第六章热电偶传感器

1、2022-6-81第六章热电偶传感器及应用热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器。它构造简单，使用方便，具有较高的准确度、稳定性及复现性，温度测量范围宽，在温度测量中占有重要的地位。2主要内容 6.1热电偶工作原理和结构形式 6.2热电偶实用测温线路和温度补偿 6.3热电偶温度传感器的应用36.1热电偶工作原理和结构形式 6.1.1 工作原理 1热电效应 将两种不同成分的导体组成一个闭合回路，当闭合回路的两个结点分别置于不同的温度场中时，回路中将产生一个电势，这种现象称为“热电效应”。1.两种不同导体两种不同导体 2.接成闭合回路接成闭合回路 3.两个接点处温度不同两个接点处温度不同 热电效应热

2、电效应 回路中会产生回路中会产生热电动势热电动势。5热电偶回路原理 6热电势由两部分组成 两种导体组成的回路称为“热电偶”，这两种导体称为“热电极”，产生的电势则称为“热电势”，热电偶的两个结点，一个称为测量端（工作端或热端），另一个称为参考端（自由端或冷端）。 一部分是两种导体的接触电势，另一部分是单一导体的温差电势。7接触电势 当A和B两种不同材料的导体接触时，由于两者内部单位体积的自由电子数目不同（即电子密度不同），因此，电子在两个方向上扩散的速率就不一样。 。假设导体A的自由电子密度大于导体B的自由电子密度，则导体A扩散到导体B的电子数要比导体B扩散到导体A的电子数大。所以导体A失去电

3、子带正电荷，导体B得到电子带负电荷。于是，在A、B两导体的接触界面上便形成一个由A到B的电场 。6.1.26.1.2热电偶热电偶基本定律基本定律 1.1.均质导体定律均质导体定律：如果构成热电偶的两种材料相同，：如果构成热电偶的两种材料相同，不会产生热电动势。不会产生热电动势。 利用该定律，可以检查两种热电极材料是否相同，或利用该定律，可以检查两种热电极材料是否相同，或一种热电极材料是否均匀。一种热电极材料是否均匀。 2.2.中间导体定律中间导体定律：断开热电偶回路，接入第三种导体，：断开热电偶回路，接入第三种导体，只要两个新接入点等温，则回路总热电动势不变。只要两个新接入点等温，则回路总热电

4、动势不变。 该定律说明在冷端接入放大电路，不会影响结果。该定律说明在冷端接入放大电路，不会影响结果。 3.3.标准电极定律标准电极定律：如果已知两种导体分别对第三种导：如果已知两种导体分别对第三种导体的热电动势，则前两种导体之间的热电动势可求。体的热电动势，则前两种导体之间的热电动势可求。 ),(),(),(000ttEttEttEBCACAB 4.4.中间温度定律中间温度定律： 如热电偶在两端接点温度如热电偶在两端接点温度t t、t t0 0时的热电动势为时的热电动势为 在两端接点温度在两端接点温度t t、t tn n时的热电动势为时的热电动势为 在两端接点温度在两端接点温度t tn n、t

5、 t0 0时的热电动势为时的热电动势为 ),(0ttEAB),(nABttE),(0ttEnAB),(),(),(00ttEttEttEnnAB则：则： 根据该定律，热电偶本身的导线如果不够长，可根据该定律，热电偶本身的导线如果不够长，可以用同样性质（同样热电特性）的补偿导线加以延长。以用同样性质（同样热电特性）的补偿导线加以延长。延长后的热电动势与延长线的中间温度无关，只与延延长后的热电动势与延长线的中间温度无关，只与延长后的两端温度有关。长后的两端温度有关。6.1.36.1.3 热电偶结构形式及材料热电偶结构形式及材料 对制成热电偶的材料对制成热电偶的材料的要求：的要求： （1 1）温度测

