重庆科创学院热电偶

1、第第7 7章章 热电偶传感器热电偶传感器 热电偶在温度的测量中应用非常地广泛。它的优热电偶在温度的测量中应用非常地广泛。它的优点是：结构简单、使用方便、测量范围宽、有较高的点是：结构简单、使用方便、测量范围宽、有较高的精确度和稳定性。精确度和稳定性。一、热电偶测温原理和基本定律一、热电偶测温原理和基本定律 1 1、热电效应、热电效应 如果把两种不同材料的导体（如镍铬如果把两种不同材料的导体（如镍铬镍镍硅）组成一个闭合回路时（硅）组成一个闭合回路时（A A、B B为两种不同的为两种不同的金属导体），若两接触（金属导体），若两接触（T T、T T0 0）温度为不同时，）温度为不同时，在电路中将产生

2、电动势。这种现象称为热电效在电路中将产生电动势。这种现象称为热电效应，该电动势称为热电动势。应，该电动势称为热电动势。热电动势热电动势B B、单一导体的温差电动势单一导体的温差电动势A A、两种导体的接触电动势两种导体的接触电动势把两个接触点把两个接触点 一个称为一个称为测量端测量端（热端热端） 一个称为一个称为参考端参考端（冷端冷端） 当两种金属导体相接时，将产当两种金属导体相接时，将产生自由电子的扩散现象，从密度大生自由电子的扩散现象，从密度大的金属导体向密度小的金属导体扩的金属导体向密度小的金属导体扩散，即散，即A A金属向金属向B B金属扩散，从而使金属扩散，从而使A A金属失去电子而

3、带正电；金属失去电子而带正电；B B金属获金属获得电子而带负电；这样，在接触面得电子而带负电；这样，在接触面形成电场（该电场是阻止电子扩散形成电场（该电场是阻止电子扩散的）。当扩散达到平衡时，在的）。当扩散达到平衡时，在A A、B B之间形成稳定的电位差，形成电动之间形成稳定的电位差，形成电动势势eAB 设两种不同金属导体设两种不同金属导体A、B的自由电子密的自由电子密度分别为度分别为nA，nB ， 而且而且nA nB ，（在选择这（在选择这两种金属导体时，希望它的电子密度相差大两种金属导体时，希望它的电子密度相差大一些为好）一些为好）A A、两种导体的接触电动势：、两种导体的接触电动势： 这

4、样，高温端因失去电子而带正电；低这样，高温端因失去电子而带正电；低温端因获得电子而带负电。温端因获得电子而带负电。在导体两端将产生电在导体两端将产生电动势动势eA(T, T0)，故称为，故称为 单一导体的温差电动势。单一导体的温差电动势。B B、单一导体的温差电动势、单一导体的温差电动势 对单一金属导体，如果两端温度不同（如对单一金属导体，如果两端温度不同（如T T点温度点温度 T T0 0点温度）即点温度）即T T T T0 0 ，则导体的自由，则导体的自由电子在高温端具有较大动能，要向低温端扩散。电子在高温端具有较大动能，要向低温端扩散。 对于热电偶，两个接触点要产生两个接对于热电偶，两个

5、接触点要产生两个接触电动势触电动势eAB(T)、 eAB(T0)和导体产生的温差和导体产生的温差电动势电动势eA(T,T0)、 eB(T,T0)。根据根据KVL可得到热电偶产生可得到热电偶产生的总热电动势：的总热电动势：EAB(T,T0)=eAB(T)-eA(T,T0) -eAB(T0) +eB(T,T0) 由于温差电动势由于温差电动势eA(T,T0) eB(T,T0) 比接触比接触电动势电动势eAB (T) eAB(T0)要小得多，可忽略不计，要小得多，可忽略不计，因此热电偶的总热电动势为：因此热电偶的总热电动势为： EAB(T,T0)eAB(T) -eAB(T0) 如果热电偶已选定，当参考

