热电偶基础知识介绍

1、2021/6/16 第四章 非电量的电测技术 1 热电偶传感器介绍 在工业生产过程中，温度是需要测量和控制的重要参 数之一。在温度测量中，热电偶的应用极为广泛，它 具有结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯 性小和输出信号便于远传等许多优点, ,在温度测量中 占有重要的地位。其测温范围较宽，一般为-50-50 16001600，最高的可达到30003000。 另外，由于热电偶是一种有源传感器，测量时不需外 加电源，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。 2021/6/16 第四章 非电量的电测技术 2 一、 热电偶的测温原理 先看一个实验先看一个实

2、验热电偶工作原理演示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。结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。 热电极热电极A A 右端称为：右端称为： 自由端自由端 （参考端、（参考端、 冷端）冷端） 左端称为：左端称为： 测量端（工测量端（工 作端、热端）作端、热端） 热电极热电极B B 热电势热电势 A A B B 2021/6/16 第四章 非电量的电测技术 3 从实验到理论：热电效应 18211821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭 合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结 点），发现放在回路中的指南针发生偏转（说明什 么？），如果用两盏酒

3、精灯对两个结点同时加热，指 南针的偏转角反而减小（又说明什么？）。 显然，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。 2021/6/16 第四章 非电量的电测技术 4 通过以上演示得出结论有关热电偶热电势的讨论 将两种不同的导体（或半导体）A A、B 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。 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

4、和温差电势两部分组成的。 2021/6/16 第四章 非电量的电测技术 5 （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 A和B 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 A扩散到密度小的金属B B，使A A失去电子带正电，B B 得到电子带负电，从而产生接触电势： 自自 由由 电电 子子 A B e eAB AB(T) (T)T T Bt At AB N N e kt tEln)( k k：波尔兹曼常数；：波尔兹曼常数； e e：单位电荷电量；：单位电荷电量； N NAT AT、 、N NBT BT：温度为 ：

5、温度为T T时时, ,导体导体A A、B B的的 自由电子密度。自由电子密度。 2021/6/16 第四章 非电量的电测技术 6 （二）温差电动势 温度标志着物质内温度标志着物质内 部大量分子无规则部大量分子无规则 运动的剧烈程度。运动的剧烈程度。 温度越高，表示物温度越高，表示物 体内部分子热运动体内部分子热运动 越剧烈。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！速度比低温时快！ 温度的影响温度的影响 2021/6/16 第四章 非电量的电测技术 7 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

6、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： E EA A（t t，t t0 0）=U=UAt At-U -UAt0 At0 dT dt tNd Ne k UUttE At At AttAA ),(1 ),( t t 00 0 考虑：如果同一导体各点温度相同，即考虑：如果同一导体各点温度相同，即t t

7、t t0 0，则回路总电，则回路总电 动势必为零？动势必为零？ 2021/6/16 第四章 非电量的电测技术 8 （三）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。 E EAB AB（ （t t，t t0 0）= =E EAB AB（ （t t） +E EB B（t t，t t0 0） - -E EAB AB（ （t t0 0）- -E EA A（t t，t t0 0） 经实践证明，在热电偶中起主要作用的是接触电动势，温差经实践证明，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：电动势只占极小部分。可以忽略不计： E EAB AB（ （

8、t t，t t0 0）= = E EAB AB（ （t t）- -E EAB AB（ （t t0 0）dT N N e k Bt At ln t t0 2021/6/16 第四章 非电量的电测技术 9 综上所述，如下结论： 热电偶回路中热电动势的大小，与组成热电偶的导 体材料和两接点的温度有关，而与热电偶的形状尺 寸无关。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 t和t t0 0时的函数差： 对于已选定的热电偶, , 当参考端温度t t0 0恒定时, , E EAB AB(t (t0 0) )为常数, ,则总的热电动势就只与温度t t成单值 函数关系, , 即 AB AB(t,t

9、 (t,t0 0)=E)=EAB AB(t)-C= (t)-C=(t)(t) E EAB AB（ （t t，t t0 0）= = E EAB AB（ （t t）- -E EAB AB（ （t t0 0） )f(t-f(t)t(t,E 00AB 2021/6/16 第四章 非电量的电测技术 10 （四）实际应用 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。 目前热电偶统一规定在T0=0的条件下，给出测量 端温度与热电势的数值对照表，即分度表自由端（约 束条件：冷端温度必须为

