2.4 热电偶式温度传感器

2.4

热电偶传感器特点：应用广泛；灵敏度好；精度高；易保证单值函数关系；稳定性、复现性好；响应时间较快、材料易得到；互换性好，价格较低；测温范围宽（-270℃～2800℃）。2023/9/2212023/9/222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右端称为：自由端（参考端、冷端）

左端称为：测量端（工作端、热端）

热电极B热电动势AB一.测温原理热电效应thermoelectricityeffect（或塞贝克效应）：将两种不同的导体或半导体A和B连成闭合回路，当两个接点处的温度（T和T0）不同时，回路中将产生热电动势的现象。两种不同导体（或半导体）组成的闭合回路称为热电偶。导体A或B称为热电极。两个接点中，置于温度为T的被测对象中的称为测量端（工作端或热端），温度为参考温度T0的接点称为参比端或参考端，也叫自由端或冷端。BAT0T2023/9/223闭合回路的热电动势由两种电动势组成：温差电动势（同一导体）和接触电动势（两种不同导体）在热电偶回路中接一毫伏表，测量发现，热电动势与热电极的材料和两端的温差有关：热电动势=接触电动势+温差电动势2023/9/224BAT0T接触电动势(珀尔帖电动势)：指两种不同的导体相接触时，因各自的自由电子密度不同而产生电子扩散，当达到动态平衡后所形成的电动势。接触电动势的大小与温度和热电极的电子密度比（导体的材料）的自然对数成正比：温度越高，接触电动势越大；电子密度差异越大，接触电动势也越大。注意2023/9/225BAT0T温差电动势（汤姆逊电动势）：同一导体两端因温度不同而产生的电动势。温差电动势的大小，取决于热电极两端的温度：温差越大，温差电动势越大；注意2023/9/226BAT0T热电偶回路中总的热电动势为：两个接触电动势两个温差电动势讨论1.A、B为同一种材料，（NA＝NB，

A=

B），则EAB（T,T0)=02.T=T0，则EAB（T,T0)=02023/9/227BAT0T讨论1.热电动势是温度的函数之差，不是温差的函数；若T0=const，则热电动势与T一一对应。2.热电动势大小只与导体材质和接点温度相关，而与形状、接触面积无关。2023/9/2284.在热电偶回路中，接触电动势比温差电动势大得多，因此总热电动势的极性总是取决于接触电动势的极性。3.热电偶中电子密度高的导体称正电极，电子密度低的导体称为负电极；热电动势的符号EAB(T,T0)规定了正、负电极顺序和热端、冷端顺序，若电极和或温度顺序互换，热电动势的极性就反相。例：2023/9/229二.热电偶的基本定律1、

均质导体定律同种均质导体（或半导体）组成的闭合回路，不论导体的截面、长度以及温度分布如何，都不能产生热电动势。说明：（1）一种均质材料不能构成热电偶，必须由两种不同材料的均质导体构成；（2）若热电极材料不均匀，由于温度梯度的存在，将产生附加热电动势应用：

检查热电极材料的均匀性（两极用同一种材料）

检验热电极材料成分是否相同2023/9/22102、中间导体定律在热电偶回路中接入中间均质导体后，只要中间导体两端的温度相同，对热电偶回路的总热电动势值没有影响。应用：

采用仪表测量热电偶的热电动势

用热电偶开路测量金属壁温、液态金属温度热电偶回路中还可以加入第四、五种导体，只要加入导体的两接点温度相等，回路的总热电动势就与原回路的热电动势相同。注意2023/9/22113、标准电极定律如果A、B对标准电极C材料的热电动势已知，则A、B构成热电偶时的热电动势是它们分别对C构成热电偶时产生的热电动势的代数和。说明：只要通过实验获得各电极与标准电极的热电动势，则其中任意两个电极构成的热电偶的热电动势都可通过计算获得一般选择高纯铂丝作为标准电极=+TA

BT0TA

CT0TCBT02023/9/22124、连接导体定律热电偶回路中，如果热电极A、B分别与导体A’、B’相接，接点温度分别为T、Tn、T0，则回路总电动势等于热电偶热电动势和连接导体热电动势的代数和。应用：

