自动检测与转换技术-第五章

1、自动检测与转换技术物理及电子工程学院 杨恒Tel:-mail: 第五章热电偶传感器2022-3-1635.1 热电偶的工作原理 5.1.1热电效应热电效应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热电效应。两种导体组成的回路称为“热热电偶电偶”，这两种导体称为“热电极热电极”，产生的电动势则称为“热电动势热电动势”。这种现象早在1821年首先由西拜克（Seeback）发现,所以又称西拜克效应。2022-3-1642022-3-165 回路中

2、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。热电偶原理图TT0AB热端冷端2022-3-1661. 接触电势接触电势原理图+ABTeAB(T)- -BAABNNekTTeln)(eAB(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 =1.3810-23 J/K ；NA、NB 导体A、B在温度为T 时的电子密度。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。自由电子扩散自由电子扩散平衡状态：两边自由电子相等平衡状态：两边自由电子相等2022-3-167eA(T

3、，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/。2. 温差电势dTTTeTTAA0),(0AeA(T,To)ToT温差电势原理图自由电子扩散自由电子扩散平衡状态：两边自由电子相等平衡状态：两边自由电子相等2022-3-168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：T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3. 回路总电势dTNNekTNNekTTTeTTeTeTeTTE

4、TTBABTATBTATBAABABAB000)(lnln),(),()()(),(00000NAT、NAT0导体A在结点温度为T和T0时的电子密度； NBT、NBT0导体B在结点温度为T和T0时的电子密度；A 、B导体A和B的汤姆逊系数。2022-3-169热电偶回路的四点结论四点结论：1.热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料材料及两端温度温度有关；与热电偶的长度、粗细无关2.只有用不同性质的导体不同性质的导体(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. 3.只有当热电偶两端温度不同两端温度不

5、同,热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生.2022-3-16104.导体材料确定材料确定后，热电势的大小只与热电偶两只与热电偶两端的端的温度温度有关有关。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由于温差电势很小，可略去。因此回路的电势为: )()()()(),(000TeTeTeTeTTEBAABABABAB2022-3-1611由于热电偶回路中热电动势的大小，只与组成热电偶的导体材料和两接点的温度有关，而与热电偶的形状尺寸无关。当热电偶两电极材料固定后，热电动势便是两接点温度t和t0的函数差。即)(t-(t

6、)t(t,E00ABff(t)C-(t)t(t,E0AB f如果使冷端温度t0保持不变，则热电动势便成为热端温度t的单一函数。即，5.1.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律 1均质导体定律（同材料无电势） 如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，无论两接点的温度如何，热电势均为零。 根据这个定律，可以检验两个热电极材料成分是否相同，也可以检查热电极材料的均匀性。 2中间导体定律（两接点同温无电势） 在热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体和原导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变。2022-3-1613热电偶的基本定律接入第三种导体回路如下图所示。由于温差电势可忽略不计, 则回路中

7、的总热电势等于各接点的接触电势之和。 即 如图，由A、B、C三种材料组成的闭合回路，则TABCT0T0三种不同导体组成的热电偶回路)(te)(te(t)e)t(t,E0CA0BCAB0ABC（1）2022-3-1614 当T= T0 时, 有 EABC(T0)=eAB(T0 )+eBC(T0)+eCA(T0) =0 由此得eAB(T0 )eBC(T0)eCA(T0)代入（1）式(T, T0)=eAB(T)-eAB(T0)=eAB(T, T0) 同理, 加入第四、第五种导体后, 只要加入的导体两端温度相等, 同样不影响回路中的总热电势。TTAB0CA0BCABTTTTBA0CA0BCAB0ABC

8、000)()(Te)(Te(T)e-)(Te)(Te(T)e)T(T,EdTdTdT2022-3-1615 两点结论：两点结论： l）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）EAB(T1,T2)=EAB(T1)-EAB（T2）23T0T2T1AaBC23EABaAT0ABEABT1T2 CT0(a)(b)T0第三种材料接入热电偶回路图2022-3-1616T1电位计接

9、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。 ET0T1TET0T0T2022-3-1617 EAB（T, T0）= EAC（T, T0）+ ECB（T, T0）T0TEBA(T,T0)BAT0TEAC(T,T0)ACT0TECB(T,T0)CB2）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：标准电极定律标准电极定律2022-3-1618证明过程证明过程)()()(000TTETTETTECBACAB，)()(lnln)

10、(lnln)(lnln)()()()(00000000000000000TTEnneKTnneKTnneKTnneKTnneKTnneKTTTETTETTETTEABTTABBTATBTATTTBCCTBTCTBTTTACCTATCTATBCACCBAC，dTTeTeTTEdTTeTeTTEdTTeTeTTETTBCBCBCBCTTACACACACTTABABABAB000)()()()()()()()()()()()(000000， 3标准电极定律（作差法） 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动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就已知。 4中间温度定律（累

