热电偶传感器及其应用

第5章热电偶传感器及其应用

本章学习的主要内容有:1、理解热电偶的工作原理；热电偶的分类及特点；

2、热电偶的冷端补偿和测温电路。

3、热电偶的应用及配套仪表。1/12/20231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。热电偶传感器是一种能将温度转换为电动势的装置。1/12/20232先看一个实验——热电偶工作原理演示：结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。热电极A§5.1

热电偶的工作原理热电极B热电势AB1/12/20233从实验到理论：热电效应

1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在回路中的指针发生偏转（说明什么？），如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指针的偏转角反而减小（又说明什么？）。显然，指针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。

1/12/20234一、工作原理1．热电效应

将两种不同材料的导体串接成一个闭合回路。如果两接合点的温度不同(T≠T0)，则在两者间将产生电动势(热电势)，而在回路中就会有一定大小的电流，这种现象称为热电效应或塞贝克效应。1/12/20235两种不同材料的导体组成的回路称为“热电偶”，组成热电偶的导体称为“热电极”。热电偶产生的电势称为热电势。左端称为：测量端、工作端、热端。

右端称为：自由端、参考端、冷端。

热电极A热电极B1/12/20236理论分析表明：热电偶产生的热电动势是由两种导体的接触电动势和单一导体温差电动势两部分组成。1/12/20237

不同的金属材料其自由电子的密度不同。设导体A、B的自由电子密度为nA、nB，若nA﹥nB由于两种不同导体的自由电子密度不同，在接触处会发生自由电子的扩散形成的电动势。2．接触电动势导体A因失去电子而带正电导体B则因获得电子而带负电接触面处形成电场1/12/20238

该电场的存在阻碍了电子的继续扩散，当电子扩散达到动态平衡时，就在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电动势，其大小为：

T——接触处的绝对温度；

k——波尔兹曼常数（k=1.38×10-23J/K）

e——电子电荷（e=1.6×10-19C）接触电动势的数值取决于两种导体的性质和接触点的温度，而与导体的形状及尺寸无关。1/12/20239高温端的自由电子具有较大的动能而向低温端扩散。在同一导体中，由于温度不同而产生的一种电动势。3．同一导体中的温差电动势高温端因失去电子而带正电低温端因获得电子而带负电中间形成电位差1/12/202310

上述运动就形成一个静电场，该静电场阻止电子继续向低温端迁移，最后达到动态平衡。因此,在导体两端便形成温差电动势,其大小由下面公式给出：：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。1/12/202311热电偶回路中总的热电势应是接触电动势与温差电动势之和：接触电动势温差电动势1/12/202312

在总热电势中,温差电势比接触电势小很多,在精度要求不高的情况下,热电偶的热电势可近似表示为：ＥAB(T,T0)≈eAB(T)-eAB(T0)

对于已选定的热电偶,当参考端温度T0恒定时,eAB(T0)为常数,则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系,即：

ＥAB(T,T0)=eAB(T)-C=f(T)实际应用中,热电势与温度之间关系是通过热电偶分度表来确定的。分度表是在参考端温度为0℃时,通过实验建立起来的热电势与工作端温度之间的数值对应关系。1/12/202313热电偶回路的几点结论：①如果构成热电偶的两个热电极为材料相同的均质导体，则无论两结点温度如何，热电偶回路内的总热电势为零。必须采用两种不同的材料作为热电极。②如果热电偶两结点温度相等，热电偶回路内的总电势亦为零。两结点温度不同。③热电偶AB的热电势与A、B材料的中间温度无关，只与结点温度有关。④起主要作用的是两个结点的接触电动势。1/12/202314热电偶测温的主要优点

1、它属于自发电型传感器：测量时可以不需外加电源，可直接驱动动圈式仪表；

2、测温范围广：下限可达-270C，上限可达1800C以上；

1/12/202315二、热电偶定律1．中间导体定律

在热电偶回路中接入第三种材料的导线，只要这第三种材料的导体两端温度相同，第三种材料导线的引入不会影响热电偶的热电动势，这一性质称为中间导体定律。1/12/202316EABC(T,T0)=eAB(T)+eBC(T0)+eCA(T0)=eAB(T)-eAB(T0)=EAB(T,T0)eAB(T)eBC(T0)eCA(T0)1/12/202317

在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要第三种导体两端的温度相等，则对热电偶回路总的热电动势无影响。

利用热电偶进行测温,必须在回路中引入连接导线和仪表。请问：接入导线和仪表后会不会影响回路中的热电势呢？CmVABt1t2t21/12/2023182．中间温度定律热电偶在结点温度为T、T0时的热电动势等于该热电偶在（T,Tn）与（Tn,T0）时的热电动势之和，这就是中间温度定律。Tn称为中间温度。用下式表示：或：

