热电偶传感器课件

第七章热电偶传感器 1.热电效应热电偶一、热电偶的工作原理热电效应：两种不同材料的导体（或半导体）组成一个闭合回路，当两接点温度T和T0不同时，则在该回路中就会产生电动势的现象。常见热电偶BAT0TBAT0T热电势EAB(T,T0)热电偶热电极热端（工作端）冷端（自由端）2.热电动势的产生1）单一导体的温差电势2）两种导体的接触电势

3）热电偶回路的总热电动势（1）接触电动势接触电势温差电势若金属A的自由电子浓度大于金属B的，则在同一瞬间由A扩散到B的电子将比由B扩散到A的电子多，因而A对于B因失去电子而带正电，B获得电子而带负电，在接触处便产生电场。A、B之间便产生了一定的接触电动势。热电势EAB(T,T0)接触电动势的大小与两种金属的材料、接点的温度有关，与导体的直径、长度及几何形状无关。对于温度为T的接点，有下列接触电动势公式：上式说明接触电动势的大小与接点温度的高低及导体中的电子密度有关。对于任何一种金属，当其两端温度不同时，两端的自由电子浓度也不同，温度高的一端浓度大，具有较大的动能；温度低的一端浓度小，动能也小。因此高温端的自由电子要向低温端扩散，高温端因失去电子而带正电，低温端得到电子而带负电，形成温差电动势，又称汤姆森电动势。（2）温差电动势温差电动势的大小取决于导体的材料及两端的温度。导体A两端的温差电动势可用下式表示：eA（T，T0）——导体A两端温度分别为T、T0时形成的温差电动势；T、T0——高、低温端的绝对温度；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。同样导体B两端的温差电动势如下式所示：图6-4闭合回路总的热电势ABTT0-eA(T,T0)eB(T,T0)eAB(T)eAB(T0)(3)回路总电动势由于在金属中自由电子数目很多，温度对自由电子密度的影响很小，故温差电动势可以忽略不计，在热电偶回路中起主要作用的是接触电动势。NAT和NAT0可记做NA，NBT和NBT0可记做NB

，则有在标定热电偶时，一般使T0为常数，则①热电偶回路的热电动势只与组成热电偶的材料及两端接点的温度有关；与热电偶的长度、粗细、形状无关。3.热电偶基本性质②只有用不同性质的材料才能组合成热电偶，相同材料不会产生热电动势。因为当A、B两种导体是同一种材料时，ln（NA/NB）=0，所以EAB（T，T0）=0。③只有当热电偶两端温度不同时，不同材料组成的热电偶才能有热电动势产生；当热电偶两端温度相同时，不同材料组成的热电偶也不产生热电动势，即EAB（T，T）=0。④导体材料确定后，热电动势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使eAB（T0）=常数，则回路热电动势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基本原理。⑤对于有几种不同材料串联组成的闭合回路，若各接点温度分别为T1、T2……TN

，闭合回路总的热电动势为：BBA

TnTT0

AAB3.热电偶基本定律（1)中间温度定律热电偶在两接点温度分别为T、T0时的热电动势等于该热电偶在接点温度分别为T、Tn和接点温度分别为Tn、T0时的相应热电动势的代数和。证明：即：对于冷端温度不是零度时，热电偶如何分度表的问题提供了依据。