11、加法） 热电偶在两接点温度t、t0 时的热电动势等于该热电偶在接点温度为t、tn和tn、t0时的相应热电动势的代数和。2022-3-1620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BBA T2 T1 T3 AAB EAB（T1, T3）=EAB（T1, T2）+EAB（T2, T3）2022-3-1621EAB（T1,T3）=EAB（T1, 0）+EA B（0, T3） =EAB（T1, 0）-EA

12、B（T3, 0）=EAB（T1）-EAB（T3） ABT1T2T2ABT0T0热电偶补偿导线接线图E对于冷端温度不是零度时，热电偶如何分度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。如当表的问题提供了依据。如当T2=0时，则：时，则：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2022-3-1622热电偶材料应满足：l 物理性能稳定，热电特

13、性不随时间改变；l 化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐蚀；l 热电势高，导电率高，且电阻温度系数小；l 便于制造；l 复现性好，便于成批生产。5.2 热电偶的常用材料与结构热电偶的常用材料与结构2022-3-1623热电偶型号命名示例图热电偶型号命名示例图 热电偶型号命名方法热电偶型号命名方法2022-3-1624目前工业上常用的有四种标准化热电偶目前工业上常用的有四种标准化热电偶1.1.铂铑铂铑1010- -铂铂(S(S型）型）2.2.镍铬镍铬- -考铜考铜(E(E型型) )3.3.镍铬镍铬- -镍铝镍铝(K(K型型) )4.4.铂铑铂铑3030- -铂铑铂铑6 6（B B型）型）

14、2022-3-1625 1铂铂铑热电偶(S型) 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。一、热电偶常用材料一、热电偶常用材料2022-3-1626特点特点：n 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。n 测量温度较高，一般用来测量1000以上高温。n 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。n 材料属贵金属，成本较高。n 热电势较弱。 2022-3-1627 2镍铬镍硅(镍铝)热电偶(K型) 工业用热电

15、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。2022-3-1628特点特点：u 价格比较便宜，在工业上广泛应用。u 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。u 复现性好，热电势大。2022-3-16293镍铬考铜热电偶(E型) 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。20

16、22-3-1630特点特点：l 价格比较便宜，工业上广泛应用。l 在常用热电偶中它产生的热电势最大。l 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。2022-3-16314铂铑30铂铑6热电偶(B型) 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。2022-3-1632特点特点：l 材料性能稳定，测量精度高。l 还原性气体中易被侵蚀。l 低温热电势极小，冷端温度在50以下可不加补偿。l 成本高。2022-3-1633 二、二、 热电偶结构热电偶结构 普通工业装配式热电偶作为测量

17、温度的变送器，通常和显示仪表、记录仪表和电子调节器配套使用。它可以直接测量各种生产过程中从01800范围的液体、蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。热电偶通常由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等几个主要部分组成，其常见外形结构如图所示。实验室用时，也可不装保护套管，以减小热惯性。 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12342022-3-1634接线盒接线盒热电极热电极热端热端绝缘管绝缘管保护管保护管2022-3-1635常见普通工业装配式热电偶的外形结构 2022-3-1636常见铠装型工业装配式热电偶的外形结构 2022-3-1637(1)热电极 又称偶丝，它是热电偶的

18、基本组成部分。普通金属做成的偶丝，其直径一般为0.53.2mm，贵重金属做成的偶丝，直径一般为0.30.6mm。偶丝的长度则由使用情况、安装条件，特别是工作端在被测介质中插入的深度来决定，通常为3002000mm，常用的长度为350mm。 (2)绝缘管 又称绝缘子，是用于热电极之间及热电极与保护套管之间进行绝缘保护的零件。形状一般为圆形或椭圆形，中间开有二个、四个或六个孔。偶丝穿孔而过。材料为粘土质、高铝质、刚玉质等，材料选用视使用的热电偶而定。在室温下，绝缘管的绝缘电阻应在5M以上。2022-3-1638 (3)保护套管 是用来保护热电偶感温元件免受被测介质化学腐蚀和机械损伤的装置。保护套管

19、应具有耐高温、耐腐蚀的性能，要求导热性能好，气密性好。其材料有金属、非金属以及金属陶瓷三大类。金属材料有铝、黄铜、碳钢、不锈钢等，其中lCrl8Ni9Ti不锈钢是目前热电偶保护套管使用的典型材料。非金属材料有高铝质(85%90%Al2O3)、刚玉质(99Al2O3)，使用温度都在1300以上。金属陶瓷材料如氧化镁加金属钼，这种材料使用温度在1700，且在高温下有很好的抗氧化能力，适用于钢水温度的连续测量。形状一般为圆柱形。2022-3-1639 (4)接线盒 是用来固定接线座和作为连接补偿导线的装置。根据被测量温度的对象及现场环境条件，设计有普通式、防溅式、防水式和接插座式等四种结构形式。普通

20、式接线盒无盖，仅由盒体构成，其接线座用螺钉固定在盒体上，适用于环境条件良好、无腐蚀性气体的现场。防溅式、防水式接线盒有盖，且盖与盒体是由密封圈压紧密封，适用于雨水能溅到的现场或露天设备现场。插座式接线盒结构简单、安装所占空间小，接线方便，适用于需要快速拆卸的环境。2022-3-1640 热电偶补偿导线冷端处理及补偿热电偶补偿导线冷端处理及补偿 原因原因 热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差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单值函数，必须使冷端必须使冷端温度保持恒定温度保持恒定；EAB(T,T0)=EAB(T )-EAB(T0 )=f (T )-C=g (T )