6、点如果热电偶已选定，当参考点T0恒定时，恒定时， eAB（T0）=C（常数）（常数）则总热电动势就只与温度则总热电动势就只与温度T成单值函数关系，成单值函数关系，即即 EAB(T,T0)=eAB(T) -C=f(T) 在实际应用时在实际应用时，热电动势与温度之间的关系是通，热电动势与温度之间的关系是通过热电偶分度来表示确定的，过热电偶分度来表示确定的，分度表分度表是在参考端是在参考端( T0 )温度为温度为0时，通过实验得到热电动势与工作温度之时，通过实验得到热电动势与工作温度之间的数值对应关系。间的数值对应关系。2 2、热电偶的基本定律：、热电偶的基本定律：（1 1）中间导体定律：中间导体定

7、律： 在热电偶电路中接入第三种导体，只要该导体在热电偶电路中接入第三种导体，只要该导体两端温度相等，则热电偶产生的总电动势不变两端温度相等，则热电偶产生的总电动势不变。加入第三种导体加入第三种导体C后的总热电动势为：后的总热电动势为： EABC(T,T0)=eAB(T)+eCA(T0)+ eBC(T0) 式中忽略温差电动势式中忽略温差电动势EA(T,T0),EB(T,T0)当当T=T0时时 EABC(T,T0)=0 eCA(T0)+ eBC(T0)=-eAB(T0) 所以：所以： EABC(T,T0)= eAB(T)- eAB(T0)= EAB(T,T0) 同理：同理：在热电偶电路中，加入多种

8、导体，只要加入的在热电偶电路中，加入多种导体，只要加入的导体两端温度不变，同样不影响热电偶的总热电势。导体两端温度不变，同样不影响热电偶的总热电势。根据这个定律：根据这个定律：可采用任何方式焊接导线，可将热电可采用任何方式焊接导线，可将热电动势通过导线接至测量仪表进行测量，不会影响测量动势通过导线接至测量仪表进行测量，不会影响测量精度。精度。（2）中间温度定律中间温度定律在热电偶测量电路中，测在热电偶测量电路中，测量端温度为量端温度为T，参考端温度为，参考端温度为T0，中间温度为，中间温度为T0，则热电动势等于，则热电动势等于T、T0与与T0、T0热电动势热电动势的代数和。的代数和。即即EAB

9、(T,T0)=EAB(T, T0)+EAB(T0, T0)中间温度定律示意图中间温度定律示意图由示意图可知：由示意图可知： EAB(T,T0)=eAB(T)- eAB(T0) EAB(T0, T0 )=eAB(T0)- eAB(T0)则则EAB(T,T0)+ EAB(T0, T0)=eAB(T )- eAB(T0 ) + eAB(T0)- eAB(T0 ) = eAB(T ) - eAB(T0 )= EAB(T,T0) 由中间温度定律可知：由中间温度定律可知：选用廉价的热电偶选用廉价的热电偶C C、D D代替代替T T0 0 、T T0 0热电偶，热电偶，只要在只要在T T0 0 、T T0

10、0温度范围内温度范围内C C、D D与与A A、B B热电偶具热电偶具有相近的热电动势特性，有相近的热电动势特性，便可使测量距离加长，便可使测量距离加长，测温成本大为降低。测温成本大为降低。避免了原热电偶参考端温度避免了原热电偶参考端温度T T0 0 的影响。这在的影响。这在实际测量中，就可以对参考端温度进行修正，实际测量中，就可以对参考端温度进行修正，运用补偿导线延长测温距离，消除热电偶参考运用补偿导线延长测温距离，消除热电偶参考端温度变化带来的影响端温度变化带来的影响。例：用热电偶测量某一温度，若参考端温度例：用热电偶测量某一温度，若参考端温度n n30,30,测得的热电热测得的热电热E(

11、T,Tn)=7.5mv,E(T,Tn)=7.5mv,求测量端求测量端的实际温度的实际温度T?(T?(已知已知E(30,0)=0.173mvE(30,0)=0.173mv； E(830,0)=E(830,0)= 7.673mv7.673mv) )v（3）参考电极定律）参考电极定律v 如果两种导体分别与第三种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已知。电偶所产生的热电动势也就已知。v 如右图，导体如右图，导体A、B分别与标准电分别与标准电极极C组成热电偶，若它们所产生的

