《传感器技术及应用》-9.项目九 热电偶传感器测温度

知识目标：1.掌握热电偶传感器的工作原理；2.熟悉热电偶传感器的种类、结构类型；3.了解热电偶传感器的测量转换的电路；4.熟悉热电偶传感器的应用。能力目标：1.能够根据实际情况正确的选用热电偶传感器；2.能够正确安装热电偶传感器；3.能够使用热电偶传感器进行测量。4.能够对热电偶传感器的电路进行简单分析热电势AB热电极结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。实验：1821年，德国物理学家赛贝克热电效应两种不同的导体（或半导体）A和B组成闭合回路，当A和B相连接的两个接点温度T和T0不同时，则在回路中就会产生一个电势，这种现象叫做热电效应。由此效应所产生的电势，通常称为热电势。塞贝克效应Seebackeffect测量端工作端热端自由端参考端冷端TT0热电偶产生的热电势由两部分组成：接触电势和温差电势。（1）接触电势当两种不同的金属导体接触时，在接触面上就会发生电子扩散。扩散力=电场力时，电子扩散相对停止，接点两侧的产生的电势称为接触电势eAB（T）（1）接触电势影响因素：（1）接触面温度T或t（2）两种导体的电子密度

eAB（T）（2）温差电势

在同一导体中，如果两端温度不同，在两端间会产生电动势，即温差电势

对于由A和B两种导体组成的热电偶闭合回路，设两端温度接点温度分别为T和T0，且T>T0，NA>NB；那么回路中存在两个接触电势EAB(T)和EAB(T0)，两个温差电势EA(T,T0)和EB(T,T0)。因此回路的总热电势为（3）热电势EAB(T,T0)=f(T)－

