传感器与检测技术第4章

1、第4章热电偶传感器 4.1 热电偶热电效应和热电偶定律 4.2 热电偶的冷端处理 4.3 常用热电偶及测温电路 4.4 K型热电偶数字温度仪 4.5 思考题第4章热电偶传感器热电偶传感器热电偶传感器热电偶传感器的基本转换原理是将温度或能转换成温度变化的物理量，经热电偶转换成热电势的输出。这种传感器的主要特点是：（1）结构简单，使用方便，有标准的显示和记录仪表（动圈式仪表）配合使用。（2）以热电势输出，属于自发电型传感器。测量时，无需外加电源。（3）测量范围广，尤其是高温域的测量，可达1800以上。（4）便于远距离测量和多点测量，可测温度、温度差或平均温度。 第4章热电偶传感器4.1 4.1 热

2、电偶热电效应和热电偶定律热电偶热电效应和热电偶定律4.1.1 热电偶热电偶是用两种不同材料的导体A,B首尾相接，组成一个闭合回路，如图4-1所示。其中A,B（图中的2）称为热电偶的热电极。两个接点放在不同的温度场中，通常T（图中的1）为被测温度，也称工作端或热端，T0（图中的4）为参考温度，也称自由端或冷端。3是当热电偶回路产生热电势时，回路内产生的磁场。图4-1 热电偶的组成第4章热电偶传感器4.1.2 4.1.2 热电效应热电效应 热电偶的工作原理基于热电效应，即两种不同材料的热电极首尾连接置于不同的温度场中，在热电偶回路内产生电动势，如图4-2所示。热电偶回路内产生的热电势由两部分组成：

3、接触电势和温差电势。图4-2 热电偶的热电势第4章热电偶传感器1 1接触电势接触电势由两种导体相接触而形成的电势称为接触电势。它的产生是由于两个热电极A,B材料不同（假设nAnB），则它们的自由电子的浓度不等，当这两种材料在T和T0处相接触时，由于nAnB，在接触面上会产生电子扩散。电子扩散的速率与两电极的材料和接触面温度有关，电子扩散的结果使导体A由于失去电子而带正电荷，导体获得电子而带负电荷，在接触面形成电场，这个电场阻碍了电子的继续扩散，在某一时刻达到动态平衡，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电势。在热电偶回路中存在接触电势eAB（T）和eAB（T0），方向如图4-2所示。式中，K为

4、波尔兹曼常数（K=1.381023 J/K）；e为电子电荷（1.61019C）；nA,nB为A,B材料的自由电子浓度。AABB( )lnnKTeTen0AAB0B()lnKTneTen第4章热电偶传感器2 2温差电势温差电势对于同一导体，由于两端温度不同而形成的电势称为温差电势。假设TT0，由于同一热电材料高温端电子所具有的动能较大，因而向低温端扩散。高温端因失去电子而带正电，低温端因得到电子而带负电，这样就会在高、低温两端之间形成一个电位差，产生了温差电势eA(T，T0)和eB(T，T0)，方向如图4-2所示。温差电势的大小与热电极材料和两端温度有关。式中 , 为汤姆逊系数，表示导体两端温度

5、差为1时产生的温差电势。A0A0()dTeTTTT，0B0()dBTeTTTT，AB第4章热电偶传感器4.1.3 4.1.3 热电偶的测温原理热电偶的测温原理 设热电偶回路生成的总热电势为EAB(T，T0)，其方向与eAB(T)方向一致，则式中，eA(T，T0)和eB(T，T0)在总热电势中所占比例很小，可以忽略不计。当热电偶选取之后，nA,nB为定值，K,e为恒量，有若冷端T0恒定，那么 (T0)为一常数，则),(),()()(),(0B0A0ABAB0ABTTeTTeTeTeTTE)()(),(00ABTfTfTTECTfTTE)(),(0AB第4章热电偶传感器这就是热电偶测温的原理。通过

6、以上的分析可以得出如下结论：（1）热电偶的两个热电极必须是两种不同材料的均质导体，否则热电偶回路的总电势为零。（2）热电偶两接点温度必须不等，否则，热电偶回路总热电势亦为零。（3）热电偶,产生的热电势只与两个接点温度有关，而与中间温度无关；与热电偶的材料有关，而与热电偶的尺寸、形状无关。第4章热电偶传感器4.1.4 4.1.4 热电偶定律热电偶定律使用热电偶测量温度，只利用上面所介绍的热电偶回路是不够的。如果要拆开回路，对热电偶有没有影响呢？图4-3 具有中间导体的热电偶回路1中间导体定律在实际测量时，热电偶回路中接入测量仪表，并用导线连接。只要引入导线两端温度相同，热电偶回路生成的热电势不受

