理解热电偶的工作原理

1、2020/8/8,1,第4章 热电偶传感器,本章学习的主要内容有: 1、了解温度测量的基本概念和方法； 2、理解热电偶的工作原理，； 3、了解热电偶的分类及特点。,2020/8/8,2,温度测量的基本概念,一、温度测量的基本概念 温度标志着物质内部大量分子无规则运动的剧烈程度。温度越高，表示物体内部分子热运动越剧烈。,模拟图：在一个密闭的空间里，气体分子在高温时的运动速度比低温时快！,低温,高温,2020/8/8,3,二、温标,1、温度的数值表示方法称为温标。它规定了温度的读数的起点（即零点）以及温度的单位。各类温度计的刻度均由温标确定。 2、国际上规定的温标有：摄氏温标、华氏温标、热力学温标

2、等。,2020/8/8,4,几种温标的对比,正常体温为37 C ，相当于华氏温度多少度？,2020/8/8,5,热力学温标（K）,热力学温标是建立在热力学第二定律基础上的最科学的温标，是由开尔文（Kelvin）根据热力学定律提出来的，因此又称开氏温标。它的符号是T，单位是开尔文（K） 。,威廉汤姆逊开尔文勋爵像,2020/8/8,6,三、温度测量及传感器分类,温度传感器按照用途可分为基准温度计和工业温度计；按照测量方法又可分为接触式和非接触式；按工作原理又可分为膨胀式、电阻式、热电式、辐射式等等；按输出方式分，有自发电型、非电测型等。,2020/8/8,7,介绍几种温度测量方法,示温涂料（变色

3、涂料）,装满热水后图案变得清晰可辨,2020/8/8,8,变色涂料在电脑内部温度中的示温作用,CPU散热风扇,低温时显示蓝色,温度升高后变为红色,2020/8/8,9,体积热膨胀式,不需要电源，耐用；但感温部件体积较大。,气体的体积与热力学温度成正比,2020/8/8,10,红外温度计,2020/8/8,11,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；使用十分方便，所以常被用作测量炉子、管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度。 2、测温范围广：下限可达-270C ，上限可达1800C以上； 3、各温区中的热电势均符合国际计量委员会的标准。

4、4、便于远距离测量和多点测量，可测温度、温度差或者平均温度,2020/8/8,12,先看一个实验热电偶工作原理演示,热电极A,右端称为：自由端（参考端、冷端）,热电偶的工作原理,左端称为：测量端（工作端、热端）,热电极B,热电势,A,B,2020/8/8,13,从实验到理论：热电效应,指南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 将两种不同的导体（或半导体）A、B组合成闭合回路。若两结点处温度不同，则回路中将有电流流动，即回路中有热电动势存在。 此电动势的大小除了与材料本身的性质有关以外,还决定于结点处的温差，这种现象称为热电效应或塞贝克效应。,202

5、0/8/8,14,结点产生热电势的微观解释及图形符号,两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，从而产生热电势。,自由电子,A,B,eAB（ T ）,T,2020/8/8,15,热电偶就是根据此原理设计制作的将温差转换为电势量的热电式传感器。热电效应产生的热电势是由接触电势和温差电势两部分组成的。,2020/8/8,16,（一）接触电势,产生原因：两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属A和B的接触点处会发生自由电

6、子的扩散现象。自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，从而产生接触电势：,k：波尔兹曼常数； e：单位电荷电量； nA、nB：温度为T时,导体A、B的自由电子密度。,2020/8/8,17,（二）温差电动势,温度标志着物质内部大量分子无规则运动的剧烈程度。温度越高，表示物体内部分子热运动越剧烈。 模拟图：在一个密闭的空间里，气体分子在高温时的运动速度比低温时快！,温度的影响,2020/8/8,18,定义：同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势温差电动势,同一导体的两端温度不同时, 高温端的电子能量要比低温端的电子能量大, 因而从高温端跑到低温

