热电偶 温度传感器的设计

1、基于热电偶的温度传感器 现代检测技术课程主要内容n热电偶的基本原理；热电偶的基本原理；n热电偶的种类；热电偶的种类；n热电偶测温补偿方法；热电偶测温补偿方法；n变送器的实现；变送器的实现； 1.热电偶的基本原理工作原理：工作原理：u热电势效应热电势效应( (赛贝克效应赛贝克效应) )两种不同材料的导体两种不同材料的导体 a a 与与 b b，按图所示的组合在一，按图所示的组合在一起，如果两结点的温度不同，则在回路中就会有电起，如果两结点的温度不同，则在回路中就会有电势产生，其电势（电流）的大小与两导体的性质和势产生，其电势（电流）的大小与两导体的性质和结点的温度有关。这种现象称为结点的温度有关

2、。这种现象称为热电势效应热电势效应。u热电势热电势n接触电势接触电势n温差电势温差电势abt( )lnabnktabqnet 接触电势接触电势原理图式中式中 :na、nb 导体导体a、b的自由电子密度（的自由电子密度（ nanb ） k波尔兹曼常数；波尔兹曼常数；1.3810-23j/k q 电子电量电子电量aea(t,to)totea(t，t0)导体a两端温度为t、t0时形成的温差电动势；t，t0高低端的绝对温度； a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，例如在0时，铜的 =2v/。 温差电势00( ,)taatet tdt温差电势原理图两种导体的接触电势（珀尔贴电势）

3、a,b两金属在温度两金属在温度 t 时的接触电势时的接触电势eab(t): eab(t)=(kt/q)ln(na/nb) 式式中中 : na、nb a、b的自由电子的自由电子密度（密度（ nanb ） k波尔兹曼常数；波尔兹曼常数；1.3810-23j/k q 电子电子电量电量总的接触电势为：总的接触电势为： eab(t, t0）=k (t - t0) / qln( na / nb)两种导体的温差电势（汤姆逊效应）n设导体设导体 a 达到动态平衡时的温差电势为达到动态平衡时的温差电势为ea(t，t0），），导体导体 b 的温差电势为的温差电势为 eb(t，t0）。由）。由a，b两导体组两导体组

4、成的闭合电路成的闭合电路总温差电势总温差电势： 式中：式中：a、 b导体导体a，b的汤姆逊系数的汤姆逊系数 tbttaabdtte)(),(00热电偶热电偶总热总热电势电势tttbabaabababdnnqttkttettette)()/ln(/ )(),(),(),(000001 1、 同种同种导体构成的热电偶导体构成的热电偶, ,即便即便 t t t t0 0。闭合回路中也闭合回路中也不会产生不会产生 热热电势。因此，作为热电偶，必须采用电势。因此，作为热电偶，必须采用两种不同的导体两种不同的导体作作热极。热极。2. 2. 热电偶热电偶所产生的热电势大小，只决定于所产生的热电势大小，只决定

5、于热电极材料的热电极材料的成分成分和和两两结点温度结点温度，与热电极的长度，直径和接触面的形状、，与热电极的长度，直径和接触面的形状、大小无关。大小无关。当当t t=t0 t0 时，热电势为零。时，热电势为零。3. 3. 热电偶热电偶两电极材料成分确定后，热电势大小只由两结点温两电极材料成分确定后，热电势大小只由两结点温度决定，与电极中间温度无关。若自由端温度度决定，与电极中间温度无关。若自由端温度 t0 t0 保持一定，保持一定，热电偶的热电势仅是测量端温度热电偶的热电势仅是测量端温度 t t的的单值函数单值函数。即。即： e eabab(t(t， t t0 0）= = （t t）tttba

6、baabababdnnqttkttettette)()/ln(/ )(),(),(),(00000结论结论:n热电偶应用定律n中间导体定律n中间温度定律n标准导体（电极）定律tabt0abtc 在热电偶测温回路内，接入第三种导体时，只要第三种导体的两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响。中间导体定律 应用：利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线和仪表，接入导线和仪表后不会影响回路中的热电势。c0ab00( ,)( )()( ,)abababet tetetet t 若三个接点的温度均为t0，则回路的总热电势为 eabc（t0）= eab(t0)+ ebc(t0)+ eca(t0)=0

