第十二章热电偶

1、热电偶热电偶热电偶是一种把温度转换为电势的传感器，它的基本工作原理是基于热电偶是一种把温度转换为电势的传感器，它的基本工作原理是基于“双金属温差热电势效应双金属温差热电势效应”。热电偶的工作原理热电偶的工作原理,ABNN1 1、两种导体的接触电势、两种导体的接触电势( (帕尔贴效应帕尔贴效应) )式中，式中，k k 波尔兹曼常数；波尔兹曼常数； e e 电子电荷，电子电荷， 材料材料A A、B B的自由电子浓度。的自由电子浓度。ABTBAABNNlnekT=)T(E热电偶的工作原理热电偶的工作原理BA00ABABNNln)T-T(ek=)T(E-)T(EABTT0热电偶的工作原理热电偶的工作原

2、理dT=)T,T(EATT0A02 2、单一导体的温差电势（汤姆逊效应、单一导体的温差电势（汤姆逊效应) )BA ,汤姆逊系数。汤姆逊系数。TT0A热电偶的工作原理热电偶的工作原理dT)- (=)T,T(E-)T,T(EBATT0B0A02 2、单一导体的温差电势、单一导体的温差电势TT0A热热电电势势合合成成BA00ABABNNln)T-T(ek=)T(E-)T(EdT)- (=)T,T(E-)T,T(EBATT0B0A000B0( )()( ,)-E ( ,)ABABAEETETET TT T因此，有热电势输出的必要条件是因此，有热电势输出的必要条件是（1 1）两种不同的导体；）两种不同的

3、导体；(2) (2) 两端温度不同。两端温度不同。ABTT0E3 3、中间导体定律、中间导体定律 NNlnekT)(T;ln)(CB00BCCAACENNekTTECBCABAABNNNNekTNNekTTE/lnln)(000CBCANNekTNNekTlnln00反之也成立：右图所示电路实际上反之也成立：右图所示电路实际上与第三导体与第三导体C C无关（前提：无关（前提：C C均匀，均匀，接头处于同一温度下。）接头处于同一温度下。）TABCT0T0 具有第三导体的热电偶回路具有第三导体的热电偶回路 4 热电偶的使用热电偶的使用使第三导体使第三导体C C与同一热电偶引线与同一热电偶引线A A

4、接触接触, ,可以看到若接头处于同一温度可以看到若接头处于同一温度下，则由下，则由C C引起的热电势在环路中总和为零。引起的热电势在环路中总和为零。A CB CUnintended JunctionsJunction Temperature TVA CB CUnintended JunctionsJunction Temperature TV热电偶的使用热电偶的使用 将热电偶参考端置于冰水混合的恒温容器中，此法自然能保证参考端将热电偶参考端置于冰水混合的恒温容器中，此法自然能保证参考端的温度为的温度为0 0o oC C ，但一般只适用于实验室中。但一般只适用于实验室中。处于同一温度下处于同一温

5、度下A CB A CJunction ABJunction ABIce BathV 热电偶的使用热电偶的使用使第三导体使第三导体C C与同一热电偶引线与同一热电偶引线A A接触接触, ,可以看到若接头处于同一温度可以看到若接头处于同一温度下，则由下，则由C C引起的热电势在环路中总和为零。引起的热电势在环路中总和为零。A CB A CJunction ABJunction ABIce BathVA CB A CJunction ABJunction ABHotV补偿计算法补偿计算法 若已知参考端温度为若已知参考端温度为TnT0=0TnT0=0时，此时热电偶测得的热电势为时，此时热电偶测得的热电

6、势为E(TE(T，Tn),Tn),显然与显然与E(T,T0)E(T,T0)不一样，两者之间的关系为：不一样，两者之间的关系为：式中式中, , 为实际测得的热电势，为实际测得的热电势， 可由热电偶分度表查得可由热电偶分度表查得 。 T TTTKTKTn n 式中式中 ：K K称为热电偶的修正系数，可由表中查得。称为热电偶的修正系数，可由表中查得。),(),(),(00TTETTETTEnABnABAB),(nABTTE),(0TTEnAB参考不为零时需要补偿参考不为零时需要补偿计算实例计算实例镍铬镍硅热电偶分度表镍铬镍硅热电偶分度表测量端测量端温度温度（）（）0 1 2 5 9热热 电电 势势

7、（mV）-40 -1.527 - 1.563 - 1.6 - 1.709 - 1.858- 30 - 1.156 - 1.193 - 1.281 - 1.49- 20 - 0.777 - 0.816 - 0.854 - 1.11820 0.798 0.838 0.879 1.00 1.1621000 41.269 41.308 41.347 41.463 41.617计算法，就是按下列公式计算：计算法，就是按下列公式计算：下面用一个例子说明：下面用一个例子说明：例：用镍铬镍硅热电偶测温，例：用镍铬镍硅热电偶测温，冷端温度，冷端温度，tn=25, 测得：测得：求求t？ 由分度表查得由分度表查得：

