ch8成都信息工程学院 传感器技术课件

第八章热电式传感器热电传感器热能电能测量：温度、与温度有关的参量——热电偶温度电势电阻金属半导体热电阻热敏电阻——PN结型温度传感器温差热电偶（简称热电偶）具有结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号便于远传或信号转换等优点.热电偶温度传感器★热电偶的工作原理★热电偶回路的性质★热电偶的常用材料与结构★冷端处理及补偿★热电偶的选择、安装使用和校验第七章8.3.1热电偶测温原理热电偶：两种不同的金属A和B构成闭合回路 当两个接触端T﹥T0时，回路中会产生热电势

热电势由两种材料的接触电势和单一材料的温差电势决定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T＞T0），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。热电偶原理图TT0AB回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即温差电势和接触电势。冷端热端1.接触电势接触电势原理图+ABTeAB(T)-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=1.6×10-19C；k——波尔兹曼常数，k=1.38×10-23J/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。第七章扩散扩散电场漂移2.温差电势δ——汤姆逊系数，它表示温度为1℃时所产生的电动势值，它与材料的性质有关。温差电势（汤姆逊电势）AeA(T,To)ToTeA(T，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；σA——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σ=2μV/℃。2.温差电势温差电势原理图第七章由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0,如果T＞T0，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.回路总电势第七章3.热电偶回路的总热电势热电极A和B为同一种材料时，NA=NB,δA=δB， 则EAB(T,T0)=0。若热电偶两端处于同一温度下，T=T0， 则EAB(T,T0)=0。热电势存在必须具备两个条件： 一、两种不同的金属材料组成热电偶， 二、它的两端存在温差。

热电势是T和T0的温度函数的差，而不是温度的函数。当T0=0℃时，f(T0)=0则有：E与T之间有唯一对应的单值函数关系，因此就可以用测量到的热电势E来得到对应的温度值T，热电偶热电势的大小，只是与导体A和B的材料有关，与冷热端的温度有关，与导体的粗细长短及两导体接触面积无关。总结结论(4点)：1、热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。2、只有用不同性质的导体(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。4、导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。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。3、只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材料性质不同时才能有热电势产生。对于有几种不同材料串联组成的闭合回路，接点温度分别为T1、T2、

…、Tn，冷端温度为零度的热电势。其热电势为

E=EAB（T1）+EBC（T2）+…+ENA（Tn）热电偶的分度表不同金属组成的热电偶，温度与热电动势之间有不同的函数关系，一般通过实验的方法来确定，并将不同温度下测得的结果列成表格，编制出热电势与温度的对照表，即分度表。供查阅使用，每10℃分档。中间值按内插法计算。S型(铂铑10-铂)热电偶分度表

在热电偶测温回路内，接入第三种导体时，只要第三种导体的两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响。1、中间导体定律应用：利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线和仪表，接入导线和仪表后不会影响回路中的热电势。

热电偶基本定律测量仪表及引线作为第三种导体的热电偶回路2、中间温度定律eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0)在热电偶测温回路中，tc为热电极上某一点的温度，热电偶AB在接点温度为t、t0时的热电势eAB(t,t0)等于热电偶AB在接点温度t、tc和tc、t0时的热电势eAB(t,tc)和eAB(tc,t0)的代数和，即中间温度定律中间温度定律的应用根据这个定律，可以连接与热电偶热电特性相近的导体A′和B，将热电偶冷端延伸到温度恒定的地方，这就为热电偶回路中应用补偿导线提供了理论依据。

该定律是参考端温度计算修正法的理论依据。在实际热电偶测温回路中,利用热电偶这一性质,可对参考端温度不为0℃的热电势进行修正。3、标准导体（电极）定律标准导体定律的意义通常选用高纯铂丝作标准电极只要测得它与各种金属组成的热电偶的热电动势，则各种金属间相互组合成热电偶的热电动势就可根据标准电极定律计算出来。若两种导体A、B分别与第三种导体C组成热电偶的热电势已知，则A、B组成的热电偶也已知。标准电极：铂例：已知求：例子热端为100℃，冷端为0℃时，镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为2.95mV，而考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为－4.0mV，则镍铬和考铜组成的热电偶所产生的热电动势应为：2.95－(－4.0)=6.95(mV)