7、若a、b接点温度为t，其余接点温度为t0，且t t0，则回路的总热电势为 eabc（t，t0）= eab(t)+ ebc(t0)+ eca(t0) 因为eab(t0)=-ebc(t0)+ eca(t0) 所以 eabc（t，t0）= eab(t)- eab(t0)中间导体定律测量仪表及引线作为第三种导体的热电偶回路 中间温度定律eab(t,t0)=eab(t,tc)+eab(tc,t0) 在热电偶测温回路中，tc为热电极上某一点的温度，热电偶ab在接点温度为t、t0时的热电势eab(t, t0)等于热电偶ab在接点温度t、tc和tc、t0时的热电势eab(t, tc)和eab(tc, t0)的

8、代数和，即 中间温度定律 中间温度定律的应用 根据这个定律，可以连接与热电偶热电特性相近的导体a和b ，将热电偶冷端延伸到温度恒定的地方，这就为热电偶回路中应用补偿导线提供了理论依据。 该定律是参考端温度计算修正法的理论依据。在实际热电偶测温回路中, 利用热电偶这一性质, 可对参考端温度不为0的热电势进行修正。标准导体（电极）定律0c0c0( ,)( ,)( ,)ababet tet tet t标准导体定律的意义n通常选用高纯铂丝作标准电极n只要测得它与各种金属组成的热电偶的热电动势，则各种金属间相互组合成热电偶的热电动势就可根据标准电极定律计算出来。 例子n热端为100，冷端为0时，镍铬合金

9、与纯铂组成的热电偶的热电动势为2.95mv，而康铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为4.0mv，则镍铬和康铜组成的热电偶所产生的热电动势应为：n2.95(4.0)=6.95(mv)热电偶的分度表n不同金属组成的热电偶，温度与热电动势之间有不同的函数关系，一般通过实验的方法来确定，并将不同温度下测得的结果列成表格，编制出热电势与温度的对照表，即分度表。 例子 用镍铬-镍硅热电偶测量加热炉温度。已知冷端温度t0=30，测得热电势eab（t，t0）为33.29mv, 求加热炉温度。 查镍铬-镍硅热电偶分度表得eab（30，0）1.203 mv。可得 eab（t，0）= eab(t,t0)+eab(t0,

10、0)=33.29+1.203=34.493mv由镍铬-镍硅热电偶分度表得t=829.8。 2.热电偶的种类 按材料：按材料： 廉金属廉金属 贵金属贵金属 难熔金属难熔金属 非金属非金属按用途和结构：按用途和结构： 1. 普通工业用：普通工业用： 直直形形 角形角形 锥形锥形 2. 专用专用 ： 锴装（缆式）锴装（缆式） 薄膜（薄膜（cpu 测温片测温片）热电偶材料及标准热电偶n所谓标准热电偶，是指工艺比较成熟，应用广泛，性能优良，同一型号可以互换，统一分度，并有配套显示仪表。n标准热电偶有：铂铑-铂、镍铬-镍铝、镍铬-康铜（cu-56%, ni-44%）、镍铬-康铜（cu-60%, ni-40

11、%）等。标准化热电偶的主要性能和特点 热电偶名称正热电极负热电极分度号测温范围特点铂铑30铂铑6铂铑30铂铑6b01700（超高温）适用于氧化性气氛中测温，测温上限高，稳定性好。在冶金、钢水等高温领域得到广泛应用。铂铑10铂铂铑10纯铂s01600（超高温）适用于氧化性、惰性气氛中测温，热电性能稳定，抗氧化性强，精度高，但价格贵、热电动势较小。常用作标准热电偶或用于高温测量。镍铬镍硅镍铬合金镍硅k2001200（高温）适用于氧化和中性气氛中测温，测温范围很宽、热电动势与温度关系近似线性、热电动势大、价格低。稳定性不如b、s型热电偶，但是非贵金属热电偶中性能最稳定的一种。镍铬康铜镍铬合金铜镍合金