EAB（t,t0）=EAB(t,tn)+EAB(tn,t0)

结点采用摄氏温度表示：t=T-273K1/12/202319中间温度定律的实用价值：1）自由端温度不为0℃时，可通过上式及分度表求得工作端温度。2）热电偶补偿导线的使用。采用补偿导线，可将热电偶的自由端延伸到远离高温区的地方，从而使自由端的温度相对稳定。注意两根补偿导线与热电偶两个热电极的接点必须具有相同的温度。补偿导线只能与相应型号的热电偶配用

(表5-1)。1/12/2023203．参考电极定律（标准电极定律）

当结点温度为t,t0时，用导体A,B组成的热电偶的热电动势等于AC热电偶和CB热电偶的热电动势的代数和。在实际应用中，由于纯铂丝的物理化学性能稳定、熔点高、易提纯，所以目前常用纯铂丝作为标准电极

(C极)。参考电极1/12/202321

参考电极的实用价值：它可大大简化热电偶的选配工作。实际测温中，只要获得有关热电极与参考电极配对时的热电势值，那么任何两种热电极配对时的热电势均可按公式而无需再逐个去测定。1/12/202322例：已知铂铑30—铂的E(1084.5℃,0℃)=13.937mV，铂铑6—铂的E(1084.5℃,0℃)=8.354mV,

求:铂铑30—铂铑6在同样温度条件下的热电动势。解：设A为铂铑30电极，B为铂铑6电极，C为铂电极。已知:t=1084.5℃,t0=0℃根据参考电极定律：即：EAB(1084.5℃,0℃)=EAC(1084.5℃,0℃)-EBC(1084.5℃,0℃)=13.937mV-8.354mV=5.583mV1/12/202323休息一下1/12/202324工程上用于热电偶的材料应满足以下条件:1)热电势变化尽量大;2)热电势与温度关系尽量接近线性关系;3)物理、化学性能稳定;4)易加工,复现性好,便于成批生产。实际上并非所有材料都能满足上述要求。目前在国际上被公认比较好的热电材料只有几种。§5.2热电偶的种类和结构1/12/202325目前工业上常用的有四种标准化热电偶1.铂铑10－铂热电偶（S）2.镍铬－镍硅热电偶（K）3.镍铬－考铜热电偶（E）4.铂铑30－铂铑6热电偶（B）一、常用热电偶简介1/12/2023261.铂铑10－铂热电偶（S）

可在1300℃以下的范围内长期使用，短期可测量1600℃的高温。优点：复制精度和测量的准确性高，可用于精密温度测量或作为基准热电偶。缺点：热电动势较弱，在高温时易受还原性气体腐蚀。而且铂铑10－铂热电偶的材料属于贵金属，成本较高。1/12/2023272.镍铬－镍硅（镍铝）热电偶（K）

可在氧化性或中性介质中长时间地测量900℃以下的温度，短期测量可达1200℃。优点：复制性好，热电势较大，价格便宜。缺点：在还原性介质中易受腐蚀，测量精度偏低。1/12/2023283.镍铬－考铜热电偶（E）适用于还原性或中性介质，长期测量温度不超过600℃以下的温度，短期测量可达800℃。优点：热电灵敏度高，价格便宜。缺点：测温范围窄而低，考铜合金丝易受氧化而变质。1/12/2023294.铂铑30－铂铑6热电偶（B）可长期测量1600℃的高温，短期可测量1800℃的高温。优点：性能稳定，精度高，适用于氧化性和中性介质中使用。缺点：它产生的热电势小，价格高。1/12/202330铂铑10—铂热电偶1300℃

镍铬—镍硅（镍铬—镍铝）热电偶900℃

镍铬—考铜热电偶600℃

铂铑30—铂铑6热电偶1600℃

常用的镍铬一镍硅（K）热电偶的分度表（课本197页附录D）。(热电偶的热电动势与温度的对照表)几种常见标准热电偶的温度与电动势特性曲线1/12/202331

八种国际通用热电偶：

B:铂铑30—铂铑6

、R:铂铑13—铂、

S:铂铑10—铂；

K:镍铬—镍硅、N:镍铬硅—镍硅；

E:镍铬—铜镍、

J:铁—铜镍；

T:铜—铜镍。用于制造铂热电偶的各种铂热电偶丝1/12/202332几种常用热电偶的测温范围及热电势

分度号

名称

测量温度范围

1000C热电势/mVB铂铑30－铂铑650～1820C4.834R铂铑13—铂-50～1768C10.506S铂铑10—铂-50～1768C9.587K镍铬－镍铬