7、端的电子数比从低温端跑到高温端的要多, 结果高温端因失去电子而带正电, 低温端因获得多余的电子而带负电, 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势，公式：,为汤姆逊系数，表示导体两端温度为1摄氏度时产生的温差电势。,2020/8/8,19,热电偶回路的热电势,热电偶回路中总的热电势应是接触电势与温差电势之和。,EAB（T，T0）=eAB（T）+eB（T，T0）-eAB（T0）-eA（T，T0）,经实践证明，在热电偶中起主要作用的是接触电动势， 温差电动势只占极小部分。可以忽略不计：,2020/8/8,20,有关热电偶热电势的讨论,热电

8、偶两结点所产生的总的热电势等于热端热电势与冷端热电势之差，是两个结点的温差t 的函数： EAB（T，T0）=eAB （ T ）- eAB （ T0 ）,当热电偶两电极材料固定后，热电动势便是两接点温度为T和T0时的函数差：,2020/8/8,21,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,热电势大致与两个结点的温差t 成正比,2020/8/8,22,二、有关热电偶的几点结论,规定：AB(T,T0)的含义，按位置顺序 A表示热电偶正极；B表示负极 T表示测量端温度；T0表示冷端温度； 符号变化，位置规定的含义不变。 AB

9、(T,T0)=-EBA(T,T0)=-EAB(T0,T) 解释：当nAnB,A为正极，B为负极。脚注AB的顺序表示电动势的方向。当脚注顺序改变时，电动势前面的符号（、）随之改变。,2020/8/8,23,1）热电势的大小仅与材料的性质及其两端点的温度有关，而与热电偶的形状、大小无关。 烧断的热电偶可重新焊接，用于测温。 2）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均质导体定律 必须采用两种不同的材料作为热电极。,温差电动势只占极小部分,2020/8/8,24,3）如果热电偶两结点温度相等t=t0，热电偶回路内的总电势亦为零。 4）热电偶A

10、B的热电势与A、B材料的中间温度无关，只与结点温度有关。 5）中间导体定律 利用热电偶进行测温, 必须在回路中引入连接导线和仪表, 接入导线和仪表后会不会影响回路中的热电势呢？,2020/8/8,25,热电偶定律,1、中间导体定律 利用热电偶进行测温, 必须在回路中引入连接导线和仪表, 接入导线和仪表后会不会影响回路中的热电势呢？ 中间导体定律：在热电偶测温回路内, 接入第三种导体C, 只要其两端温度相同, 则对回路的总热电势没有影响。,2020/8/8,26,证明:中间导体定律 由于温差电势可忽略不计, 则回路中的总热电势等于各接点的接触电势之和,EABC(T,T0)=eAB(T)+eBC(

11、T0)+eCA(T0) （*） 当T=T0时,有 EABC(T0)=eAB(T0 )+eBC(T0)+eCA(T0)=0 由此得eAB(T0 )-eBC(T0)-eCA(T0)=0 代入（*）式 ABC(T,T0)=eAB(T)-eAB(T0)=eAB(T,T0) 同理,加入第四、第五种导体后,只要加入的导体两端温度相等,同样不影响回路中的总热电势。,2020/8/8,27,利用热电偶测温时，连接导线和显示仪表等均可看成中间导体。根据中间导体定律只要保证连接导线和显示仪表各自两端的温度相同，则对热电偶的热电势没有影响。因此中间导体定律对热电偶的实际应用有十分重要的意义。图利用中间导体定律制成开

12、路电偶测量金属和金属壁面的温度。 根据此定律，除可在热电偶测温回路中接入各种类型的显示仪表或调节器外，也可以推广到对液态金属材料和固态金属材料表面的温度测量，如图所示。有时为了提高测量精度，或者为了使用上的方便，将热电极A和B直接插入液态金属或焊在固体金属表面上。例如，用热电偶连续测量铁水的温度就是这样的。在连续测量过程中，热电极不断地被铁水熔掉，而根据这个定律，就不需要先焊接了。,2020/8/8,28,2、中间温度定律 热电偶T与T0之间若有一温度Tn，热电偶的热电动势AB(T,T0)可以用AB(T,Tn)与AB(Tn,T0)的和来表示。 证明 中间温度定律为热电偶分度表的制定和使用奠定了