当Tn=0℃时，则：上式说明：只要A、B组成的热电偶在冷端温度为零时的“热电动势—温度”关系已知，则它在冷端温度不为零时的热电动势即可知。中间温度定律表明：当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A、B相同热电特性的材料C、D即引入所谓补偿导线时，只要它们之间连接的两点温度相同，则总回路的热电动势与两连接点温度无关，只与热电偶两端的温度有关。(2)中间导体定律在热电偶回路中接入第三种导体C，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变。右图回路中的总电动势为：T0T0BTAC如果回路中三个接点的温度都相同，即T＝T0，则回路总电动势必为零，即：即则如果按右图接入第三种导体C，则回路中的总电动势为：T1CT0T1TBA而所以(3)标准电极定律如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就可知。T0TEAB(T,T0)ABT0TEAC(T,T0)ACT0TEBC(T,T0)BC两式相减得：——（1）若一个热电偶由A、B、C三种导体组成，且回路中三个接点的温度都相同，则回路总电动势必为零，即：或即导体A与B组成的热电偶的热电动势也可知。代入（1）式可得：二、热电偶材料用作热电极的材料应具备下面的条件：①温度测量范围广。要求在规定的温度测量范围内有较高的测量精确度，有较大的热电动势。温度与热电动势的关系是单值函数，最好是呈线性关系。②性能稳定。要求在规定的温度测量范围内使用时热电性能稳定，均匀性和复现性好。③物理化学性能好。要求在规定的温度测量范围内有良好的化学稳定性、抗氧化性或抗还原性能。满足上述条件的热电偶材料并不很多。我国把性能符合专业标准或国家标准并具有统一分度表的热电偶材料称为定型热电偶材料。从1988年1月1日起，我国热电偶和热电阻的生产全部按国际电工委员会（IEC）的标准，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。但其中的R型（铂铑13-铂）热电偶，因其温度范围与S型（铂铑10-铂）重合,我国没有生产和使用。三、热电偶的种类1.标准型热电偶(1)铂铑30-铂铑6热电偶（分度号B）它的正极是铂铑丝(铂70%，铑30%)，负极也是铂铑丝(铂94%，铑6%)，俗称双铂铑。测量温度最高长期可达1600℃，短期可达1800℃。优点是材料性能稳定，测量精度高，测温上限高。缺点是在还原性气体中易被侵蚀，成本高。铂——pt78，性软，易受机械处理，溶点1772°C，化学性质稳定，但溶于王水（硝酸和盐酸1：3混合）。铂族元素：钌、铑、铱、钯、铂，溶点都在1500°C以上，性质稳定，在自然界中多以游离态存在。金——AU79，延展性强，比重19.32,熔点1064°C，在空气中极稳定，不溶于酸或碱，溶于王水及氯化钾、氯化钠溶液中。(2)铂铑10-铂热电偶（分度号S）正极是铂铑丝(铂90%，铑l0%)，负极是纯铂丝。测量温度最高长期可达1300℃，短期可达1600℃，一般用来测量1000℃以上的高温。优点是材料性能稳定；测量准确度较高，可做成标准热电偶或基准热电偶；抗氧化性强，宜在氧化性、惰性气氛中工作。缺点是在高温还原性气体中（如气体中含CＯ、H2等）易被侵蚀，需要用保护套管；另外其热电极材料属贵金属，成本较高，热电势也较弱。正极是镍铬合金(88.4～89.7％镍、9～10％铬，0.6％硅，0.3％锰，0.4～0.7％钴)，负极为镍硅(镍95.7～97％镍,2～3％硅,0.4～0.7％钴)。测温范围为-200~+1300℃。优点是测温范围很宽、热电动势与温度关系近似线性、热电动势大、高温下抗氧化能力强、价格低，所以在工业上应用广泛。(3)镍铬-镍硅热电偶（分度号K）缺点是热电动势的稳定性和精度较B型或S型热电偶差，在还原性气体和含有SO2、H2S等气体中易被侵蚀。测量温度长期可达1000℃，短期可达1300℃。(4)镍铬-铜镍热电偶（分度号E）正极是镍铬合金，负极是铜镍合金(铜55%，镍45%)。测温范围为-200~+1000℃。优点是热电动势较其他常用热电偶大。适宜在氧化性或惰性气氛中工作。正极是铁，负极是铜镍合金。测温范围为-200℃~+1300℃。其特点是价格低、热电动势较大（仅次于E型热电偶）、灵敏度高（约为53μV/℃）、线性度好、价格便宜，可在800℃以下的还原介质中使用。主要缺点是铁极易氧化。(5)铁-铜镍热电偶（分度号J）正极是铜，负极是铜镍合金，测温范围为-200℃~+400℃，热电势略高于镍铬-镍硅热电偶，约为43μV/℃。优点是精度高、复现性好、稳定性好、价格便宜。缺点是铜极易氧化，故在氧化性气氛中使用时，一般不能超过300℃。(6)铜-铜镍热电偶（分度号T）在0~-100℃范围内，用以检测低温仪表的精度，误差不超过