f(T0)如果冷端温度T0保持恒定，则EAB(T,T0)=f(T)－

C热电势是热端温度T的单值函数，

（3）热电势电势的方向不同，图中表示方法也有所不同

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势。由一种均质导体组成的闭合回路，不论其几何尺寸和温度分布如何，都不会产生热电势。反之，如果回路中有热电势存在则材料必为非均质的。（1）热电偶必须由两种材料不同的均质热电极组成；否则会由于沿热电偶长度方向存在温度梯度而产生附加电势，从而因热电偶材料不均匀性引入误差。（2）热电势与热电极的几何尺寸(长度、截面积)无关（3）由一种导体组成的闭合回路中存在温差时，如果回路中产生了热电势，那么该导体一定是不均匀的。由此可检查热电极材料的均匀性。（4）两种均质导体组成的热电偶，其热电势只决定于两个接点的温度，与中间温度的分布无关结论4.热电偶的基本定律——均质导体定律在热电偶回路中插入第三种导体C，若第三种导体的两接点温度相同，则回路中热电势不变。（1）该定律表明可接入各种显示仪表、连接导线或冷端补偿装置。（2）接点不仅可以焊接而成，也可以借助均质等温的导体加以连接。结论：eA（t，t0）eB（t，t0）eAC（t0）eAB（t）tt0ABCeBC（t0）写出回路热电式eABC(t,t0,t0)=eAB(t)-eA(t,t0)-eAB(t0)+eB(t,t0)=eAB(t,t0)=eAB(t)-eA(t,t0)-eAC(t0)+eBC(t0)+eB(t,t0)4.热电偶的基本定律——中间导体定律4.热电偶的基本定律——中间导体定律在热电偶回路中插入第三种导体C，若第三种导体的两接点温度相同，则回路中热电势不变。热电偶回路中，两接点温度分别为T、T0时的热电势，等于接点温度为T、Tn和Tn、T0的两支同性质热电偶的热电势的代数和。EAB(T,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)4.热电偶的基本定律——中间温度定律4.热电偶的基本定律——中间温度定律对于冷锻温度不是零度时，定律为热电偶如何查分度表的问题提供了依据4.热电偶的基本定律——中间温度定律为引入“补偿导线”提供了理论依据。0~100℃范围内，金额所配套使用的热电偶具有同样热电特性的两根廉价金属导体4.热电偶的基本定律——中间温度定律定律表明：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，只要他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。4.热电偶的基本定律——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。即：导体A与B组成的热电偶的热电动势也可知5.热电偶的材料要求（1）能应用于较宽的温度范围，物理性质稳定，在测温范围内，热电特性不随时间变化；（2）化学性质稳定，不易被氧化、还原和腐蚀；（3）组成的热电偶产生的热电势率大，以得到较高的灵敏度，热电势与被测温度成线性或近似线性关系；（4）有高导电率和低电阻温度系数。这样，热电偶的内阻随温度变化就小；（5）具有较好的工艺性能，便于成批生产。复制性好，即同样材料制成的热电偶，它们的热电特性基本相同；便于采用统一的分度表。（6）材料来源丰富，价格便宜。标准化热电偶和非标准热电偶6.热电偶种类：标准化热电偶和非标准化热电偶标准化热电偶指工艺上比较成熟，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。国际电工委员会（IEC）对已被国际公认的八种热电偶制定了国际标准，它的型号和热电极用英文字母表示，第一个字母表示热电偶的类型，也成为分度号，第二个字母是P或N，表示正电极或负电极。主要目的是扩展高温和低温的测量范围。一般来讲，非标准化热电偶还没有统一的分度表，使用前需个别标定，以确定热电势和温度的关系。非标准化热电偶标准化热电偶及其主要特性非标准化热电偶及其主要特性常用热电偶的结构1.普通工业用装配式热电偶普通型热电偶主要由热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒等主要部分组成。绝缘管用于防止两根电极短路；保护套管用于保护热电极不受化学腐蚀和机械损伤；贵重金属热电极的直径一般为0.3~0.65mm，普通金属热电极的直径一般为0.5~3.2mm；热电极的长度由安装条件和插入深度而定，一般为350~2000mm；接线盒用来固定接线座和连接外接导线只用，骑着保护热电极免受外界侵蚀和外接导线与接线柱良好接触的作用。常用热电偶的结构1.普通工业用装配式热电偶常用热电偶的结构2.铠装（或套管式）热电偶由热电偶丝、绝缘材料、金属套管三者拉细组合而成一体。金属套管一般为铜、不锈钢、镍基高温合金等；保护套管和热电极之间填充绝缘材料粉末，常用的绝缘材料有氧化镁、氧化铝等；铠装型热电偶可以做得很细，在使用中可以随测量需要任意弯曲。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（1100℃以下）。2.铠装（或套管式）热电偶3、快速反应薄膜热电偶常用热电偶的结构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状热电偶。其热接点极薄（0.01~0.1μm）特别适用于对壁面温度的快速测量。安装时，用粘结剂讲=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，反应时间仅为几毫秒。4、快速消耗微型热电偶常用热电偶的结构可测钢水的温度。用直接为0.05~0.1mm的铂铑10-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。这种热电偶使用一次就焚化，但它的优点是热惯性小，测量精度可达±5~7℃热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定。由于热电偶的热端与冷端离得很近，冷端又暴露在空间，容易受到周围环境温度波动的影响，因而冷端温度难以保持恒定，为此需要进行温度补偿。补偿原因：实际应用时：热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0℃为依据，否则会产生误差。热电偶冷端补偿的方法冰点槽法热电偶冷端补偿的方法把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里，使To=0℃。这种办法仅限于科学实验中使用。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。计算修正法热电偶冷端补偿的方法补偿导线法热电偶冷端补偿的方法利用补偿导线，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。补偿电桥法热电偶冷端补偿的方法利用不平衡电桥产生热电势补偿热电偶因冷端温度变化而引起热电势的变化值。电桥由R1、R2、R3（锰铜丝绕制）、Rcu（铜丝绕制）四个桥臂和桥路电源组成。设计时，在0℃下使电桥平衡（R1=R2=R3=Rcu），此时Uab=0，电桥对仪表读数无影响。1.测量某一点的温度热电偶测温线路2.测量两点间的温度差（反向串联）热电偶测温线路3.测量平均温度（并联或正向串联）热电偶测温线路优点：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。特点：当有一支热电偶烧断时，难以觉察出来。当然，它也不会中断整个测温系统的工作。例2-1：已知铂铑10—铂铑热电偶（分度号为S）的冷端温度t0为20℃时，测得的热电势为9.47mV，求测量端温度t。解由题意可知ES（t，20）=9.474mV查S分度表可知ES（20，0）=0.113mV由中间温度定律得ES（t，0）=ES（t，20）+ES（20，0）=9.474+0.113=9.587mV例2-2：现有E分度号的热电偶、温度显示仪表，它们是由相应的补偿导线相连接。已知测量温度t=800℃，接点温度t0′=50℃,仪表环境温度t0=30℃，仪表机械调零位tm=30℃。如将补偿导线换成铜导线，仪表指示为多少？如将两根补偿导线的位置对换，仪表的指示又为多少？解当补偿导线改为铜导线时，冷端便移到了t0′=50℃处，故仪表的输入电势为Et=E1+E2=EE（800,50）+EE（30,0）=59.77mVtABA′B′t0′t0′t0t0此时仪表指示为t=784.1℃，应将机械零位调到50℃，才能指示出800℃若两根补偿导线反接，线路电势为Et=E1+Em=56.722+1.801=58.523mVEt=EE（800,50）-EE（50,30）=56.722mV再加上仪表机械零位的调整，则例2-3：有一采用S分度热电偶的测温系统，当t=1000℃，tn=40℃，冷端温度补偿器的平衡温度为20℃。试问此温度显示表的机械零位应调在多少度上？当冷端温度补偿器的电源开路（失电）时，仪表指示为多少？电源极性接反时，仪表指示又为多少？解（1）虽然热电偶冷端在40℃，由于冷端温度补偿器的作用，相当于冷端温度在20℃，此