13、基础。,2020/8/8,29,3、参考电极定律 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。,如图，导体A、B分别与标准电极C组成热电偶，若它们所产生的热电动势为已知，即,那么，导体A与B组成的热电偶，其热电动势可由下式求得：,2020/8/8,30,参考电极定律是一个极为实用的定律,纯金属的种类很多，合金类型更多。要得出这些金属之间组合而成热电偶的热电动势，工作量极大。由于铂的物理、化学性质稳定，熔点高，易提纯，所以，通常选用高纯铂丝作为标准电极，只要测得各种金属与纯铂组成的热电偶的热电动势表4-2，则各种金属之间相互组合而成的

14、热电偶的热电动势可直接计算。 例如：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，考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为-4.0mV；则镍铬和考铜组合成的热电偶所产生的热电动势： 2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV,用于制造铂热电偶的各种铂热电偶丝,2020/8/8,31,三、热电偶冷端温度补偿,热电效应的原理可知，热电偶产生的热电动势与两端温度有关。只有将冷端的温度恒定，热电动势才是热端温度的单值函数。,必要性： 1、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，

15、 因此将产生误差。 2、 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 。,2020/8/8,32,A、冷端冰浴法（0恒温器） 将热电偶的冷端置于温度为0的恒温器内(如冰水混合物)，使冷端温度处于0。这种装置通常用于实验室或精密的温度测量。,在冰杯中，冰水混合物的温度能较长时间地保持在0C不变。,2020/8/8,33,B、冷端恒温法,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为0，故最后还需对热电偶进行冷端温度

16、修正。,1被测流体管道 2热电偶 3接线盒 4补偿导线 5铜质导线 6毫伏表 7恒温器 8混合物 9试管 10新冷端,2020/8/8,34,冷端温度的修正计算,当热电偶的冷端温度t00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0时所测得的热电势EAB（t，0）不等。若冷端温度高于0，则EAB（t，t0）EAB（t，0）。下式计算并修正测量误差： EAB（t，0）=EAB（t，t0）+EAB（t0，0）,EAB(t，0)为热电偶热端温度为t，冷端温度为0时的热电动势； EAB(t，t0)为热电偶热端温度为t，冷端温度为t0时的热电动势； EAB(t0

17、，0)为热电偶热端温度为t0，冷端温度为0时的热电动势。,2020/8/8,35,例：用镍铬-镍硅热电偶测炉温，当冷端温度为30 (且为恒定时)，测出热端温度为t时的热电动势为39.17mV，求炉子的真实温度。,2020/8/8,36,由镍铬-镍硅热电偶分度表查出E(30，0)=1.203mV根据公式计算出 再通过分度表查出其对应的实际温度为：t=977,2020/8/8,37,C 机械调零法 在精度要求不高的场合，可将动圈仪表的机械零点调至热电偶冷端所处的温度T0处。,2020/8/8,38,电桥补偿法,电桥补偿法是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势变

18、化值，可购买与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥。,XT-WBC热电偶端补偿器,2020/8/8,39,（一）补偿导线法,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。 所谓补偿导线：实际上是一对材料化学成分不同的导线，在0100温度范围内与配接的热电偶有一致的热电特性，但价格相对要便宜。若利用补偿导线，将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所(如仪表室)，其实质是相当于将热电极延长。,2020/8/8,40,补偿导线型号,书p70 表43,2020/8/8,41,补偿导线外形,A,B,屏蔽层,保护层,2020/8/8,42,在使用延长线时的应注意以下几

19、方面：,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； 注意极性，不能接反，否则会造成更大的误差； 延长线与热电偶连接的两个结点，其温度必须相同。,2020/8/8,43,第三节 热电偶的种类及结构,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,几种常用热电偶的测温范围及热电势,5种热电偶的测温范围与热电势各有什么特点？,热电偶的分度表,热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法,我国从1991年开始采用国际计量委员会规定的“1990年国际温标”（简称ITS-90）的新标准。按此标准，制定了相应的分度表，并且有相应的线性化集成电路与之对应。,直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是：自由端（冷端）温度必须为0C。 本教材p41的表41列出了工业中常用的热电偶如镍铬-镍硅（K）的分度表。,2020/8/8,46,普通装配型热电偶的外形,安装螺纹,安装法兰,2020/8/8,47,普通装配型热电偶的结构放大图,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,2020/8/8