0.1℃。热电偶类别代号分度号测温范围允许误差铂铑30-铂铑6WRRLL-2或B0～1800℃≤800℃，±4.0℃>800℃±5.0℃铂铑10-铂WRPLB-3或S0～1600℃≤600℃，±3.0℃>600℃±5.0℃镍铬-镍硅WRNEU-2或K

0～1300℃≤400℃，±3.0℃>400℃±7.5℃镍铬-考铜

镍铬-铜镍WRK

WREEA-2或E0～800℃

0～1000℃≤300℃，±3.0℃>300℃±1.0℃几种常用热电偶的测温范围及精确度WR装配式热电偶基本型号装配式热电偶①铱和铱合金热电偶：如铱50铑—铱10钌、铱铑40-铱、铱铑60-铱热电偶。它能在氧化环境中测量高达2100℃的高温，且热电动势与温度关系线性好。2.非标准型热电偶②钨铼热电偶：60年代发展起来的，是目前一种较好的高温热电偶，可使用在真空惰性气体介质或氢气介质中，但高温抗氧能力差。国产钨铼3-钨铼25、钨铼-钨铼20热电偶使用温度范围在300～2000℃，分度精度为1％。主要用于钢水连续测温、反应堆测温等场合。③金铁—镍铬热电偶：主要用在低温测量，可在2～273K范围内使用，灵敏度约为10μV／℃。④钯—铂铱15热电偶：是一种高输出性能的热电偶，在1398℃时的热电势为47.255mV，比铂铑10—铂热电偶在同样温度下的热电势高出3倍，因而可配用灵敏度较低的指示仪表，常应用于航空工业。五、常用热电偶的结构1.普通工业用装配式热电偶图

工业用装配式热电偶结构示意图接线盒保护套管绝缘套管热电偶丝1322．铠装（或套管式）热电偶的结构由热电偶丝、绝缘材料，金属套管三者拉细组合而成一体。又由于它的热端形状不同，可分为多种型式如图。铠装热电偶断面结构示意图1—

金属套管;2—绝缘材料;3—热电极优点：测温端热容量小，动态响应快；机械强度高，挠性好，可安装在结构复杂的装置上。

3．快速反应薄膜热电偶用真空蒸镀等方法使两种热电极材料蒸镀到绝缘板上而形成薄膜装热电偶。其热接点极薄(0.01～0.lμm)．4123快速反应薄膜热电偶1—热电极;2—热接点;3—绝缘基板;4—引出线特别适用于对壁面温度的快速测量。安装时,用粘结剂将它粘结在被测物体壁面上。尺寸为60×6×0.2mm;测温范围在300℃以下；反应时间仅为几ms。

4．快速消耗微型热电偶可测钢水的温度。用直径为Φ0.05～0.lmm的铂铑10一铂铑30热电偶装在U型石英管中，再铸以高温绝缘水泥，外面再用保护钢帽所组成。14235678911101—刚帽；2—石英；3—纸环；4—绝热泥；5—冷端；6—棉花；7—绝缘纸管；8—补偿导线；9—套管；10—塑料插座；11—簧片与引出线热电偶的冷端补偿方法

1.补偿导线法利用补偿导线，将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所(如仪表室)。根据中间温度定律，只要热电偶的两个热电极分别与两补偿导线的接点温度一致，就不会影响热电动势的输出。

2.冷端恒温法(1)冰点槽法将热电偶的冷端置于冰点槽内(冰水混合物)，使冷端温度处于0℃，如图6-13所示。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。这种装置通常用于实验室或精密的温度测量。mVABT铜导线铜导线试管补偿导线热电偶冰点槽冰水溶液T0仪表补偿导线图6-13冰点槽法(2)其他恒温器将热电偶的冷端置于各种恒温器内，使之保持温度恒定，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。这类恒温器的温度不是0℃，所以最后还需对热电偶进行冷端温度修正。3.电桥补偿（又称冷端补偿器）法图6-14补偿电桥T0I2I1+ERSRTR3R1R2－ATT0BU回路输出电压为:U=E（T，T0）+(UT－U3)只要能满足下式即可达到自动补偿的目的