6、量范围广，温度线性度好，测量精确度高，）温度测量范围广，温度线性度好，测量精确度高，输出热电动势大。输出热电动势大。 （2 2）热电性能稳定。）热电性能稳定。 （3 3）物理化学性能好。不蒸发、抗氧化等。）物理化学性能好。不蒸发、抗氧化等。 我国标准热电偶我国标准热电偶有六种：有六种： 铜铜- -康铜康铜 镍铬镍铬- -考铜考铜 镍铬镍铬- -镍硅镍硅 镍铬镍铬- -镍铝镍铝 铂铑铂铑10-10-铂铂 铂铑铂铑30-30-铂铑铂铑6 6 非标准热电偶非标准热电偶： 铂铑铂铑13-13-铂铂 铂铑铂铑- -铱铱 等等 发展中产品发展中产品： 镍铬镍铬- -康铜康铜 铁铁- -康铜康铜 一、一、热

7、电偶材料热电偶材料 1.1.普通工业热电偶的结构普通工业热电偶的结构 （1 1）热电极）热电极 （2 2）绝缘管）绝缘管 （3 3）保护套管）保护套管 (4) (4) 接线盒接线盒 二、二、热电偶结构热电偶结构2.2.铠装热电偶的结构铠装热电偶的结构（1 1）露端型）露端型（2 2）接壳型）接壳型（3 3）绝缘型）绝缘型 (4) (4) 圆变截面型圆变截面型 (5) (5) 扁变截面型扁变截面型热电极热电极绝缘管绝缘管保护套管保护套管接线盒接线盒121普通型热电偶 普通型结构热电偶工业上使用最多，它一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成。 普通型热电偶按其安装时的连接形式可分为固定螺纹连接

8、、固定法兰连接、活动法兰连接、无固定装置等多种形式。普通型热电偶结构图 13普通装配型普通装配型热电偶的热电偶的外形外形安装安装螺纹螺纹安装安装法兰法兰14普通普通装配型装配型热电偶的热电偶的结构结构放大图放大图 接线盒引出线套管引出线套管 固定螺纹固定螺纹 （出厂时用塑料包裹）（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）热电偶工作端（热端） 不锈钢不锈钢保护管保护管 152铠装型热电偶 铠装型热电偶又称套管热电偶。它是由热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体 . 它可以做得很细很长，使用中随需要能任意弯曲。铠装型热电偶的主要优点是测温端热容量小，动态响应快，机械强度高，挠性好

9、，可安装在结构复杂的装置上，因此被广泛用在许多工业部门中。 16铠装型热电偶结构 1接线盒 2金属套管 3固定装置 4绝缘材料 5热电极17铠装型热电偶外形铠装型热电偶外形法兰铠装型热电偶可铠装型热电偶可 长达上百米长达上百米薄壁金属薄壁金属 保护套管保护套管（铠体）（铠体） BA绝缘绝缘 材料材料铠装型热电偶铠装型热电偶横截面横截面183薄膜热电偶 用真空蒸镀（或真空溅射）、化学涂层等工艺，将热电极材料沉积在绝缘基板上形成的一层金属薄膜。热电偶测量端既小又薄（厚度可达0.010.1m），因而热惯性小，反应快，可用于测量瞬变的表面温度和微小面积上的温度。 其结构有片状、针状和把热电极材料直接蒸

10、镀在被测表面上等3种。所用的电极类型有铁-康铜、铁镍、铜-康铜、镍铬-镍硅等。测温范围为200300。 19铁-镍薄膜热电偶结构 1测量接点 2铁膜 3铁丝 4镍丝5接头夹具 6镍膜 7衬架204表面热电偶 表面热电偶是用来测量各种状态的固体表面温度的，如测量轧辊、金属块、炉壁、橡胶筒和涡轮叶片等表面温度。 此外还有测量气流温度的热电偶、浸入式热电偶等。216.2热电偶实用测温线路和温度补偿 1测量某点温度的基本电路 2测量温度之和热电偶串联测量线路 3测量平均温度热电偶并联测量线路 4测量两点之间的温度差 6.2.1 热电偶实用测温线路热电偶实用测温线路 221测量某点温度的基本电路 基本测