8、00( , )( , )( , )ABABnABnEt tEt tEt t(, )(,25) 40.347ABnABE t tE tmV所以所以 t1002( ,0)(25,0) 1AB nABE tEm V(,0)(,25)(25,0) 40.347 1.00 41.347ABABABE tE tEm V5、常用热电偶、常用热电偶1 1、高温热电偶、高温热电偶 钨铼钨铼5 5钨铼钨铼2020是一种高温热电偶，可测温度达是一种高温热电偶，可测温度达24502450o oC C，如如果安装在保护管内，绝缘性、气密性均满足要求，可测果安装在保护管内，绝缘性、气密性均满足要求，可测28002800o

9、 oC C的高温；铂铑的高温；铂铑3030铂铑铂铑6 6的热电偶可长期测的热电偶可长期测16001600o oC C的高温，短期可测的高温，短期可测18001800o oC C，此种热电偶性能此种热电偶性能稳定、精度高，但热电势小、价格昂贵；铂铑铂热电偶在稳定、精度高，但热电势小、价格昂贵；铂铑铂热电偶在13001300 o oC C以下可长以下可长期使用，短期测量可达期使用，短期测量可达16001600 o oC C，由于易得到高纯度的铂和铂铑，所以该热电由于易得到高纯度的铂和铂铑，所以该热电偶的复制精度和测量准确度较高，其主要缺点同样是热电势较小，价格较贵。偶的复制精度和测量准确度较高，其

10、主要缺点同样是热电势较小，价格较贵。2 2、中温热电偶、中温热电偶 镍铬镍硅热电偶，化学稳定性较高，可在氧化性或中性镍铬镍硅热电偶，化学稳定性较高，可在氧化性或中性介质中测温，长期测温在介质中测温，长期测温在100010000 0C C以下，短期可达以下，短期可达120012000 0C C；此种热电偶复制性好、此种热电偶复制性好、热电势大、线性好、价格便宜，虽然测量精度偏低，但在工业中常采用。热电势大、线性好、价格便宜，虽然测量精度偏低，但在工业中常采用。低温热电偶低温热电偶 镍铬考铜热电偶，长期测温范围在镍铬考铜热电偶，长期测温范围在 -200 -200o oC C600600o oC C

11、，热电势大、价热电势大、价格低，但考铜金属丝易氧化而变质；铜康铜测温范围为格低，但考铜金属丝易氧化而变质；铜康铜测温范围为 - 200 - 200o oC C 200200o oC C 。4.4.超低温热电偶超低温热电偶 铜铜锡铜铜锡0.0050.005 , ,测温范围测温范围-271-271o oC C -243 -243o oC C；镍铬铁金镍铬铁金0 0.03.03可测可测-200-200o oC C以下的温度，并在低温和超低温下有高的热电灵敏度，但温度过低时以下的温度，并在低温和超低温下有高的热电灵敏度，但温度过低时（低于（低于-210-210o oC C时）需考虑磁场的影响。时）需考

12、虑磁场的影响。 我国从我国从19881988年年1 1月月1 1日起，热电偶和热电阻全部按日起，热电偶和热电阻全部按IECIEC国际标准生产，国际标准生产，并指定并指定S S、 B B、E E、K K、R R、J J、T T七种标准化热电偶为我国统一设计型热七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。电偶。 标准化热电偶指已大量生产和使用，工艺稳定，性标准化热电偶指已大量生产和使用，工艺稳定，性能符合专业或国家标准，具有统一分度表的热电偶。能符合专业或国家标准，具有统一分度表的热电偶。8种标准化热电偶种标准化热电偶型号标志型号标志SRBKEJ T材材 料料-501768- 50176801820-

13、 2701372- 2701000- 2101200- 270400铂铑铂铑10铂铂铂铑铂铑13铂铂铂铑铂铑30铂铑铂铑6镍铬镍硅镍铬镍硅镍铬铜镍合金（康铜）镍铬铜镍合金（康铜）铁铜镍合金（康铜）铁铜镍合金（康铜）铜铜镍合金（康铜）铜铜镍合金（康铜）使用温度使用温度K-型型热电偶热电偶(chromel-alumel)K-型型热电偶热电偶(chromel-alumel)含根合金金属，即chromel: 90% Ni(镍)+10%Cr(铬)alumel: 95% Ni(镍)+2%Al(铝)+2%Mn(锰)+1%Si(矽)热电偶引线的美国标准热电偶引线的美国标准6、补偿导线、补偿导线由于热电偶的材料