10、0 ）。实际测温时，根 据测出的热电势可通过查对应的分度表，查得所测的 温度值。 本教材p366的附录列出了工业中常用的分度表 2021/6/16 第四章 非电量的电测技术 11 二、有关热电偶的几点结论 规定：AB AB(t,t (t,t0 0) )的含义，按位置顺序 A A表示热电偶正极；B B表示负极 t t表示测量端温度；t0t0表示冷端温度； 符号变化，位置规定的含义不变。 AB AB(t,t (t,t0 0)=-E)=-EBA BA(t,t (t,t0 0)=-E)=-EAB AB(t (t0 0,t),t) 解释：当N NA ANNB B,A,A为正极，B B为负极。脚注ABAB

11、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。 利用热电偶作为传感器来检测温度时，必须在热电偶回路中引入显示或记录仪表，利用热电偶作为传感器来检测温度时，必须在热电偶回路中引入显示或记录仪表， 并用连接导线将它们连接起来，因此必须掌握下面的基本定律，以保证能够正确并用连接导线将它们连接起来，因此必须掌握下面的基本定律，以保证能够正确 的选择和使用热电偶。的选择和使用热电偶。 2021/6/16 第四章 非电量的电测技术 12 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

12、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。 0ln),( t t 0 0 dT N N e k ttE At At AB 温差电动温差电动 势只占极小势只占极小 部分部分 2021/6/16 第四章 非电量的电测技术 13 3 3）如果热电偶两结点温度相等t=tt=t0 0，热电偶回路内的总 电势亦为零。 4 4）热电偶ABAB的热电势与A A、B B材料的中间温度无关，只与 结点温度有关。 5 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

13、响回路中的热电势 呢？ 0ln),( t t 0 0 dT N N e k ttE Bt At AB 中间导体定律：在热电偶测中间导体定律：在热电偶测 温回路内温回路内, , 接入接入第三种导体第三种导体C C, , 只要其两端温度相同只要其两端温度相同, , 则对回则对回 路的总热电势没有影响。路的总热电势没有影响。 2021/6/16 第四章 非电量的电测技术 14 l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。即 E EABC ABC(T,T (T,T0 0)=e)=eAB AB(T)+e (T)+eBC BC(T (T0 0)+e

14、)+eCA CA(T (T0 0) ) （* *） 当当T=TT=T0 0时时, ,有有 E EABC ABC(T (T0 0)=e)=eAB AB(T (T0 0 )+e )+eBC BC(T (T0 0)+e)+eCA CA(T (T0 0)=0)=0 由此得由此得e eAB AB(T (T0 0 ) )-e-eBC BC(T (T0 0)-e)-eCA CA(T (T0 0)=0)=0 代入代入（* *）式式 ABC ABC(T,T (T,T0 0)=e)=eAB AB(T)-e (T)-eAB AB(T (T0 0)=e)=eAB AB(T,T (T,T0 0) ) 同理同理, ,加入

15、第四、第五种导体后加入第四、第五种导体后, ,只要加入的导体两端温只要加入的导体两端温 度相等度相等, ,同样不影响回路中的总热电势。同样不影响回路中的总热电势。 2021/6/16 第四章 非电量的电测技术 15 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

16、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 A和B 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。 T0 AB T 金属壁面 M M 连接管 热电偶 液态金属 2021/6/16 第四章 非电量的电测技术 16 6）标准电极定律 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。 )t(t,E-)t(t,E)t(t,E 0BC0AC0AB + A t t0 + t t0 + t t0

17、CCBBA )(tE-(t)E)t(t,E 0ACAC0AC )(tE-(t)E)t(t,E 0BCBC0BC 如图，导体如图，导体A A、B B分别与标准电极分别与标准电极 C C组成热电偶，若它们所产生的组成热电偶，若它们所产生的 热电动势为已知，即热电动势为已知，即 那么，导体那么，导体A A与与B B组成的热电偶，其组成的热电偶，其 热电动势可由下式求得：热电动势可由下式求得： 2021/6/16 第四章 非电量的电测技术 17 应用：标准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

18、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4-24-2，则各种金属之 间相互组合而成的热电偶的热电动势可直接计算。 例如：热端为100100，冷端为00时，镍铬合金与纯铂 组成的热电偶的热电动势为2.95mV2.95mV，考铜与纯铂组成 的热电偶的热电动势为-4.0mV-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)=6.95mV2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV 用于制造用于制造铂铂热电偶热电偶 的各种的各种铂铂热电偶丝热电偶丝 2021/6/16 第四章 非电量的电测技术