12、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v v那么，导体那么，导体A与与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+Att0+tt0+tt0CCBBA)(te-(t)e)t(t,E0ACAC0AC)(te-(t)e)t(t,E0BCBC0BC三种导体组成的热电偶三种导体组成的热电偶 )t(t,E-)t(t,E)t(t,E0BC0AC0AB参考电极定律示意图如下：参考电极定律示意图如下：EAB(T,T0)= EAC(T,T0)- EBC(T,T0) 参考电极定律是一个极为实用的定律参考电极定律是一个极为实用的定律。可以想。可以想象，纯金属的种

13、类很多，而合金类型更多。因此，象，纯金属的种类很多，而合金类型更多。因此，要得出这些金属之间组合而成热电偶的热电动势，要得出这些金属之间组合而成热电偶的热电动势，其工作量是极大的。由于铂的物理、化学性质稳定，其工作量是极大的。由于铂的物理、化学性质稳定，熔点高，易提纯，所以，我们通常选用高纯铂丝作熔点高，易提纯，所以，我们通常选用高纯铂丝作为参考电极，只要测得各种金属与纯铂组成的热电为参考电极，只要测得各种金属与纯铂组成的热电偶的热电动势，则各种金属之间相互组合而成的热偶的热电动势，则各种金属之间相互组合而成的热电偶的热电动势就可直接计算出来。电偶的热电动势就可直接计算出来。例：例：热端为热端

14、为100100，冷端为，冷端为00时，镍铬合金与纯铂组时，镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为成的热电偶的热电动势为2.95mV2.95mV，而康铜与纯铂组，而康铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为成的热电偶的热电动势为-4.0mV-4.0mV，则镍铬和康铜组，则镍铬和康铜组合而成的热电偶所产生的热电动势应为合而成的热电偶所产生的热电动势应为2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV组成热电偶回路的两种导体材料相同时，无论组成热电偶回路的两种导体材料相同时，无论两接点的温度如何，回路总热电动势为零；两接点的温度如何，回路总热电动势为零；若热电偶两接点

15、温度相同若热电偶两接点温度相同（T=T0），），回路总热回路总热电动势为零；电动势为零；热电偶的热电动势与两接点温度及材料性质有热电偶的热电动势与两接点温度及材料性质有关，与材料关，与材料A、B的中间各点的温度、形状及大的中间各点的温度、形状及大小无关。小无关。在应用上述三个定律时应注意：在应用上述三个定律时应注意：二、热电偶的结构形式及热电偶材料二、热电偶的结构形式及热电偶材料1 1、热电偶的结构、热电偶的结构 各种热电偶尽管外形有所不同，但基本结构通常均由：各种热电偶尽管外形有所不同，但基本结构通常均由：热电热电极、绝缘导管、接线盒、保护管极、绝缘导管、接线盒、保护管等主要部件组成。等主要

16、部件组成。（1 1）热电极）热电极： 组成热电偶的两根热偶丝称为热电极组成热电偶的两根热偶丝称为热电极。热电偶通常用热电极。热电偶通常用热电极的材料命名。如镍铬的材料命名。如镍铬康铜热电偶、镍铬康铜热电偶、镍铬镍硅热电偶、铂铑镍硅热电偶、铂铑铂热电偶等。铂热电偶等。 为保证热电偶小、在测温应用时的可靠性和具有足够的测为保证热电偶小、在测温应用时的可靠性和具有足够的测温精度，必须对热电极进行严格的选择，要求有几点：温精度，必须对热电极进行严格的选择，要求有几点：在测温范围内，物理、化学性能要稳定，不易被氧化和腐蚀。在测温范围内，物理、化学性能要稳定，不易被氧化和腐蚀。电阻温度系数小，电导率高，组

17、成热电偶后产生的热电动势电阻温度系数小，电导率高，组成热电偶后产生的热电动势大，并与温度成线性或近似线性关系。大，并与温度成线性或近似线性关系。有足够的机械强度及较好的耐振，耐热冲击性能。有足够的机械强度及较好的耐振，耐热冲击性能。工艺性、复制性好，便于制造与互换。工艺性、复制性好，便于制造与互换。（2 2）绝缘套管：）绝缘套管： 绝缘套管又称绝缘子绝缘套管又称绝缘子，主要用来防止两根热电极短路。绝缘套，主要用来防止两根热电极短路。绝缘套管一般作成圆形或椭圆形，中间有一个、两个、或四个小孔，管一般作成圆形或椭圆形，中间有一个、两个、或四个小孔，孔的大小由热电极的直径决定。绝缘材料主要根据测温范