4、均质导体定律由两种均质导体组成的热电偶，其热电动势的大小只与两材料及两接点温度有关，与热电偶的大小尺寸、形状及沿电极各处的温度分布无关。即热电偶必须由两种不同性质的均质材料构成。意义：有助于检验两个热电极材料成分是否相同及材料的均匀性。例6.3.1用（S型）热电偶测量某一温度，若参比端温度T0=30℃，测得的热电势E(T,Tn)=7.5mV，求测量端实际温度T。查分度表有E（30，0）=0.173mV反查分度表有T=830℃，测量端实际温度为830℃8.3.3热电偶的冷端处理和补偿 热电偶的热电势大小不仅与热端温度的有关，而且也与冷端温度有关，只有当冷端温度恒定，通过测量热电势的大小得到热端的温度。

热电偶的冷端处理和补偿:

当热电偶冷端处在温度波动较大的地方时，必须首先使用补偿导线将冷端延长到一个温度稳定的地方，再考虑将冷端处理为０℃。几种冷端处理方法：1.补偿导线法2.热电偶冷端温度恒温法3.计算修正法4.冷端补偿电桥法1.补偿导线法组成：补偿导线合金丝、绝缘层、护套和屏蔽层。热电偶补偿导线功能：其一实现了冷端迁移；其二是降低了电路成本。补偿导线又分为延长型和补偿型两种延长形：补偿导线合金丝的名义化学成分及热电势标称值与配用的热电偶相同，用字母“Ｘ”附在热电偶分度号后表示，补偿型：其合金丝的名称化学成分与配用的热电偶不同，但其热电势值在100℃以下时与配用的热电偶的热电势标称值相同，有字母“C”附在热电偶分度号后表示，

补偿导线的型号、线芯材质和绝缘层着色

补偿导线型号配用热电偶补偿导线的线芯材料绝缘层着色正极负极SC或RC铂铑10（铂铑）-铂SPC（铜）SNC（铜镍）红绿KC镍铬-镍硅KPC（铜）KNC（铜镍）红蓝KX镍铬-镍硅KPX（铜镍）KNX（镍硅）红黑NX镍铬硅-镍硅NPS（铜镍）NNX（镍硅）红灰EX镍铬-铜镍EPX（镍铬）ENX（铜镍）红棕JX铁-铜镍JPX（铁）JNX（铜镍）红紫TX铜-铜镍TPX（铜）TNX（铜镍）红白使用补偿导线时注意问题：补偿导线只能用在规定的温度范围内（0~100℃）；热电偶和补偿导线的两个接点处要保持温度相同；不同型号的热电偶配有不同的补偿导线；补偿导线由正、负极需分别与热电偶正、负极相连；补偿导线的作用是对热电偶冷端延长。2.热电偶冷端温度恒温法适用于实验室中的精确测量和检定热电偶时使用。3.计算修正法在实际应用中，热电偶的参比端往往不是，而是环境温度，这时测量出的回路热电势要小，因此必须加上环境温度与冰点之间温差所产生的热电势后才能符合热电偶分度表的要求。

可用室温计测出环境温度T1，从分度表中查出的E(T1,0)值，然后加上热电偶回路热电势E(T,T1)，得到E(T,0)值，反查分度表即可得到准确的被测温度值。例6.3．2用镍铬--镍硅(K型)热电偶测温，热电偶参比端温度为30℃。测得的热电势为28mV，求热端温度。反查K分度表T=701.5℃计算修正曲线4.冷端补偿电桥法利用直流不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶冷端温度变化而引起的热电势的变化值

