热电偶基本原理和使用方法

1、热电偶基本原理和使用方法常用热电偶分度号有S、 B、 K、 E、 T、 J 等，这些都是标准化热电偶。其中K 型也即镍铬镍硅热电偶，它是一种能测量较高温度的廉价热偶。由于这种合金具有较好的高温抗氧化性，可适用于氧化性或中性介质中。它可长期测量1000 度的高温，短期可测到1200 度。它不能用于还原性介质中，否则，很快腐蚀，在此情况下只能用于500 度以下的测量。它比S 型热偶要便宜很多，它的重复性很好，产生的热电势大，因而灵敏度很高，而且它的线性很好。虽然其测量精度略低，但完全能满足工业测温要求，所以它是工业上最常用的热电偶。概述：作为工业测温中最广泛使用的温度传感器之一热电偶，与铂热电阻一

2、起，约占整个温度传感器总量的60%,热电偶通常和显示仪表等配套使用，直接测量各种生产过程中 -401800 C范围内的液体、蒸气和气体介质以及固体的表面温度 。热电偶工作原理：两种不同成份的导体(称为热电偶丝材或热电极)两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端(也称为测量端)，另一端叫做冷端(也称为补偿端)； 冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。热电偶实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度

3、，对于热电偶的热电势，应注意如下几个问题：(1)热电偶的热电势是热电偶两端温度函数的差，而不是热电偶两端温度差的函数；(2)热电偶所产生的热电势的大小，当热电偶的材料是均匀时，与热电偶的长度和直径无关，只与热电偶材料的成份和两端的温差有关；(3)当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后，热电偶热电势的大小，只与热电偶的温度差有关；若热电偶冷端的温度保持一定，这进热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。热电偶的基本构造：工业测温用的热电偶，其基本构造包括热电偶丝材、绝缘管、保护管和接线盒等。一、常用热电偶丝材及其性能1、钳铐10钳热电偶(分度号为S,也称为单钳铐热电偶)该热电偶的正极成份为含铑10%

4、 的铂铑合金，负极为纯铂；它的特点是：(1)热电性能稳定、抗氧化性强、宜在氧化性气氛中连续使用、长期使用温度可达1300 c，超达1400 c 时，即使在空气中、纯铂丝也将会再结晶，使晶粒粗大而断裂；（2）精度高，它是在所有热电偶中，准确度等级最高的，通常用作标准或测量较高的温度；（3）使用范围较广，均匀性及互换性好；（4）主要缺点有：微分热电势较小，因而灵敏度较低；价格较贵，机械强度低，不适宜在还原性气氛或 有金属蒸汽的条件下使用。2、钳铐13钳热电偶（分度号为R,也称为单钳铐热电偶）该热电偶的正极为含13% 的铂铑合金，负极为纯铂，同S 型相比，它的电势率大15% 左右，其它性能几乎相同，

5、该种热电偶在日本产业界，作为高温热电偶用得最多，而在中国，则用得较少；3、钳铐30 钳铐6热电偶（分度号为B ,也称为双钳铐热电偶）该热电偶的正极是含铑30% 的铂铑合金，负极为含铑6% 的铂铑合金，在室温下，其热电势很小，故在测量时一般不用补偿导线，可忽略冷端温度变化的影响；长期使用温度为1600 ，短期为 1800 ，因热电势较小，故需配用灵敏度较高的显示仪表。B型热电偶适宜在氧化性或中性气氛中使用，也可以在真空气氛中的短期使用；即使在还原气氛下，其寿 命也是R或S型的1020倍；由于其电极均由钳 铐合金制成，故不存在钳铐钳热电偶负极上所有的缺 点、在高温时很少有大结晶化的趋势，且具有较大

6、的机械强度；同时由于它对于杂质的吸收或铑的迁移的 影响 较少，因此经过长期使用后其热电势变化并不严重、缺点价格昂贵（相对于单铂铑而言）。4、银铭银硅（银铝）热电偶（分度号为K）该热电偶的正极为含铬10% 的镍铬合金，负极为含硅3% 的镍硅合金（有些国家的产品负极为纯镍）。可测量01300 c的介质温度，适宜在氧化性及 惰性气体中连续使用，短期使用温度为1200 C,长期使用温度为 1000 ，其热电势与温度的关系近似线性，价格便宜，是目前用量最大的热电偶。K型热电偶是抗氧化性较强的贱金属热电偶，不适宜在真空、含硫、含碳气氛及氧化还原交替的气氛下裸丝使用；当氧分压较低时，镍铬极中的铬将择优氧化，