热电偶补偿导线135、中间温度定律两种均质材料A、B构成热电偶，接点温度分别为T、T0，若有一个中间温度Tn，则回路总电动势不受中间温度的影响。等价形式应用：

使用《热电偶分度表》进行冷端补

偿，如例2.4.11415三、热电偶的种类和结构热电偶材料应满足以下要求：2．热灵敏度高，热电动势大，测温范围宽，热电动势随温度的变化率要大，热电动势与温度尽可能成线性对应关系1．材质要均匀，能耐高温，机械性能好，能加工成丝，化学、物理性能稳定，不易氧化、变形及腐蚀3．导体的电阻温度系数要小，电阻率小4．材料复制性和互换性好，便于批量生产，制造简单，价值低廉16按照工业标准化要求：标准化热电偶S型、R型、B型、K型、N型、E型、J型、T型非标准化热电偶贵金属（铂铑系列、铱铑系列，铂-金）贵-廉金属混合式（金铁合金、双铂钼）难熔金属（钨铼合金、钨钼）非金属贵金属廉金属统一的分度表，并统一规定热电极材料、热电性质和允许偏差表2-3热电动势-温度特性曲线热电偶的结构1、普通装配式热电偶结构17接线盒保护套管绝缘管热电偶安装固定件引线口工程上使用的热电偶大多是由热电极、绝缘子、保护套管和接线盒等几部分组成。热电偶与显示仪表、记录仪表或计算机等配套使用。典型结构有普通装配式结构和柔性安装的铠装结构等。？与热电阻结构形式有何异同外型相同内部不同：感温元件不同；接线盒内部的接线座不同（热电偶2个，热电阻为了消除引线电阻影响有3个或4个）。2、铠装热电偶将热电偶丝、绝缘材料和金属保护套管三者经拉伸加工而成的一种坚实的组合体。结构形式多样：碰底型、不碰底型、露头型、帽型。特点：铠装热电偶具有动态响应快、机械强度高、抗震性好、柔软可弯曲等优点，可安装在狭窄或结构较复杂的装置上。2023/9/2218热电极绝缘材料金属套管热电极绝缘材料铠装型热电偶断面结构铠装型热电偶可长达上百米3.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。适用于测量微小面积上的瞬变温度，以及微波的功率的测量等KINGSOFT4、表面热电偶