8.3.4标准化热电偶标准化热电偶：工艺上比较成熟，能批量生产、性能稳定、应用广泛，具有统一分度表并已列入国际和国家标准文件中的热电偶。标准化热电偶可以互相交换，精度有一定的保证。国际电工委员会（IEC）共推荐了8种标准化热电偶标准化热电偶技术数据热电偶名称分度号热电极识别E（100,0）（mV）测温范围（℃）对分度表允许偏差（℃）新极性识别长期短期等级使用温度允差铂铑10-铂S正亮白较硬0.6460~13001600Ⅲ≤600±1.5℃负亮白柔软＞600±0.25%t铂铑13-铂R正较硬0.6470~13001600Ⅱ＜600±1.5℃负柔软＞1100±0.25%t铂铑30-铂铑B正较硬0.0330~16001800Ⅲ600~900±4℃负稍软＞800±0.5%t镍铬-镍硅K正不亲磁4.0960~12001300Ⅱ-40~1300±2.5℃或±0.75%t负稍亲磁Ⅲ-200~40±2.5℃或±1.5%t镍铬硅-镍硅N正不亲磁2.774-200~12001300Ⅰ-40~1100±1.5℃或±0.4%t负稍亲磁Ⅱ-40~1300±2.5℃或±0.75%t镍铬-康铜E正暗绿6.319-200~760850Ⅱ-40~900±2.5℃或±0.75%t负亮黄Ⅲ-200~40±2.5℃或±1.5%t铜-康铜T正红色4.279-200~350400Ⅱ-40~350±1℃或±0.75%t负银白色Ⅲ-200~40±1℃或±1.5%t铁-康铜J正亲磁5.269-40~600750Ⅱ-40~750±2.5℃或±0.75%t负不亲磁1.铂铑10-铂热电偶（S型）贵金属热电偶。电极线径规定为0.5mm， 正极（SP）的名义化学成分为铂铑合金 负极（SN）为纯铂，故俗称为单铂铑热电偶。 长期最高使用温度为1300℃，短期最高使用温度为1600℃。优点：准确度高，稳定性好，测温温区和使用寿命长，物理化学性能良好，在高温下抗氧化性能好，适用于氧化和惰性气氛中。缺点：热电率较小，灵敏度低，高温下机械强度下降，对污染敏感，贵金属材料昂贵，因此一次性投资较大。2.铂铑30-铂铑6（B型）为贵金属热电偶。热偶丝线径规定为0.5mm， 正极（BP）和负极（BN）的名义化学成分均为铂铑合金，只是含量不同，故俗称为双铂铑热电偶。 长期最高使用温度为1600℃，短期最高使用温度为1800℃。优点：准确度高，稳定性好，测温温区宽，使用寿命长等，适用于氧化性和惰性气氛中，也可短期用于真空中，但不适用于还原性气氛或含有金属或非金属蒸汽中；参比端不需进行冷端补偿，因为在0～50℃范围内热电势小于3µV。缺点：热电率较小，灵敏度低，高温下机械强度下降，抗污染能力差，贵金属材料昂贵。3.镍铬-镍硅热电偶（K型）使用量最大的廉金属热电偶，用量为其他热电偶的总和 正极（KP）的名义化学成分为：Ni:Cr=90:10， 负极（KN）的名义化学化学成分为Ni:Si=97:3。 其使用温度为-200～1300℃。优点：线性度好，热电势较大，灵敏度较高，稳定性和复现性均好，抗氧化性强，价格便宜。能用于氧化性和惰性气氛中。K型热电偶不能在高温下直接用于硫、还原性或还原、氧化交替的气氛中，也不能用于真空中。4.镍铬-铜镍热电偶（E型）称为镍铬-康铜热电偶，也是一种廉价金属热电偶。 其正极（EP）为镍铬10合金，化学成分与KP相同，负极（EN）为铜镍合金，名义化学成分为55%的铜、45%的镍以及少量的钴、锰、铁等元素。该热电偶电动势之大，灵敏度之高属所有标准热电偶之最，宜制成热电偶堆来测量微小温度变化。E型热电偶可用于湿度较大的环境里，具有稳定性好，抗氧化性能高，价格便宜等优点。但不能在高温下用于硫、还原性气氛中。标准化热电偶热电势和温度的关系标准化热电偶的特性热电偶种类优点缺点B适于测量1000℃以上的高温常温下热电动势极小，可不用补偿导线抗氧化、耐化学腐蚀在中低温领域热电动势小，不能用于600℃以下灵敏度低热电动势的线性不好R、S精度高、稳定性好，不易劣化抗氧化、耐化学腐蚀可作标准灵敏度低不适用于还原性气氛(尤其是H2、金属蒸气)热电动势的线性不好价格高N热电动势线性好1200℃以下抗氧化性能良好短程表序结构变化影响小不适用于还原性气氛同贵金属势电偶相比时效变化大K热电动势线性好1000℃下抗氧化性能良好在廉金属热电偶中稳定性更好不适用于还原性气氛同贵金属热电偶相比时效变化大因短程有序结构变化而产生误差E在现有的热电偶中，灵敏度最高同J型相比，耐热性能良好两极非磁性不适用于还原性气氛热导率低具有微滞后现象J可用于还原性气氛热电动势较K型高20%左右铁正极