7、影响，这就是中间导体定律。下面对具有中间导体的热电偶回路定律加以证明。如图4-3所示，热电偶回路插入中间导体C后，总的热电动势为图4-3 具有中间导体的热电偶回路 第4章热电偶传感器)()()(),(0CABCAB0ABCTeTeTeTTEAC0CB0BAlnlnlnnneKTnneKTnneKT)11 (lnACCB0BAnnnnnneKTnneKT)ln(lnACCB0BAnnnneKTnneKTAB0BAlnlnnneKTnneKTBA0BAlnlnnneKTnneKT),(0ABTTE根据中间导体定律，热电偶回路插入多种导体，只要保证插入的每种导体两端温度相同，则热电偶回路生成的热电势

8、不受插入导体的影响。第4章热电偶传感器2中间温度定律中间温度定律热电偶T与T0之间若有一温度Tn，热电偶的热电势可以用与的和表示，这就是热电偶的中间温度定律。与中间温度定律有关的热电偶回路如图4-4所示。证明如下：图4-4 与中间温度定律有关的热电偶回路),(0ABTTEBA0BAlnlnnneKTnneKTBA0BABABAlnlnlnlnnneKTnneKTnneKTnneKTnn),(ABnTTE),(0ABTTEn第4章热电偶传感器 中间温度定律为热电偶分度表的制定和使用奠定了理论基础。分度表指的是当热电偶冷端固定为0时，热电偶在不同工作端温度下所得热电势与工作端温度之间所对应的表格（

9、如型热电偶分度表）；若冷端温度不为0，则可以借助于分度表来查找工作端温度。其步骤如下：（1）用温度计测量出T0；（2）由分度表查出；（3）用毫伏表测出热电偶回路的热电势；（4）用中间温度定律计算出；（5）反查分度表，求出。第4章热电偶传感器第4章热电偶传感器第4章热电偶传感器第4章热电偶传感器 中间温度定律还为补偿导线的使用奠定了理论基础。补偿导线是指在一定的温度范围内，某些廉价金属的热电特性与热电偶的热电特性相似，则在远距离测温时，由于热电偶长度有限，且多为贵金属，为了降低成本，可部分采用补偿导线。利用补偿导线延长热电偶的冷端如图4-5所示。图4-5 利用补偿导线延长热电偶的冷端1测量端；2

10、热电极；3中间温度；4补偿导线；5新的冷端；6铜引线；7毫伏表第4章热电偶传感器使用热电偶补偿导线时，应注意：（1）热电偶两个热电极与补偿导线的接点必须具有相同的温度；（2）各种补偿导线只能与相应型号的热电偶配合使用；（3）补偿导线必须在规定的温度范围内使用（通常是0100）；（4）极性不能接反。常用热电偶补偿导线的特性见表4-2。第4章热电偶传感器配用热电偶（正负）补偿导线（正负）导线外皮颜色100热电势（mV）20时的电阻率正负铂铑10铂铜铜镍红绿0.6460.0230.03010-6镍铬镍硅铜康铜红蓝4.0960.0630.5010-6镍铬康铜镍铬康铜红棕6.3190.1020.5010

11、-6钨铼5钨铼20铜铜镍红蓝1.3370.045表4-2 常用热电偶补偿导线的特性第4章热电偶传感器3参考电极定律 前文中提到，国际通用的热电偶只有8种。实际上，如图4-6所示，利用参考电极定律，还可以选配多种热电偶以供使用。A,C与B,C热电偶，在接点温度为T,T0时，有在实际使用中，纯铂丝的性能稳定，常用来做参考电极，这样可以由多种热电材料和铂丝配成热电偶，因此大大简化了热电偶的选配工作。),(0ABTTE ),(0ACTTE ),(0CBTTE图4-6 参考电极定律第4章热电偶传感器4.2 4.2 热电偶的冷端处理热电偶的冷端处理 由热电偶测温原理分析可知，为保证热电偶热电势与被测温度T

12、成单值函数关系，则必须使T0端温度保持恒定。另外，在使用分度表时，在热电偶冷端温度为0的情况下，常需要冷端温度保持在0，需要对热电偶的冷端加以处理，于是产生热电偶冷端补偿问题。常用以下方法保持冷端为0或保持恒定。第4章热电偶传感器（1）冷端冰浴法：将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中，使热电偶冷端温度保持0不变。此种方法只适用于实验室中。（2）冷端恒温法：在实际测量中，要把冷端恒定在0，常常会遇到困难，因此可设法使冷端恒定在某一常温Tn下。通常采用恒温器盛装热电偶的冷端，或将冷端置于温度变化缓慢的大油槽中，或将冷端埋入地下的铁盒里。（3）仪表机械零点调整法：当热电偶与动圈仪表配套使用时