19、18 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。势才是热端温度的单值函数。 必要性：必要性： 1 1、用热电偶的分度表查毫伏数、用热电偶的分度表查毫伏数- -温度时，温度时，必须满足必须满足 t t0 0=0=0 C C的条件的条件。在实际测温中，冷端温度常随环境温。在实际测温中，冷端温度常随环境温 度而变化，这样度而变化，这样t t0 0不但不是不但不是0 0 C C，而且也不恒定，而且也不恒定， 因因 此将产生误

20、差。此将产生误差。 2 2、 一般情况下，冷端温度均高于一般情况下，冷端温度均高于0 0 C C，热电势总是偏，热电势总是偏 小。应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失小。应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失 。 2021/6/16 第四章 非电量的电测技术 19 （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。

21、 2021/6/16 第四章 非电量的电测技术 20 补偿导线型号补偿导线型号 书书p70 p70 表表4 43 3 2021/6/16 第四章 非电量的电测技术 21 补偿导线外形 AA BB 屏蔽层屏蔽层 保护层保护层 2021/6/16 第四章 非电量的电测技术 22 在使用延长线时的应注意以下几方面： 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。 2021/6/16 第四章 非电量的电测技术 23 例:采用镍铬-镍硅热电偶测量炉温。热端温度为800，冷端温度为 50。

22、为了进行炉温的调节及显示，必须将热电偶产生的热电动势信 号送到仪表室，仪表室的环境温度恒为20。 由镍铬- -镍硅热电偶分度表查出它在冷端温度为0 0，热端温度为800800 时的热电动势为E(800E(800，0)0)= =33.275mV33.275mV；热端温度为5050时的热电动 势为E(50E(50，0)0)= =2.023mV2.023mV；热端温度为2020时的热电动势为E(20E(20， 0)=0.798mV0)=0.798mV。 如果热电偶与仪表之间直接用铜导线连接，根据中间导体定律，输入 仪表的热电动势为：E(800E(800，50)=E(80050)=E(800，0)-E

23、(500)-E(50，0)=(33.277-0)=(33.277- 2.022)mV=31.255mV(2.022)mV=31.255mV(相当于751751) )。 如果热电偶与仪表之间用补偿导线连接，相当于将热电偶延伸到仪表 室，输入仪表的热电动势为：E(800E(800，20)=E(80020)=E(800，0)-E(200)-E(20， 0)=(33.277-0.798)mV=32.479mV(0)=(33.277-0.798)mV=32.479mV(相当于781781) )。与炉内的真实温 度相差分别为： 751751-800-800=-49=-49 781 781-800-800=

24、-19=-19 可见，补偿导线的作用是很明显的。 2021/6/16 第四章 非电量的电测技术 24 例4-8 2021/6/16 第四章 非电量的电测技术 25 （二）冷端恒温法 A A、00恒温器 将热电偶的冷端置于温度为00的恒温器内( (如冰水混 合物) )，使冷端温度处于00。这种装置通常用于实验 室或精密的温度测量。 在冰杯中，冰水混合物的温在冰杯中，冰水混合物的温 度能较长时间地保持在度能较长时间地保持在0 0 C C 不变。不变。 冰浴法，它消除了t0不等于0 而引入的误差，由于冰融化较 快，所以一般只适用于实验室 中。 2021/6/16 第四章 非电量的电测技术 26 B

25、B、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 度不为0，故最后还需对热电偶进行冷端温度修正。 1 1被测流体管道被测流体管道 2 2热电偶热电偶 3 3接线盒接线盒 4 4补偿导线补偿导线 5 5铜质导铜质导 线线 6 6毫伏表毫伏表 7 7恒温器恒温器 8 8混合物混合物 9 9试管试管 1010新冷端新冷端 2021/6/16 第四章 非电量的电测技术 27 （三）冷端温度的修正计算 当热电偶的冷端温度t t0 000时，由于热端