12、e200900（中温）适用于还原性或惰性气氛中测温，热电动势较其他热电偶大，稳定性好，灵敏度高，价格低。铁康铜铁铜镍合金j200750（中温）适用于还原性气氛中测温，价格低，热电动势较大，仅次于e型热电偶。缺点是铁极易氧化。铜康铜铜铜镍合金t200350（低温）适用于还原性气氛中测温，精度高，价格低。在2000可制成标准热电偶。缺点是铜极易氧化。n其中铂铑10-铂热电偶属于贵金属，它被规定为6301064的测温标准，但它的灵敏度较低（100 时为0.643mv)；n镍铬-镍铝（镍铬-镍硅）是非贵重金属中性能最稳定的一种，因此应用最广。电极制作得较粗（约 3 mm），因而使用寿命长、强度高等。它

13、的热电势也较高（100 时为4.1mv)；n镍铬-康铜的热电势最大（ 100 时为6.95mv),但它的测量温度上限不高（ 900 ），电极材料的成分不容易保证。 3. 热电偶的冷端温度补偿 当热端温度为t 时，分度表所对应的热电势eab(t, 0)与热电偶实际产生的热电势eab(t,t0)之间的关系可根据中间温度定律得到下式： eab(t,0)= eab(t,t0)+eab(t0，0) 由此可见，eab(t0，0)是冷端温度t0的函数，因此需要对热电偶冷端温度进行处理。 热电偶一般做得较短， 一般为3502000mm。在实际测温时，需要把热电偶输出的电势信号传输到远离现场数十米远的控制室里的

14、显示仪表或控制仪表，这样, 冷端温度t0比较稳定。关于热电偶补偿导线 解决办法：工程中采用一种补偿导线。在0100温度范围内，要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性。 设设热电偶测量端温度热电偶测量端温度为为t，自由端温度自由端温度为为t0 （ 0 ），）， 根据根据中间温度定律中间温度定律： e（t，0）=e（t，t0）+e（ t0，0） 知道自由端的知道自由端的温度温度t0 t0 ，查出热电势值，查出热电势值e e（ t0 t0 ,0,0）, ,与实测与实测的热电势值的热电势值e e（t, t0 t, t0 ）相加，得出测量端温度）相加，得出测量端温度 t t，自由端自由端温度为温度为

15、0 0 时的热电势值时的热电势值 e e（t t，0 0），最后再由热电偶分度），最后再由热电偶分度表查出被测介质的真实温度。表查出被测介质的真实温度。 1、计算修正法为减少一次查表，工程上常采用这种方法：为减少一次查表，工程上常采用这种方法： t= t + kt0式中式中 ： t被测真实温度；被测真实温度； t由由e ( t, t0 ) 值查分度表得出的温度；值查分度表得出的温度； t0冷端恒定温度；冷端恒定温度； k修正系数修正系数2、 自由端温度恒温法n将热电偶自由端置于将热电偶自由端置于0 的恒温容器中。的恒温容器中。n最简易的办法是在保温瓶中装入冰水混合液，但只最简易的办法是在保温瓶

16、中装入冰水混合液，但只适用于室内适用于室内。n一般工程测量或控制常采用的方法：一般工程测量或控制常采用的方法：a.将自由端埋入地下将自由端埋入地下 1.5m 2m 深处，使其温度相对保持恒定。深处，使其温度相对保持恒定。b.将自由端放入电热恒温箱内。将自由端放入电热恒温箱内。c.将自由端放入装有变压器油的保温瓶内将自由端放入装有变压器油的保温瓶内。3、电桥补偿法g电桥补偿法补偿电路图补偿导线铜导线bacdtt0er5r4r1r3r2abt0电桥补偿原理n电桥中电桥中 r4 r4 是具有正温度系数的电阻，其它为固是具有正温度系数的电阻，其它为固定电阻。当冷端为定电阻。当冷端为00时，使电桥平衡。时，使电桥平衡。n当当冷端冷端t0t0为一恒定温度时为一恒定温度时( (假定这个恒定温度不假定这个恒定温度不是是0)0)，若若t0