(铝)-270～1370C41.276E镍铬－铜镍(考铜)－270～800C——?5种热电偶的测温范围与热电势各有什么特点？1/12/202333几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线分析

哪几种热电偶的测温上限较高？

结论：

哪一种热电偶的灵敏度较高？

哪一种热电偶的灵敏度较低？为什么所有的曲线均过原点（零度点）？1/12/202334二、热电偶的结构工程上实际使用的热电偶大多是由热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒等部分组成。热电极绝缘套管保护套管接线盒1/12/202335１、热电极

热电偶常以热电极材料种类来命名。２、绝缘套管

用来防止两根热电极短路。常用陶瓷、石英等作绝缘材料。３、保护管

使热电极与被测介质隔离，使之免受化学侵蚀或机械损伤。要求经久耐用与传热良好。４、接线盒

供连接热电偶和测量仪表之用。1/12/202336三、热电偶的种类

为了适应不同生产对象的测温要求和条件,热电偶的结构形式有普通型热电偶

铠装型热电偶

薄膜热电偶等

1/12/202337１、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。1/12/202338普通装配型热电偶的外形安装螺纹安装法兰1/12/202339普通装配型热电偶的结构图

接线盒引出线套管

固定螺纹

（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）

不锈钢保护管

1/12/202340２、铠装热电偶

铠装热电偶又称套管热电偶。是由金属保护套管、绝缘材料和热电极三者组合成一体的特殊结构的热电偶。1/12/202341铠装型热电偶外形法兰铠装型热电偶可长达上百米薄壁金属保护套管（铠体）

BA绝缘材料铠装型热电偶横截面1/12/202342

铠装热电偶的制造工艺：

把热电极材料与高温绝缘材料预置在金属保护管中、运用同比例压缩延伸工艺、将这三者合为一体，制成各种直径、规格的铠装偶体，再截取适当长度、将工作端焊接密封、配置接线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。

1/12/202343

铠装热电偶特点：内部的热电偶丝与外界空气隔绝，有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力冲击的特性；测温端热容量小，动态响应快。铠装热电偶可以制作得很细，能解决微小、狭窄场合的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。1/12/202344３、薄膜热电偶薄膜热电偶是由两种薄膜热电极材料,用真空蒸镀、化学凃层等办法蒸镀到绝缘基板上面制成的一种特殊热电偶，测量端既小又薄，具有热容量小，反应速度快等的特点。1/12/2023451/12/2023464、表面热电偶

主要用于现场流动的测量。探头有各种形状，以适应不同物体表面测温用。测温范围有0—250℃和0—600℃。1/12/2023471/12/2023481/12/2023495、防爆热电偶

结构特点：防爆热电偶的接线盒在设计时采用防爆的特殊结构，它的接线盒是经过压铸而成的，有一定的厚度、隔爆空间，机构强度较高；采用螺纹隔爆接合面，并采用密封圈进行密封，因此，当接线盒内一旦放弧时，不会与外界环境的危险气体传爆，能达到预期的防爆、隔爆效果。1/12/202350使用场合：

工业用的隔爆型热电偶多用于化学工业自控系统中（由于在化工生产厂、生产现场常伴有各种易燃、易爆等化学气体或蒸汽，如果用普通热电偶则非常不安全、很容易引起环境气体爆炸）。1/12/2023511/12/202352隔爆型热电偶外形厚壁保护管压铸的接线盒电缆线1/12/202353其他热电偶外形小形K型热电偶1/12/202354休息一下1/12/202355§5.3热电偶的冷端补偿和测温电路

热电偶冷端补偿的必要性：用热电偶的分度表查毫伏数-温度时，必须满足t0=0C的条件。在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化，这样t0不但不是0C，而且也不恒定，因此将产生误差。

一般情况下，冷端温度均高于0C，热电势总是偏小。应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失。一、热电偶的冷端补偿1/12/202356热电偶的冷端补偿的方法1、冷端恒温法：使参考端（冷端）温度处于0C

或某一恒定温度。（1）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，使冷端的温度保持在0C不变。此法称冰浴法，它消除了t0不等于0C而引入的误差，由于冰融化较快，所以一般只适用于实验室和校验热电偶的装置中。1/12/202357冰浴法

在冰瓶中的冰水混合物，温度保持在0C不变。1/12/202358（2）将冷端置入盛油的容器内,利用油的热惰性使节点温度保持一致并接近室温。（3）将冷端置入充满绝缘物的铁管中,把铁管埋在1.5-2m或更深的地下，以保持恒温。（4）将冷端置于恒温器中,恒温器可自动控制温度恒定。1/12/2023592、冷端温度校正法：即是通过计算来补正。