7、使热电势发生很大变化，但金属气体对其影响较小， 因此，多采用金属制保护管。K型热电偶的缺点：（1）热电势的高温稳定性较N型热电偶及贵重金属热电偶差，在较高温度下（例如超过 1000 C）往往因 氧化而损坏；（2）在250500 C范围内短期热循环稳定性不好，即在同一温度点，在升温降温过程中，其热电势示值 不一样，其差值可达 23C;（3）其负极在150200 C范围内要发生磁性转变，致使在室温至230 C范围内分度值往往偏离分度表，尤其是在磁场中使用时往往出现与时间无关的热电势干扰；（4）长期处于高通量中系统辐照环境下，由于负极中的镒（M n）、钻（C o）等元素发生蜕变，使其稳 定性欠佳，致

8、使热电势发生较大变化。5、银铭硅银硅热电偶（分度号为N）该热电偶的主要特点是：在 1300 以下调温抗氧化能力强， 长期稳定性及短期热循环复现性好，耐核辐射及耐低温性能好，另外，在 4001300 C范围内，N型热电偶的热电特性的线性比K型偶要好；但在低 温范围内（-200400 C）的非线性误差较大，同时，材料较硬难于加工。6、铜铜银热电偶（分度号为T）T 型热电电偶,该热电偶的正极为纯铜，负极为铜镍合金（也称康铜），其主要特点是：在贱金属热电偶中，它的准确度最高、热电极的均匀性好；它的使用温度是-200350 C,因铜热电极易氧化，并且氧化膜易脱落，故在氧化性气氛中使用时，一般不能超过30

9、0 C,在-200300 C范围内，它们灵敏 度比较高，铜康铜热电偶还有一个特点是价格便宜，是常用几种定型产品中最便宜的一种。7、铁康铜热电偶（分度号为J）J 型热电偶, 该热电偶的正极为纯铁，负极为康铜（铜镍合金），具特点是价格便宜,适用于真空氧化的还原或惰性气氛中，温度范围从 -200800 C,但常用温度只是500 C以下，因为超过这个温度后，铁热电极 的氧化速率加快，如采用粗线径的丝材，尚可在高温中使用且有较长的寿命；该热电偶能耐氢气（H 2）及一氧化碳（C0）气体腐蚀，但不能在高温（例如 500 C）含硫（S）的气氛中使用。8、银铭铜银（康铜）热电偶（分度号为E）E型热电偶是一种较新

10、的产品，它的正极是银铭合金，负极是铜银合金（康铜），其最大特点是在常用的 热电偶中，其热电势最大，即灵敏度最高；它的应用范围虽不及K型偶广泛，但在要求灵敏度高、热导率低、可容许大电阻的条件下，常常被选用；使用中的限制条件与K型相同，但对于含有较高湿度气氛的腐 蚀不很 敏感。除了以上8 种常用的热电偶外，作为非标准化的热电偶还有钨铼热电偶，铂铑系热电偶，铱锗系热电偶，铂钼系热电偶和非金属材料热电偶等。二、绝缘管该热电偶的工作端被牢固地焊接在一起，热电极之间需要用绝缘管保护。热电偶的绝缘材料很多，大体上可分为有机和无机绝缘两类，处于高温端的绝缘物必须采用无机物，通常在1000 以下选用粘土质绝缘管

11、，在 1300 以下选用高铝管，在1600 以下选用刚玉管。三、保护管保护管的作用在于使用热电偶电极不直接与被测介质接触，它不仅可延长热电偶的寿命，还可起到支撑和固定热电极增加其强度的作用；因此，热电偶保护管及绝缘选择是否合适，将直接影响到热电偶的使用寿命和测量的准确度，被采用做保护管的材料主要分金属和非金属两大类。热电偶冷端补偿摘要：温度测量应用中，热电偶因其坚固性、可靠性以及较快的响应速度得到了普遍应用。本应用笔记讨论了热电偶的基本工作原理，包括参考端（冷端）的定义和功能。本文还给出了按照具体应用选择冷端温度测量器件的注意事项，并给出了三个设计范例。概述温度测量应用中有多种类型的变送器，热