如果热电偶的冷端温度变化范围为0~+50℃，热电偶选用铂铑10-铂。查分度表得出△E为0.299mV，因此补偿电阻Rt的阻值可以根据上式求出。4.显示仪表零位调整法当热电偶通过补偿导线连接显示仪表时，如果热电偶冷端温度不是0℃，但十分稳定（如恒温车间或有空调的场所），可预先将有零位调整器的显示仪表的指针从刻度的初始值调至已知的冷端温度值上，这时显示仪表的示值即为被测量的实际温度值。5.软件处理法对于计算机系统，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，只需在采样后加一个与冷端温度对应的常数即可。对于T0经常波动的情况，可利用热敏电阻或其它传感器把T0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。六、热电偶测温线路1.测量某一点的温度流过测温毫伏表的电流为:图6-15单点测温线路TnT0T0TnCDMRLEABT2.测量两点之间的温度差图6-16测两点温差线路AT2仪表BT1CDT0’T0BAC回路内的总电动势为:因为故3.热电偶并联线路图6-17并联测量线路T1R1T0T2R2T0’T3R3T0’’仪表ABABAB每只热电偶的输出为：回路总的热电动势为:特点：当有一只热电偶烧断时，难以觉察出来。当然，它也不会中断整个测温系统的工作。4.热电偶串联线路图6-18串联测量线路T1T0T2仪表T3T0ABDDDCCCABAB因为所以优点：热电动势大，仪表的灵敏度大大增加，且避免了热电偶并联线路存在的缺点，可立即可以发现有断路。缺点：只要有一支热电偶断路，整个测温系统将停止工作。热电偶应用实例

参考文献《利用单片机实现温度智能控制》

王芳《利用单片机实现温度智能控制》温度控制系统是一个闭环反馈控制系统,它是用温度传感器将检测到实际炉温A/D转换,送入到计算机中,与设定值进行比较,得出偏差.对此偏差按PID算法进行修正,求得对应的控制量控制可控硅驱动器,调节电炉的加热功率,从而实现对炉温的控制.介绍一个典型的单片机控制的测温系统，它由三大部分组成：(1)测量放大电路；(2)A/D转换电路；(3)显示电路。它广泛应用于发电厂、化工厂的测温及温度控制系统中。1.1硬件设计