14、一般都比较贵重（特别是采用贵金属时），而测温点由于热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，通常采用补偿导线把热电到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，通常采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的测量仪器附近。偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的测量仪器附近。热电偶补偿导线本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿热电偶补偿导线本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度作用。因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t00t00时对测温时对测温的影响。的影响。 在

15、使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过与热电偶连接端的温度不能超过100100。 补偿导线补偿导线表表92 补偿导线的分类型号与分度号补偿导线的分类型号与分度号补偿导线型号补偿导线型号 配用热电偶的分度号配用热电偶的分度号补补 偿偿 导导 线线 合合 金金 丝丝正正 极极负负 极极正正 极极负负 极极补偿导线颜色补偿导线颜色红红红红红红红红红红红红绿绿蓝蓝黑黑棕棕紫紫白白SNC （铜镍）铜镍）KNC（铜镍）铜镍）KNX（铜镍）铜镍）ENX （铜镍）铜镍）JNX （铜镍）铜镍）TNX

16、（铜镍）铜镍）SPC （铜）铜）KPC （铜）铜）KPX （镍铬）镍铬）EPX （镍铬）镍铬）JPX （铁）铁）TPX （铜）铜）SC KCKXEXJXTXS （铂铑铂铑10铂）铂）K （镍铬镍硅）镍铬镍硅）K （镍铬镍硅）镍铬镍硅）E （镍铬铜镍）镍铬铜镍）J （铁铜镍）铁铜镍）T （铜铜镍）铜铜镍）补偿导线补偿导线(延伸电极延伸电极)通过补偿导线，可以把冷端拉到离测温点更远的位置。原来的接点通过补偿导线，可以把冷端拉到离测温点更远的位置。原来的接点与新接点之间可以有一定的温差，对测量结果没有影响。这对远距与新接点之间可以有一定的温差，对测量结果没有影响。这对远距离、高温测量有很大的好处。离

17、、高温测量有很大的好处。补偿端远离了测温点补偿端远离了测温点AB热电偶热电偶 补偿导线补偿导线A7、 热电偶的非线性热电偶的非线性温度系数随温度的变化关系曲线温度系数随温度的变化关系曲线热电偶的非线性热电偶的非线性Typical temperature gradient for type K thermocouples热电偶的主要特点热电偶的主要特点1.1. 热电势很小，在几个到几十微伏每度数量级；热电势很小，在几个到几十微伏每度数量级；2.2. 制造容易，离散性容易控制；制造容易，离散性容易控制；3.3. 使用温度范围宽；使用温度范围宽；4.4. 皮实；皮实；5.5. 价格便宜价格便宜6.6

18、. 非线性大；非线性大；7.7. 需要冷端补偿需要冷端补偿8.8. 精度没有精度没有Pt100Pt100高。把所有因素考虑进去，热电偶的精度很少有高。把所有因素考虑进去，热电偶的精度很少有高于高于0.50.50 0C C的。一般热电偶的容许偏差达几度。的。一般热电偶的容许偏差达几度。 目前，热电偶在温度测量领域起主导作用，但也被热敏电阻和目前，热电偶在温度测量领域起主导作用，但也被热敏电阻和ICIC传感器夺去了部分市场。传感器夺去了部分市场。8、精密仪器中的热电偶效应、精密仪器中的热电偶效应在精密仪器中，热电偶效应是非常重要的一个需要考虑的内容。在精密仪器中，热电偶效应是非常重要的一个需要考虑

19、的内容。每度几十个微伏的热电势在有些情况下会带来很大的测量误差。每度几十个微伏的热电势在有些情况下会带来很大的测量误差。由于温度的变化一般是缓变的，因此可以用电容把这一直流变由于温度的变化一般是缓变的，因此可以用电容把这一直流变化的量给去除。当然，这里的前提是有用信号必须是快变的。化的量给去除。当然，这里的前提是有用信号必须是快变的。当有用信号也是慢变的时候，可以使用斩波的方法把它加载到当有用信号也是慢变的时候，可以使用斩波的方法把它加载到高频分量上，从而与温度的变化区分开来。高频分量上，从而与温度的变化区分开来。 集成温度传感器集成温度传感器 测温部分：测温部分：特点：当电流特点：当电流Ic

20、1、Ic2恒定，恒定，Ube T（线性）线性） 应用：集成测温、智能测温应用：集成测温、智能测温集成度高集成度高 - 测温环节测温环节 + 放大放大 + 恒流恒流 + 补偿补偿 + )ln(101cbeITekTUU)ln(202cbeITekTUU)ln(2121ccbebebeIIekTUUU9、集成温度传感器、集成温度传感器V1 V2Ic1Ic2UbeLM35CZ 电压输出的集成温度传感器电压输出的集成温度传感器典型：典型：AD590测测 温：温：-55150 灵敏度：灵敏度：1A/ K非线性：非线性：0.3 (F.S.)FEATURESFEATURESLinear current output: 1 A/K