26、与冷端的温 差随冷端的变化而变化，所以测得的热电势E EAB AB（t t，t t0 0） 与冷端为00时所测得的热电势E EAB AB（t t，0 0）不等。若 冷端温度高于00，则E EAB AB（t t，t t0 0）E EAB AB（t t，0 0）。下 式计算并修正测量误差： E EAB AB（t t，0 0）=E =EAB AB（t t，t t0 0）+E +EAB AB（t t0 0，0 0） E EAB AB(t (t，0)0)为热电偶热端温度为为热电偶热端温度为t t，冷端，冷端 温度为温度为0 0时的热电动势；时的热电动势； E EAB AB(t (t，t t0 0) )为

27、热电偶热端温度为为热电偶热端温度为t t，冷端，冷端 温度为温度为t t0 0时的热电动势；时的热电动势； E EAB AB(t (t0 0，0)0)为热电偶热端温度为为热电偶热端温度为t t0 0，冷，冷 端温度为端温度为0 0时的热电动势。时的热电动势。 2021/6/16 第四章 非电量的电测技术 28 例：用镍铬- -镍硅热电偶测炉温，当冷端温度为30 30 ( (且为恒定时) )，测出热端温度为t t时的热电动势为 39.17mV39.17mV，求炉子的真实温度。 由镍铬- -镍硅热电偶分度表查出E(30E(30，0)=1.203mV0)=1.203mV根 据公式计算出 再通过分度表

28、查出其对应的实际温度为：t=977t=977 2021/6/16 第四章 非电量的电测技术 29 （四）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化值， 可购买与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥。 XT-WBC XT-WBC热电偶端补偿器热电偶端补偿器 2021/6/16 第四章 非电量的电测技术 30 四、常用热电偶及其特性 国际电工委员会19751975年向世界各国推荐七种标准型热电 偶。我国生产的符合IECIEC标准的热电偶有六种，书上介绍： 铂铑10 10- -铂热电偶 这种热电偶分度号为“S”S”。它的正极是铂铑丝( (铂90

29、%90%， 铑l0%)l0%)，负极是纯铂丝。测温范围为0170001700。其特点是热电性能稳定，抗氧化性强， 宜 在 氧 化 性 、 惰 性 气 氛 中 工 作 。 由 于 精 度 高 ， 故 国 际 温 标 中 规 定 它 为 630.741064.43630.741064.43温度范围内复现温标的标准仪器。常用作标准热电偶或用于高温测 量。 镍铬- -镍硅热电偶 这种热电偶分度号为“K K”。它的正极是镍铬合金( (镍 90.5%90.5%，铬9.5%)9.5%)，负极为镍硅( (镍97.5%97.5%，硅2.5%)2.5%)。测温范围为-200+1300-200+1300。其特 点是

30、测温范围很宽、热电动势与温度关系近似线性、热电动势大及价格低。缺点是热 电动势的稳定性较B B型或S S型热电偶差，且负极有明显的导磁性。 镍铬- -锰白铜热电偶 这种热电偶分度号为“E”E”。它的正极是镍铬合金， 负极是铜镍合金( (铜55%55%，镍45%)45%)。测温范围为-200+1000-200+1000。其特点是热电动势较其 他常用热电偶大。适宜在氧化性或惰性气氛中工作。 1.1.铂铑30 30- -铂铑6 6热电偶 这种热电偶分度号为“B B”。它的正极是铂铑丝( (铂 70%70%，铑30%)30%)，负极也是铂铑丝( (铂94%94%，铑6%)6%)，故俗称双铂铑。测温范围

31、为0170001700。 其特点是测温上限高。在冶金反应、钢水测量等高温领域中得到了广泛的应用。 2021/6/16 第四章 非电量的电测技术 31 K K热电偶的分热电偶的分 度表度表 比较查出的比较查出的 三个热电势三个热电势， 热电势是否热电势是否 线性？线性？ 2021/6/16 第四章 非电量的电测技术 32 如何由热电偶的热电势查热端温度值？ 设冷端为设冷端为0 0 C C，根据以下电路中的毫伏表的示值及，根据以下电路中的毫伏表的示值及K K热电偶的热电偶的 分度表，查出热端的温度分度表，查出热端的温度t tx x。 2021/6/16 第四章 非电量的电测技术 33 五、 热电偶常用测量电路 热电偶测温时, 它可以直接与显示仪表（如电子电位 差计、 数字表等）配套使用, 也可与温度变送器配套, 转换成标准电流信号, 图为典型的热电偶测温线路。 2021/6/16 第四章 非电量的电测技术 34 如用一台