶电压转换成 16位串行数据输出。集成可编程增益放大器 有助于改善 ADC 的分辨率，这对于处理热电偶小信号输出非常必要。温度检测 IC 靠近热电偶安装，用于 测量冷端附近的温度。这种方法假设 IC 温度近似等于冷端温度。冷端温度传感器输出由 ADC 的通道 2 进 行数字转换。温度传感器内部的 2.56V 基准节省了一个外部电压基准 IC。FK；C-SMP K R 占2如FL1- -2

21、OpF ECS 4-20 1THERMO-COUPLECONNECTORWkCLOSEPROXIMITYZklXI/klMAX6610VccTEMPo n-FxCLKINCLKOURESETAIN1 +DINA1N1-AIN2*MX77C5SCLKDOUTMM2-REF+REF-DR.DYGND5HDNREFGND图2.本地温度检测IC (MAX6610 )确定冷端温度。温度检测IC靠近热电偶接点(冷端)放置，热电偶和冷端 温度传感器输岀电压由16位ADC ( MX7705 )转换。工作在双极性模式时，ADC可以转换热电偶的正信号和负信号，并在通道1输出oADC的通道2将MAX6610的单端输

22、岀电压转换成数字信号，提供给微控制器。温度检测IC的输岀电压与冷端温度成正比。为了确定热端温度，需首先确定冷端温度。然后通过NBS提供的K型热电偶查找表将冷端温度转换成对应的热电电压。将此电压与经过 PGA增益校准的热电偶读数相加，最后再通过查找表将求和结果转换成温度，所得结果即为热端温度。表2列出了温度测量结果，冷端温度变化范围：-40C至+85 C，热端保持在+100 C。实际测量结果在很大程度上取决于本地温度检测IC的精度和烤箱温度。表2.图2电路在不同烤箱的冷端和热端测量温度冷端热端测量温度温度*(C)(C)测量值#1-39.9+101.4测量值#20.0+101.5测量值#3+25.

23、2+100.2测量值 #4+85.0+99.0*热端测量温度”是经过补偿的数值，由电路测量得到示例#2图3所示电路中，远端温度检测IC测量电路的冷端温度， 与本地温度检测IC不同的是IC不需要靠近冷端 安装，而是通过外部连接成二极管的晶体管测量冷端温度。晶体管直接安装在热电偶接头处。温度检测IC将晶体管的测量温度转换成数字输岀。ADC的通道1将热电偶电压转换成数字输岀，通道2没有使用，输入直接接地。外部2.5V基准IC为ADC提供基准电压。10pFCC-SMP-K-FlJZ-CLKIN VdoCLKOUTREStTTHERMOCOUPLECONNECTORAWJ-A N1-5V:Q 1pFCUTGMOynyixixviMAXG0O2iZOOpFAJN1-DIN湫砂SCLKAJN2*AJN2-OUTREF*DRDVREF-GMD丄VcccsMAX6&27DKPSCKMAHGNDI图3.远端二极管温度检测IC不必靠近冷端，因为它使用了一个外部二极管检测温度。MAX6002为ADC提供2.5V基准电压。表3列出了温度测量结果，冷端温度变