18、围及孔的大小由热电极的直径决定。绝缘材料主要根据测温范围及绝缘性能要求来选择，常用陶瓷、石英、绝缘工程塑料制成。绝缘性能要求来选择，常用陶瓷、石英、绝缘工程塑料制成。(3(3）保护套管：）保护套管： 保护套管的作用是使热电极与被测介质隔离，使其免受化保护套管的作用是使热电极与被测介质隔离，使其免受化学侵蚀或机械损伤。热电极套上绝缘套后再装入保护管内，以学侵蚀或机械损伤。热电极套上绝缘套后再装入保护管内，以确保其使用寿命长和测温的准确性。确保其使用寿命长和测温的准确性。 对保护套管材料的要求是：经久耐用、传热良好（热阻对保护套管材料的要求是：经久耐用、传热良好（热阻小）。常用的保护套管有：铝，不

19、锈钢、高温陶瓷等。小）。常用的保护套管有：铝，不锈钢、高温陶瓷等。(4)(4)接线盒接线盒 接线盒是供接热电偶和显示仪表用的，一般用金属铝合接线盒是供接热电偶和显示仪表用的，一般用金属铝合金制成。为了防止有害气体进入热电偶内部及防尘，出线孔金制成。为了防止有害气体进入热电偶内部及防尘，出线孔和盒子的接合部装有密封用的垫片和垫圈。和盒子的接合部装有密封用的垫片和垫圈。2.2.热电偶的种类热电偶的种类常见普通工业装配式热电偶的外形结构图常见普通工业装配式热电偶的外形结构图 普通型热电偶普通型热电偶主要用于测量气体、液体或蒸汽等主要用于测量气体、液体或蒸汽等介质的温度。介质的温度。这类热电偶已作成标

20、准形式。其固定方这类热电偶已作成标准形式。其固定方式：螺纹固定、法兰固定。式：螺纹固定、法兰固定。 铠装热电偶是铠装热电偶是由金属保护套管、热电极、绝缘材由金属保护套管、热电极、绝缘材料三者组合而成的特殊形式的热电偶料三者组合而成的特殊形式的热电偶。它是将热电偶。它是将热电偶丝与电熔氧化镁绝缘物熔铸在一起，外表面套不锈钢丝与电熔氧化镁绝缘物熔铸在一起，外表面套不锈钢管等。它可以做得很细很长且可以弯曲套管外径，最管等。它可以做得很细很长且可以弯曲套管外径，最细可以做到细可以做到0.25mm，长度可达，长度可达100m，有双芯和单芯，有双芯和单芯之分。之分。 铠装热电偶具有体积小、精度高、响应速度

21、快、铠装热电偶具有体积小、精度高、响应速度快、可靠性高、耐冲击、耐振性好等优点。可靠性高、耐冲击、耐振性好等优点。适合复杂结构适合复杂结构（如狭小弯曲管道）的温度测试，在航空、医疗、原（如狭小弯曲管道）的温度测试，在航空、医疗、原子能等行业应用最多。子能等行业应用最多。常见铠装热电偶的外形结构常见铠装热电偶的外形结构 (3)(3)薄膜热电偶薄膜热电偶 薄膜热电偶是用真空蒸镀的方法把热电极材料镀在绝缘薄膜热电偶是用真空蒸镀的方法把热电极材料镀在绝缘基板上而制成的。供测温的测试端既小又薄，厚度只基板上而制成的。供测温的测试端既小又薄，厚度只0.010.1mm0.010.1mm，热容量小，响应速度快

22、。，热容量小，响应速度快。 薄膜热电偶薄膜热电偶主要用于测量微小面积的瞬间变化温度主要用于测量微小面积的瞬间变化温度。 3.3.热电偶组成材料及分度表热电偶组成材料及分度表（1 1）材料材料：目前工业上常用的四种标准化热电偶材料为：目前工业上常用的四种标准化热电偶材料为：铂铂铑铑3030一铂铑一铂铑 6 6 、铂铣、铂铣1010一镍硅、镍铬一镍硅、镍铬一铜镍、一镍硅、镍铬一镍硅、镍铬一铜镍、（我国采用镍铬一铜镍）（我国采用镍铬一铜镍）（2 2）分度表分度表：热电偶的热电动势与温度的关系表称为分度表。：热电偶的热电动势与温度的关系表称为分度表。三、热电偶测温及参考端（三、热电偶测温及参考端（T0