13、（动圈仪表是专门与热电偶配套使用的显示仪表，它的刻度是依分度表而定的），若热电偶冷端不为0，但基本恒定，这样在测量精度要求不高的场合下，可将动圈仪表的机械零点调至热电偶冷端所处的温度T0处。这相当于在输入热电势前就给仪表输入一个，最终仪表的指示值约为在机械零点调整时，应先将仪表的电源和输入信号切断，然后用螺丝刀调整仪表面板上的螺钉，使指针指到T0的刻度。 ),(ABnTTE)0 ,(ABnTE第4章热电偶传感器（4）电桥补偿法：电桥补偿法的原理如图4-7所示。热电偶经补偿导线与电桥相连，三个电桥平衡电阻的温度系数很小，当环境温度为0时，电桥平衡，输出电压为零。若环境温度变化，热电偶的热电势也随

14、之变化。同时，铜电阻也随温度而变化，在某一温度范围内，两者能够相互抵消由于温度变化引起的电压变化，从而实现了温度补偿。第4章热电偶传感器 图4-7中，R2,R3,R4是锰铜丝绕制成的电阻，Rcu是由温度系数较大的铜丝绕制而成的。设电桥在0时无补偿作用，当温度升高时，由于热电偶冷端与Rcu处于同一温度下，Rcu阻值升高，电桥失去平衡，Rcu两端压降增大，b点电位上升，Ubd与EAB（T,T0）叠加。适当选择桥臂电阻，可以使Ubd正好补偿热电偶由于冷端温度升高所损失的热电势。注意：使用这种方法，冷端补偿器只能在一定范围内（040）起温度补偿作用。图4-7 电桥补偿原理图第4章热电偶传感器 图4-8

15、所示为PCS203型热电偶冷端补偿器的内部电路。该电路在输入端埋设了一个32.5W的铜电阻，当冷端温度为0时，桥路平衡；不为0时，电桥产生与冷端温度相对应的输出电压，将该输出放大，在5W电阻两端产生直流电压，这样就将补偿电压串联到热电偶电路中。这种电路能用于CA（K型），IC（J型），PR10（S型）温度传感器。它的技术规格如下：图4-8 PCS203型热电偶冷端补偿器内部电路第4章热电偶传感器 产品型号：9404，202，01001； 适合热电偶类型：CA（K型），IC（J型），PR10（S型）； 冷端温度：0； 最大误差：3； 内部电阻：5W； 使用温度：-1050； 工作温度：-1060

16、； 电源：110V240V（10%），48Hz60Hz，1.7VA； 尺寸：138mm112mm62mm； 重量：0.55kg。第4章热电偶传感器4.3 4.3 常用热电偶及测温电路常用热电偶及测温电路4.3.1 常用热电偶材料 通常适于用做热电偶的材料有300多种。到目前为止，国际电工委员会已经将其中八种材料作为标准热电偶。表4-3为八种常用的热电偶及其特性。第4章热电偶传感器第4章热电偶传感器4.3.2 结构与用途热电偶根据结构形式的不同，各自的用途也不同。1普通型热电偶 普通型热电偶主要用于测量气体、液体、蒸气等物质的温度。由于在基本相似的条件下使用，因此普通型热电偶已制成标准形式，主要

17、有棒形、角形、锥形等，还做成无专门固定装置、有螺纹固定装置及法兰固定装置等多种形式。图4-9所示即为一棒形、无螺纹、法兰固定的普通型热电偶结构示意图。第4章热电偶传感器图4-9 普通型热电偶的结构示意图（单位：mm）1热电偶冷端；2绝缘管；3下保护套管；4绝缘珠管；5法兰；6上保护套管；7接线盒底座；8接线绝缘座；9引出线管；10固定螺钉；11外罩；12接线柱；13引出电极固定螺钉；14引出线螺钉第4章热电偶传感器2铠装热电偶 特殊热电偶结构图如图4-10所示。 铠装热电偶又称为缆式热电偶，它是由热电极、绝缘材料和金属保护套管三部分组合在一起构成的特殊结构的热电偶，可以做得很细很长，且可以弯曲