11、量电路包括热电偶、补偿导线、冷端补偿器、连接用铜线、动圈式显示仪表。 热电偶基本测量电路 232测量温度之和热电偶串联测量线路 将N支相同型号的热电偶正负极依次相联接 若N支热电偶的各热电势分别为E1、E2、E3、EN，则总电势为=E1+ E2+ E3+ EN= NE 串联线路的总热电势为E的N倍，所对应的温度可由t关系求得，也可根据平均热电势E在相应的分度表上查对。24热电偶串联测量线路 n串联线路的主要优点是热电势大，精度比串联线路的主要优点是热电势大，精度比单支高；主要缺点是只要有一支热电偶断开，单支高；主要缺点是只要有一支热电偶断开，整个线路就不能工作，个别短路会引起示值整个线路就不能

12、工作，个别短路会引起示值显著偏低。显著偏低。253测量平均温度热电偶并联测量线路 将N支相同型号热电偶的正负极分别连在一起，如图5-11所示。 如果N支热电偶的电阻值相等，则并联电路总热电势等于N支热电偶的平均值，即=（E1+E2+E3+EN）/N 26热电偶并联测量线路 274测量两点之间的温度差 实际工作中常需要测量两处的温差，可选用两种方法测温差，一种是两支热电偶分别测量两处的温度，然后求算温差；另一种是将两支同型号的热电偶反串联接，直接测量温差电势，然后求算温度。前一种测量较后一种测量精度差，对于要求精确的小温差测量，应采用后一种测量方法。286.2.2 热电偶的温度补偿 热电偶产生的

13、热电势与两端温度有关。只有将冷端的温度恒定，热电势才是热端温度的单值函数。由于热电偶分度表是以冷端温度为0时作出的，因此在使用时要正确反映热端温度，最好设法使冷端温度恒为0。 实际应用中，热电偶的冷端通常靠近被测对象，且受到周围环境温度的影响，其温度不是恒定不变的。 291冷端恒温法 （1）0恒温法 在实验室及精密测量中，通常把参考端放入装满冰水混合物的容器中，以便参考端温度保持0，这种方法又称冰浴法。 （2）其他恒温法 将热电偶的冷端置于各种恒温器内，使之保持恒定温度，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

14、恒温器的温度不为0，故最后还需对热电偶进行冷端修正。302补偿导线法 补偿导线的作用是将热电偶的冷端延长到温度相对稳定的地方。只有当冷端温度恒定时，产生的热电势才与热端温度成单值函数关系。 所谓补偿导线，实际上是一对材料化学成分不同的导线，在01 500温度范围内与配接的热电偶有一致的热电特性，价格相对要便宜。 31补偿导线连接示意图 32使用补偿导线必须注意以下几个问题。 （1）两根补偿导线与两个热电极的结点必须具有相同的温度。 （2）只能与相应型号的热电偶配用，而且必须满足工作范围。 （3）极性切勿接反，常用补偿导线负极的颜色均为白色。333计算修正法 两种方法解决了一个问题，即设法使热电

15、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。 AB0AB1AB0( ,)( , )( ,)Et tEt tEt t344电桥补偿法 计算修正法虽然很精确，但不适合连续测温，为此，有些仪表的测温线路中带有补偿电桥，利用不平衡电桥产生的电势补偿热电偶因冷端温度波动引起的热电势的变化。 35 电桥补偿电路 在桥路设计时，使R1=R2，并且R1、R2的阻值要比桥路中其他电阻大得多。这样，即使电桥中其他电阻的阻值发生变化，左右两桥臂中的电流却差不多保持不变，从而认为其具有恒流特性 366.3热电偶温度传感器的应用 工业现场利用热电偶测量炉温的误差分析 371工作原理 由毫伏定值器给出设定温度的相应毫伏值，如热电偶的热电势与定值器的输出值有偏差，则说明炉温偏离给定，此偏差经放大器送入调节器，再经过晶闸管触发器去推动晶闸管执行器，从而调整炉丝的加热功率，消除偏差，达到控温的目的。 常用炉温测量采用的热电偶测量系统图 382由热电偶