(1)热电偶温度传感器

本系统使用镍铬—镍硅热电偶，被测温度范围为0～655℃，冷端补偿采用补偿电桥法，采用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值。不平衡电桥由电阻R1、R2、R3(锰铜丝绕制)、Rcu(铜丝绕制)四桥臂和桥路稳压源组成，串联在热电偶回路中。Rcu与热电偶冷端同处于±0℃,而R1=R2=R3=1Ω，桥路电源电压为4V，由稳压电源供电，Rs为限流电阻，其阻值因热电偶不同而不同，电桥通常取在20℃时平衡，这时电桥的四个桥臂电阻R1=R2=R3=Rcu，a、b端无输出。当冷端温度偏离20℃时，例如升高时，Rcu增大，而热电偶的热电势却随着冷端温度的升高而减小。Uab与热电势减小量相等，Uab与热电势迭加后输出电势则保持不变，从而达到了冷端补偿的自动完成。(2)测量放大电路实际电路中，从热电偶输出的信号最多不过几十毫伏(<30mV)，且其中包含工频、静电和磁偶合等共模干扰，对这种电路放大就需要放大电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗，因此宜采用测量放大电路。测量放大器又称数据放大器、仪表放大器和桥路放大器，它的输入阻抗高，易于与各种信号源匹配，而它的输入失调电压和输入失调电流及输入偏置电流小，并且温漂较小。由于时间温漂小，因而测量放大器的稳定性好。由三运放组成测量放大器，差动输入端接到A1和A2的同相端。输入阻抗很高，采用对称电路结构，而且被测信号直接加到输入端，从而保证了较强的抑制共模信号的能力。A3实际上是一差动跟随器，其增益近似为1。在此电路中，只要运放A1和A2性能对称(主要指输入阻抗和电压增益)，其漂移将大大减小，具有高输入阻抗和共模抑制比，对微小的差模电压很敏感，适宜于测量远距离传输过来的信号，因而十分易于与微小输出的传感器配合使用。RW是用来调整放大倍数的外接电阻，在此用多圈电位器。(3)A/D(模数)转换电路经过测量放大器放大后的电压信号，其电压范围为0～5V，此信号为模拟信号，计算机无法接受，故必须进行A/D转换。实际电路中，选用ICL7109芯片。ICL7109是一种高精度、低噪声、低漂移、价格低廉的双积分型12位A/D转换器。由于目前12位逐次逼近式A/D转换器价格较高，因此在要求速度不太高的场合，如用于称重测压力、测温度等各种传感器信号的高精度测量系统中时，可采用廉价的双积分式12位A/D转换器ICL7109。ICL7109主要有如下特性：(1)高精度(精确到1/212=1/4096)；(2)低噪声(典型值为15μVP-P)；(3)低漂移(<1μV/℃)；(4)高输入阻抗(典型值1012Ω)；(5)低功耗(<20mW)；(6)转换速度最快达30次/秒，当采用3.58MHz晶振作振源时，速度为7.5次/秒；(7)片内带有振荡器，外部可接晶振或RC电路以组成不同频率的时钟电路；(8)12位二进制输出，同时还有一位极性位和一位溢出位输出；(9)输出与TTL兼容，以字节方式(分高低字节)三态输出，并且具有VART挂钩方式，可以用简单的并行或串行口接到微处理系统；(10)可用RVNHOLD(运行/保持)和STATUS(状态)信号监视和控制转换定时；(11)所有输入端都有抗静电保护电路。ICL7109有两种接口方式，一种是直接接口，另一种是挂钩接口。在直接接口方式中，当ICL7109转换结束时，由STATUS发出转换结束指令到单片机，单片机对转换后的数据分高位字节和低位字节进行读数。在挂钩接口方式时，ICL7109提供工业标准的数据交换模式，适用于远距离的数据采集系统。ICL7109为40线双列直插式封装，各引脚功能参考相关文献。

(4)ICL7109与89C51的接口本系统采用直接接口方式，7109的MODE端接地，使7109工作于直接输出方式。振荡器选择端(即OS端，24脚)接地，则7109的时钟振荡器以晶体振荡器工作，内部时钟等于58分频后的振荡器频率，外接晶体为6MHz，则时钟频率=6MHz/58=103kHz。积分时间=2048×时间周期=20ms，与50Hz电源周期相同。积分时间为电源周期的整数倍，可抑制50Hz的串模干扰。在模拟输入信号较小时，如0～0.5伏时，自动调零电容可选比积分电容CINT大一倍，以减小噪声，CAZ的值越大，噪声越小，如果CINT选为0.15μF，则CAZ=2CINT=0.33μF。由传感器传来的微弱信号经放大器放大后为0～5V，这时噪声的影响不是主要的，可把积分电容CINT选大一些，使CINT=2CAZ，选CINT=0.33μF，CAZ=0.15μF，通常CINT和CAZ可在0.1μF至1μF间选择。积分电阻RINT等于满度电压时对应的电阻值(当电流为20μA、输入电压=4.096V时，RINT=200kΩ)，此时基准电压V+RI和V-RI之间为2V，由电阻R1、R3和电位器R2分压取得。本电路中，CE/LOAD引脚接地，使芯片一直处于有效状态。RUN/HOLD(运行/保持)引脚接+5V，使A/D转换连续进行。

A/D转换正在进行时，STATUS引脚输出高电平，STATUS引脚降为低电平时，由P2.6输出低电平信号到ICL7109的HBEN，读高4位数据、极性和溢出位；由P2.7输出低电平信号到LBEN，读低8位数据。本系统中尽管CE/LOAD接地，RUN/HOLD接+5V，A/D转换