18、。其结构如图4-10（a）所示，可以分成单芯和双芯两种类型。铠装热电偶是由热电极、绝缘材料和金属保护套管三部分一起拉制成型的，因此外径可以小到1mm3mm，内部热电极直径常为0.2mm0.8mm，而套管外壁一般为0.12mm0.60mm。铠装热电偶的特点是热惯性小，有良好的柔性，便于弯曲，抗振性能好，动态响应快（时间常数可达0.01s），适用于测量狭长对象上各点的温度。第4章热电偶传感器图4-10 特殊热电偶结构图1工作端；2绝缘基板；3电极A；4电极B；5接线夹；6引线第4章热电偶传感器3薄膜热电偶 所谓薄膜热电偶是指通过真空蒸镀（或真空溅射）的方法，把热电偶材料沉积在绝缘基板上面而制成的热

19、电偶，其结构示意图如4-10（b）所示。由于采用蒸镀技术，热电偶可以做得很薄（微米级）。薄膜热电偶使用温度范围为（-200+500）时，热电极通常使用铜康铜、镍铬考铜、镍铬镍硅等材料制成，绝缘基板材料采用云母，适用于各种表面的温度测量以及汽轮机叶片等温度的测量。当使用温度范围为（5001800）时，热电极使用镍铬镍硅、铂铑铂铑等材料制成，绝缘基板则采用陶瓷材料制成，常用于火箭、飞机喷射的温度测量和钢锭、轧辊等表面温度的测量。第4章热电偶传感器4表面热电偶表面热电偶适用于测量圆弧形表面的温度，其热电极做成带状，接点在中央作为测量端，而两端固定在装有手柄的弓形架上，手柄上装有毫伏表，使用时把热电极

20、的中间贴在被测表面上。5消耗式热电偶消耗式热电偶主要用于测量钢水温度，图4-11为其结构原理图。其中，热电极2是用铂铑10铂或铂铑10铂铑制成的，装在U型石英管3之中，后面接有补偿导线6，而补偿导线的另一端引至塑料插座7上。使用时可以将热电偶装在专用的工具上，迅速插入钢水的钢渣下（200300）mm处，4s即可读数。为了保护石英管，在它的前面装有铝保护帽。图4-11 消耗式热电偶结构原理图1保护帽；2热电极；3石英管；4耐火材料；5纸管；6补偿导线；7插座；8棉花第4章热电偶传感器4.3.3 典型测温线路1测量某点温度图4-12是热电偶和一个仪表配用测量某点温度的基本连接电路。图（a）测量时，

21、只要的两端温度相等，则对测量精度无影响。图（b）是冷端在仪表外面的线路。如果配用的仪表是动圈式仪表，则其补偿导线电阻应尽量小。其中A,B是热电偶，A,B是补偿导线，C是接线柱，D是铜导线。图4-12 热电偶与仪表配用测量某点温度的基本连接电路第4章热电偶传感器2测量两点温度的和与差 热电偶的测温线路如图4-13所示，其中图（a）是两支同一型号的热电偶正向串联，用来测量两点温度之和。若，则当使用多根热电偶串联测温时，可以成倍地提高总的热电动势的输出，大大提高测量的灵敏度，这称为热电堆。而图（b）是将两支同型号的热电偶反向串联，可以用来测量两点之间的温度差。 (a) 热电偶正向串联 (b) 热电偶

22、反向串联图4-13 热电偶的测温线路第4章热电偶传感器3平均温度的测量 热电偶测量平均温度的连接电路如图4-14所示。图4-14（a）中，输入到仪表两端的毫伏值为三个热电偶输出热电动势的平均值，即此电路的特点是：仪表的分度和单独配用一个热电偶时一样，其缺点是当某一热电偶烧断时不能很快地觉察出来。在图4-14（b）中，输入到仪表两端的热电动势为三个热电偶产生的热电动势之总和，即可直接从仪表读出平均值。本电路的优点是：热电偶烧断时可以立即知晓，另外可获得较大的热电动势。应用此种电路时，每一热电偶引出的补偿导线还必须回接到仪表的冷端。注意：使用上述电路测量时，必须尽量避免测量点接地。0321AB,3ttttEE321EEEE第4章热电偶传感器图4-14 热电偶测量平均温度的连接电路第4章热电偶传感器4.4 K型热电偶数字温度仪 这里介绍的温度仪采用K型热电偶作为传感器，它的测量范围为01200。测量电路的元器件少，精度高，具有较高的技术水平。图4-15为K型热电偶数字温度仪的测量电路。热电偶的输出电压小，需要漂移很小的放大电路，同时，热电偶又存在非线性的特点，