21、热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度热电势是以冷端温度0为依据，否则会产生误差。2022-3-1641 方法方法u 补偿导线法补偿导线法u 计算修正法计算修正法u 水浴法（冰点槽法）水浴法（冰点槽法）u 补偿电桥法补偿电桥法u 软件处理法软件处理法42热电偶由于受到材料价格的限制不可能做得很长，而要使其冷端不受测温对象的温度影响冷端不受测温对象的温度影响，必须使冷端远离温度对冷端远离温度对象象，采用补偿导线就可以做到这一点。所谓补偿导线，实际上是一对材料化学成分不同的导线，在0150温度范围内与配接的热电偶有一致的热电特性，但价格相对要便宜。若我们利用补偿导线，将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场

22、所(如仪表室)，其实质是相当于将热电极延长实质是相当于将热电极延长。根据中间温度定律中间温度定律，只要热电偶和补偿导线的二个接点温度一致，是不会影响热电动势输出的。2022-3-1643 采用镍铬-镍硅热电偶测量炉温。热端温度为800，冷端温度为50。为了进行炉温的调节及显示，必须将热电偶产生的热电动势信号送到仪表室，仪表室的环境温度恒为20。 首先由镍铬-镍硅热电偶分度表查出它在冷端温度为0，热端温度为800时的热电动势为E(800，0)33.275mV；热端温度为50时的热电动势为E(50，0)2.023mV；热端温度为20时的热电动势为E(20，0)=0.798mV。 2022-3-16

23、44 如果热电偶与仪表之间直接用铜导线连接，根据中间导体定律，输入仪表的热电动势为： E(800,50) = E(800,0)-E(50,0) = (33.277-2.022)mV = 31.255 mV (相当于751) 2022-3-1645 如果热电偶与仪表之间用补偿导线连接，相当于将热电偶延伸到仪表室，输入仪表的热电动势为： E(800,20) = E(800,0)-E(20,0) =(33.277-0.798)mV=32.479mV(相当于781)。 与炉内的真实温度相差分别为：751-800=-49781-800=-19 可见，补偿导线的作用是很明显补偿导线的作用是很明显的。46分

24、度号补偿导线100C时的热电势/mV代号正极负极材料颜色材料颜色SSC铜红镍铜绿0.647KKC铜红康铜蓝4.10KKX镍铬红镍硅黑EEX镍铬红康铜棕6.319JJX铁红康铜紫5.264TTX铜红康铜白4.2792022-3-16472022-3-16482 2、计算修正法、计算修正法00,0,0ABABABEtEt tEt0,0ABABEt tEt00t 2022-3-1649 上述方法解决了一个问题，即设法使热电偶的冷端温度恒定。但是，冷端温度并非一定为0，所以测出的热电动势还是不能正确反映热端的实际温度。为此，必须对温度进行修正。修正公式如下 式中，EAB(t，t0)为热电偶热端温度为t

25、，冷端温度为0时的热电动势；EAB(t，t1)为热电偶热端温度为t，冷端温度为t1时的热电动势；EAB(t1，t0)为热电偶热端温度为t1，冷端温度为0时的热电动势。 )t ,(tE)t(t,E)t(t,E01AB1AB0AB50 式中，EAB(t,t0)为热电偶热端温度为t，冷端温度为0时的热电动势；EAB(t,t1)为热电偶热端温度为t,冷端温度为t1时的热电动势；EAB(t1,t0)为热电偶热端温度为t1,冷端温度为0时的热电动势。 例如,用镍铬-镍硅热电偶测炉温,当冷端温度为30(且为恒定时),测出热端温度为t时的热电动势为39.17mV,求炉子的真实温度。 由镍铬-镍硅热电偶分度表查

26、出E(30,0)=1.203mV根据上式计算出,再通过分度表查出其对应的实际温度为:t=9772022-3-16513、冷端恒温法 A、0恒温器 将热电偶的冷端置于温度为0的恒温器内(如冰水混合物)，使冷端温度处于0。这种装置通常用于实验室或精密的温度测量。 B、其他恒温器 将热电偶的冷端置于各种恒温器内，使之保持温度恒定，避免由于环境温度的波动而引入误差。这类恒温器可以是盛有变压器油的容器，利用变压器油的热惰性恒温；也可以是电加热的恒温器。这类恒温器的温度不为0，故最后还需对热电偶进行冷端温度修正。2022-3-165253 4 4、补偿电桥法、补偿电桥法 补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压作为补偿信号, 来自动补偿热电偶测量过程中因参考端温度不为0或变化而引起热电势的变化值。补偿原理补偿原理：将带有铜热电阻的补偿电桥与被补偿的热电偶串联，铜与热电偶的冷端置于同一温度场