主要用于测量各种形状的固体介质表面温度，以及测量液体、气体和橡胶内部的温度

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℃。205、防爆热电偶使用场合：

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）。21压铸的接线盒电缆线厚壁保护管其他热电偶外形22小形K型热电偶2.4.4热电偶的选型与安装熟悉对象、掌握热电偶特性，结合测量要求（测量范围、准确度等）、使用环境等当t<1000℃时，多选用廉金属热电偶，如K型热电偶，其使用温度范围宽，高温下性能较稳定。当t=-200~300℃时，最好选用T型热电偶，它是廉金属热电偶中准确度最高的;也可选择E型热电偶，它是廉金属中热电动势变化率最大、灵敏度最高的。当t=1000~1400℃时，多选用R、S型热电偶。当t<1300℃时，可选用N型或者K型热电偶。当t=1400~1800℃时.多选用B型热电偶。当t<1600℃时，短期可用S型或R型热电偶。当t>1800℃时，常选用钨铼热电偶。1）按使用温度选择A.氧化性气氛当t<1300℃时，多选用N型或K型热电偶，因为它们是廉金属热电偶中抗氧化性最强的;当t>1300℃时，选用铂铑系热电偶。B．真空、还原性气氛当t<750℃时，可选用J型热电偶，它既可以在氧化性气氛下工作，又可以在还原性气氛下工作;当t>1600℃时，应选用钨锌热电偶，当t<1000℃时，可选用镍钴一镍铝热电偶.其冷端温度在0--300℃时，可忽略其影响。它常被用于飞机尾喷口排气温度的测量;当t>1000℃时，常选用B型热电偶，一般可忽略冷端温度的影响。（2）根据被测介质选择（3）根据冷端温度的影响选择（4）根据热电极的直径与长度选择（5）耐久性及热响应性的选择（6）测量对象的性质和状态对热电偶的选择热电偶选型的典型流程：型号--分度号—防爆等级—准确度等级—安装固定形式—保护管材质—长度或插入深度。一般热电偶型号为：WR□□-□□□其中，W----温度仪表；R----热电偶快速反应，必须选用细直径的电极丝，过细，会使测最线路的电阻值增大热电极丝长度的选择是由安装条件.主要是由插入深度决定的。线径大的热电偶耐久性好，但响应较慢一些运动物体、振动物体、高压容器的测温要求机械强度高，有化学污染的气氛要求有保护管，有电气干扰的情况下要求绝缘比较高。要求响应时间快又要求有一定的耐久性，选择铠装偶比较合适。热电偶安装（1）首先应测量好热电偶和热电阻法兰或者螺纹螺牙的尺寸，加工配套好法兰或者螺纹底座。（2）要根据法兰或者螺纹底座的尺寸，在需要测量的管道上开孔。（3）法兰或者螺牙座的焊接。把法兰座或者螺纹底座插入已开好孔内，把法兰座或者螺纹底座与被测量的管道焊接好。（4）把热电偶或热电阻用螺栓紧固或者螺纹旋进已焊接好的螺纹底座。（5）按照接线图将热电偶或热电阻的接线盒接好线，并与表盘上相对应的显示仪表连接。（6）热电偶或热电阻安装的位置,应考虑检修和维护方便。27三、热电偶的冷端延长T0TBAE0温度稳定区域工业现场测温补偿导线法基本原理：连接导体定律补偿导线的热电特性在100℃（或200℃）以下范围内应与所取代的热电偶丝的热电特性基本一致，且电阻率低，价格必须比主热电偶丝便宜。29补偿导线的连接线路：A’B’屏蔽层保护层随着热电偶的标准化，补偿导线也形成了标准系列。国际电工委员会也制定了国际标准，适合于标准化热电偶使用。补偿导线分延长型和补偿型两种：延长型(X)：导线的化学成分及热电动势标称值与被补偿的热电偶相同。补偿型(C)：导线的化学成分与被补偿热电偶不同；热电动势值在100℃（或200℃）以下与与被补偿的热电偶相同。表2.4.2常用热电偶的补偿导线30311、各种延长线只能与相应型号的热电偶配用，而且必须在规定的温度范围内使用。2、注意极性，不能接反，否则会造成更大的误差。3、延长线与热电偶连接的两个接点温度必须相同。注意321、参比端恒温法将参比端置于恒温的容器中。1-冰水混合物；2-保温瓶；3-油类或水银；4-蒸馏水；5-试管；6-盖；7-铜导线；8-热电动势测量仪表一般在实验室或校正热电偶传感器中使用。三、热电偶的冷端温度补偿2、计算修正法E

(T,0)=E

(T,T0)+E

(T0,0)若参比端温度恒为环境温度T0，测出E

(T,T0)，并根据中间温度定则，求： 33②查表①实测③④查表得实际T34例：用K型热电偶测温，显示仪表读数为500℃，且仪表以分度表为依据，但此时冷端温度为50℃，问实际被测温度为多少？解：由分度表查得：E(500,0)=20.644mv设被测温度为T，则E(T,50)=20.644mv

E(T,0)=E(T,50)+E(50,0)=20.644+2.023=22.667mv查表插值计算T=?℃54022.35055022.776T22.667注意在分度表的相邻数据之间可采用线性内插算法求中间值。35软件修正法对于计算机系统，不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。例如冷端温度恒定但不为0℃的情况，只需使用计算修正法。对于经常波动的情况，可利用热敏电阻或其他传感器把信号输入计算机，按照运算公式设计一些程序，便能自动修正。利用不平衡电桥产生电动势补偿热电偶由于参比端温度变化而引起的热电动势变化。3、冷端补偿器（补偿电桥法）36当T0↑↗

↘

→

1-热电偶；2-补偿导线；3-铜导线；4-指示仪表；5-冷端补偿器R1=R2=R3=1

R4=1(平衡点)实际的补偿电桥一般是按T0＝20℃设计。冷端补偿器要求：不同分度号的热电偶配用不同的冷端补偿器冷端补偿器中的铜电阻必须与冷端同温补偿范围有限（一定精度内，一般为0～50

℃

）极性不能接反热电偶的热电特性是非线性，补偿器的输出电压与温度的关系也是非线性，且两个特性曲线不一致，因