12、电偶是最常用的一种，可广泛用于汽车、家庭等领域。与RTD、电热调节器、温度检测集成电路 （IC）相比，热电偶能够检测更宽的温度范围，具有较高的性价比。另外，热 电偶的牢固、可靠性和快速响应时间使其成为各种工作环境下的首要选择。当然，热电偶在温度测量中也存在一些缺陷，例如，线性特性较差。虽然它们与 RTD、温度传感器IC相 比可以测量更宽的温度范围，但线性度却大打折扣。除此之外，RTD和温度传感器IC 可以提供更高的灵敏度和精度，可理想用于精确测量系统。热电偶信号电平很低，常常需要放大或高分辨率数据转换器进行处理。如果排除上述问题，热电偶的低价位、易使用、宽温度范围使其得到广泛使用。热电偶基础热

13、电偶是差分温度测量器件，由两段不同的金属/合金线构成，一段用作正端，另一段用作负端。表 1 列出了四种最常用的热电偶类型、所用金属以及对应的温度测量范围。每种热电偶在其规定的温度范围内具有独特的热电特性。表 1. 常用的热电偶类型类型正 端金属/合金负端金属/合金温度范围（°C）T铜镍铜合金-200 至 +350J铁镍铜合金0 至 +750K镍铬合金镍基热电偶合金-200 至 +1250E镍铬合金镍铜合金-200 至 +900两种不同类型的金属接（焊接）在一起后形成两个结点，如图 1a 所示，环路电压是两个结点温差的函数。这种现象称为Seebeck 效应，用于解释热能转换为电能的过程

14、。Seebeck 效应相对于Peltier 效应， Peltier效应用于解释电能转换成热能的过程，典型应用有电热致冷器。图 1a 所示， 测量电压VOUT 是检测端（热端）结电压与参考端（冷端）结电压之差。因为 Vh和Vc是由两个结的温度差产生的，Vout也是温差的函数。定可编辑标因数，”，对应于电压差与温差之比，称为 Seebeck系数MEASURIhIG (HOT)REFERENCE (COLD)JUNCTIONJUNCTIONVOLJ" V-W =削升出可编辑图1a.环路电压由热电偶两个结点之间的温差产生，是Seebeck效应的结果MEASURIMG HOTJUNCTIONR

15、EFERENCE COLD)JUNCTIOM图1b.常见的热电偶配置由两条线连接在一端，每条线的开路端与铜恒温线连接。图1b所示是一种最常见的热电偶应用。该配置中引入了第三种金属（中间金属）和两个额外的节点。本例中,每个开路端与铜线电气连接，这些连线为系统增加了两个额外节点，只要这两个节点温度相同，中间金属（铜）不会影响输出电压。这种配置允许热电偶在没有独立参考结点的条件下使用。Vout仍然是热端与冷端温度之差的函数，与 Seebeck系数有关。然而，由于热电偶测量的是温度差，为了确定热端的实际温度，冷端温度必须是已知的。冷端温度为0° C （为腻是一种最简单的情况，如果 TC =

16、0 ° C,则OUT = V Ho这种情况下，热端测量电 压是结点温度的直接转换彳Io美国国家标准局（NBS）提供了各种类型热电偶的电压特征数据与温度对应关系的查找表。所有数据均基于0° C冷端温度。利用冰点作为参考点，通过查找适当表格中的Vh可以确定热端温度。在热电偶应用初期，冰点被当作热电偶的标准参考点，但在大多数应用中获得一个冰点参考温度不太现实。 如果冷端温度不是0° C,那么，为了确定实际热端温度必须已知冷端温度。考虑到非零冷端温度的电压， 必需对热电偶输出电压进行补偿，既所谓的冷端补偿。选择冷端温度测量器件如上所述，为了实现冷端补偿，必须确定冷端温度，

17、这可以通过任何类型的温度检测器件实现。在通用的 温度传感器IC、电热调节器和 RTD中，不同类型的器件具有不同的优、缺点，需根据具体应用进行选择。对于精度要求非常高的器件，经过校准的粕RTD能够在很宽的温度范围内保持较高精度，但其成本很高精度要求不是很高时，热敏电阻和硅温度传感器IC 能够提供较高的性价比，热敏电阻比硅IC 具有更宽的测温范围，而传感器IC 具有更高的线性度，因而性能指标更好一些。修正热敏电阻的非线性会占用较多的微控制器资源。温度传感器IC 具有出色的线性度，但测温范围很窄。总之，必需根据系统的实际需求选择冷端温度测量器件，需要仔细考虑精度、温度范围、成本和线性指标，以便得到最