23、 :冷端）温度补偿冷端）温度补偿（1）热电偶测温电路）热电偶测温电路（A）两点间温度之和测量：）两点间温度之和测量： 在测量两点间温度之和时，在测量两点间温度之和时，要求要用两个要求要用两个同型号的热电偶正向串联连接，而且两个热电同型号的热电偶正向串联连接，而且两个热电偶参考端温度相同。偶参考端温度相同。（B）两点间温度之差测量）两点间温度之差测量 在测量两点间温度之差时，在测量两点间温度之差时，要求要用要求要用两个同型号的热电偶反向串联连接，而且两个同型号的热电偶反向串联连接，而且两个热电偶参考端温度相同。两个热电偶参考端温度相同。 在测量两点间平均温度时，在测量两点间平均温度时，要求要用两

24、要求要用两个同型号热电偶正向并联连接，而且两个热个同型号热电偶正向并联连接，而且两个热电偶参考端温度相同；电偶参考端温度相同；同时为了减少热电偶同时为了减少热电偶内阻内阻 、 由于并联时使总电阻下降的影由于并联时使总电阻下降的影响，要在并联电路上串响，要在并联电路上串 、 两个阻值较两个阻值较大的电阻大的电阻1R2R1R2R（C）两点间平均温度的测量）两点间平均温度的测量(2)(2)热电偶参考端（冷端）的温度补偿热电偶参考端（冷端）的温度补偿 根据热电偶测温原理，只有当热电偶参根据热电偶测温原理，只有当热电偶参考端（考端（T0冷端）温度保持不变时，热电势才是冷端）温度保持不变时，热电势才是被测

25、温度的单值函数。目前使用的热电偶其温被测温度的单值函数。目前使用的热电偶其温度与热电势关系的分度表都是在冷端温度为度与热电势关系的分度表都是在冷端温度为0时作出的。在实际测温中，冷端温度常常时作出的。在实际测温中，冷端温度常常由于受到周围环境温度的影响，往往不但不为由于受到周围环境温度的影响，往往不但不为零，而且不稳定，从而引起误差。为了保证测零，而且不稳定，从而引起误差。为了保证测量结果的准确性，必须采取相应的措施加以克量结果的准确性，必须采取相应的措施加以克服，消除或补偿这一误差。有下面四种方法：服，消除或补偿这一误差。有下面四种方法：冷端恒温法冷端恒温法 （A）将热电偶的冷端直接置于装有

26、冰水混将热电偶的冷端直接置于装有冰水混合物的恒温容器中，使冷端温度在合物的恒温容器中，使冷端温度在0不变，不变，这种方法可消除冷端温度不为这种方法可消除冷端温度不为0时引入的误时引入的误差。差。 这种方法主要用于实验室。这种方法主要用于实验室。（B）将热电偶的冷端置于电热恒温器中，且将热电偶的冷端置于电热恒温器中，且使恒温器的温度略高于环境温度的上限。使恒温器的温度略高于环境温度的上限。（C）将热电偶的冷端置于油槽或空气不流动将热电偶的冷端置于油槽或空气不流动的大容器中，使冷端温度变化较为缓慢。的大容器中，使冷端温度变化较为缓慢。计算修正法计算修正法 用修正法修正冷端不为用修正法修正冷端不为0 时的误差，时的误差，先要将绝对温度先要将绝对温度T（K）改用摄氏温度）改用摄氏温度t （）来表示。来表示。根据中间温度定律公式：根据中间温度定律公式： EAB(T,T0) =EAB(T,T0)+ EAB(T0, T0) 若冷端温度若冷端温度t0 不等于不等于0 时的电动势为时的电动势为EAB(t，t0).根据中间温度定律可修正为：根据中间温度定律可修正为： EAB(t，0) = EAB(t，t0) + EAB