当热电偶的冷端温度t00C时，由于热端与冷端的温差随冷端的变化而变化，所以测得的热电势EAB（t，t0）与冷端为0C时所测得的热电势EAB（t，0C）不等。若冷端温度高于0C，则EAB（t，t0）<EAB（t，0C）。根据热电偶的中间温度定律，可以利用下式计算并修正测量误差：

EAB（t，0C）=EAB（t，t0）+EAB（t0，0C）1/12/2023603、补偿导线法

补偿导线：

是指在一定的温度范围内（0～100C），其热电性能与相应热电偶的热电性能相同的廉价导线。

其作用是把热电偶参考端移至离热源较远及环境温度较恒定的地方。

1/12/202361测温时，热电偶长度受一定限制，使得冷端温度直接受到被测介质温度和周围环境温度的影响，难以处于0C，而且不稳定。根据中间温度定律，

EAB（t，t0）=EAB（t，tn）+EAB（tn，t0）当热电极A、B与补偿导线A，、B，相连接后由于EA,B,（tn

，t0）=EAB（tn，t0）仍然可以看作仅由热电极A、B组成的回路。

1/12/202362补偿导线在0～100C范围内的热电势与配套的热电偶的热电势相等，所以不影响测量精度。采用相对廉价的补偿导线，可延长热电偶的冷端，使之远离高温区；可节约大量贵金属；易弯曲，便于敷设。

注意：补偿导线只起延长热电极的作用，并不能消除冷端温度不为0C时的影响，因此还应该用补正方法将其补正到0C。1/12/202363补偿导线外形

AB屏蔽层保护层1/12/202364４、电桥补偿法

利用不平衡电桥产生的不平衡电压，来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电动势的变化值。可购买与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥。

电桥通常取在20℃时处于平衡状态，此时桥路输出电压Uab=0，电桥无补偿作用。1/12/202365若环境温度升高冷端温度升高热电偶的热电势ＥＸ降低

ＲＣu的阻值增大电桥失去平衡桥路有电压Uab输出1/12/202366

Uab上升与ＥX下降迭加，使ＵAB几乎保持不变，实现了温度补偿的作用。但Uab无法始终跟踪ＥX的变化，所以冷端补偿只能在一定范围内起温度补偿作用。用于电桥补偿的装置称为热电偶冷端补偿器。

所谓冷端温度补偿器（一个不平衡电桥），实质上就是一个产生直流信号的毫伏发生器，将它串接在热电偶的测量线路中，就可以在测量时使读数得到自动补偿。1/12/202367

XT-WBC热电偶冷端补偿器可购买与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥。

1/12/202368补充介绍一种新型温度传感器PN结温度传感器：

PN结温度传感器是利用半导体硅材料的PN结其正向导通电压与温度变化呈线性关系的原理，将感受到的温度信号转换成电压输出的感温元件。

PN结温度传感器具有体积小、线性度好、灵敏度高、反应速度快、无需冷端补偿等优点。兼有热电偶、铂电阻及热敏电阻的主要优点，又在一定程度上克服了它们各自固有的缺点，赢得了“科学的眼睛”、“理想的感温元件”的美誉。1/12/202369DA型线性PN结温度传感器1/12/202370几种温度传感器的比较

在温度测量与控制系统中热电偶﹑铂电阻﹑热敏电阻用得较多，PN结温度传感器是近期新产品。它们的各自特性如下：1．热电偶——测温范围宽，重复性好，但灵敏度低，需要线性补偿，参考温场与补偿导线。2．铂电阻——稳定性好，灵敏度较高，测温范围宽，但需要线性补偿，体积较大，热惯性大，价格较贵。1/12/2023713．热敏电阻——体积小，灵敏度高，价格低，但线性度很差，互换性也差。4．PN结温度传感器——它克服了热电偶﹑铂电阻﹑热敏电阻某些固有缺陷而又兼有热电偶﹑铂电阻﹑热敏电阻的各自优点，它灵敏度比热电偶K分度高出50倍，线性度优于热敏电阻30倍，响应速度比一般铂电阻快20倍以上。是常温区内较为理想的感温器件。总之各种温度传感器有着各自的不同特性和用途，要根据实际需要选用。1/12/202372二、热电偶的测温电路a）所示为一个热电偶和一个仪表配用的基本电路

b）图所示为测量两点温度之和的电路c）图所示为测量两点间温度差的电路，两支同型号的热电偶反向串联1．基本测温电路

1/12/202373测量两点间平均温度的电路，两支同型号的热电偶并联

图中串入较大阻值的电阻R1、R2以减小热电偶内阻的影响

输入到仪表两端的热电动势为两个热电偶输