18、佳的性价比。考虑因素一旦建立了冷端补偿方法，补偿输出电压必须转换成相应的温度。一种简单的方法既是使用NBS 提供的查找表，用软件实现查找表需要存储器，但查找表对于连续的重复查询提供了一种快速、精确的测量方案。将热电偶电压转换成温度值的另外两种方案比查找表复杂一些，这两种方法是：1) 利用多项式系数进行线性逼近，2) 对热电偶输出信号进行模拟线性化处理。软件线性逼近只是需要预先确定多项式系数，不需要存储，因而是一种更通用的方案。缺点是需要较长时间解多阶多项式，多项式阶数越高，处理时间越长，特别是在温度范围较宽的情况下。多项式阶数较高时，查找表相对提供了一种精度更高、更有效温度测量方案。出现软件测

19、试方案之前，模拟线性化常被用来将测量电压转换成温度值(除了人工查找表检索外)。这种基于硬件的方法利用模拟电路修正热电偶响应的非线性。其精度取决于修正逼近多项式的阶数，在目前能够测试热电偶信号的万用表中仍采用这种方法。应用电路下面讨论了三种利用硅传感器IC 进行冷端补偿的典型应用，三个电路均用来解决温度范围较窄至(0 °C+70 °C 和 -40 °C 至 +85 ° C) 的冷端温度补偿，精度在几个摄氏度以内。第二个电路包含一个远端二极管温度检测器，由连接成二极管的晶体管为其提供测试信号。第三个电路中的模/数转换器(ADC) 内置冷端补偿。所有三个电路均

20、采用K 型热电偶(由镍铬合金和镍基热电偶合金组成)进行温度测量。示例 #1图2所示电H中，16位！- ADC将低电平热电偶电压转换成16位串行数据输出。集成可编程增益放大器有助于改善ADC 的分辨率，这对于处理热电偶小信号输出非常必要。温度检测IC 靠近热电偶安装，用于测量冷端附近的温度。这种方法假设IC 温度近似等于冷端温度。冷端温度传感器输出由ADC 的通道 2进行数字转换。温度传感器内部的2.56V 基准节省了一个外部电压基准IC。PCG-SMP RCLOSEPROXIMITY/F1/1XI>VIMAX65105V, r力I"工VcgI E MPSHDhREF20pF 一

21、 -20pF_EbCS 耳。20 1THERMOCOUPLE CENNEIQRCLKIN VDDCLKOUTAINWAIN1AIK?R£P+REF-RESETciDINMX7705x>w3kj LIS.DOOTDRDYGND图2.本地温度检测IC (MAX6610 )确定冷端温度。温度木测IC靠近热电偶接点(冷端)放置，热电偶和冷端 温度传感器输出电压由16位ADC (MX7705 )转换。工作在双极性模式时，ADC可以转换热电偶的正信号和负信号，并在通道1输出。ADC的通道2将MAX6610的单端输出电压转换成数字信号，提供给微控制器。温度才测IC的输出电压与冷端温度成正比。

22、为了确定热端温度，需首先确定冷端温度。然后通过NBS提供的K型热电偶查找表将冷端温度转换成对应的热电电压。将此电压与经过 PGA增益校准的热电偶读数相加，最后再通过查找表将求和结果转换成温度，所得结果即为热端温度。表2列出了温度测量结果，冷端温度变化范围：-40。C至+85。C,热端保持在+100 ° Co实际测量结果在很大程度上取决于本地温度检测 IC的精度和烤箱温度。表2.图2电路在不同烤箱的冷端和热端测量温度冷端热端测量 温度 温度* () ()测量值 #1-39.9 +101.4测量值 #20.0+101.5测量值 #3 +25.2 +100.2测量值 #4 +85.0+99

23、.0*“热端测量温度”是经过补偿的数值，由电路测量得到示例#2图3所示电路中，远端温度检测IC测量电路的冷端温度， 与本地温度检测IC不同的是IC不需要靠近冷端安装，而是通过外部连接成二极管的晶体管测量冷端温度。晶体管直接安装在热电偶接头处。温度检测IC将晶体管的测量温度转换成数字输出。ADC的通道1将热电偶电压转换成数字输出，通道2没有使用，输入直接接地。外部2.5V基准IC为ADC提供基准电压。5VPCC-SMP-K-R0 1uFJlOpF20pF20pFCLKIN "口。CLKOUTRFSETIHERMCCOUPLECONNECTOR-VWDINMAX60 观：。，1"GNDOUT5VAJN3*AJN2-REF-MX7705GNDT-DOUTDRDVWPC3MAX6627SCKDXNGNDT-图3.远端二极管温度检测IC不必靠近冷端，因为它使用了一个外部二极管检测温度。MAX6002为ADC提供2.5V基准电压。表3列出了温度测量结果， 冷端温度变化范围：-40 ° C至+85 ° C热端保持在+10