第二章热电偶传感器

1.了解热电偶传感器的测量原理

2.掌握热电偶传感器的应用

目标要求第二章热电偶传感器及应用热电极A右端称为：自由端（参考端、冷端）

第一节热电偶的工作原理

左端称为：测量端（工作端、热端）

热电极B热电势AB先看一个实验——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。一、热电效应

1821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。

从实验到理论：热电效应第一节热电偶的工作原理

一、热电效应

自由电子＋ABeAB（

T）T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。

从实验到理论：热电效应第一节热电偶的工作原理

一、热电效应

热电效应的定义：将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。第一节热电偶的工作原理

一、热电效应

ABTT0k——玻耳兹曼常数，e——电子电荷量，T——接触处的温度，NA，NB——分别为导体A和B的自由电子密度。

接触电动势不同材料之间:

节点处电子的扩散所致第一节热电偶的工作原理

二、热电势（接触电动势和温差电动势）

温差电动势σA，σB——汤姆逊温度系数。同种材料：两端温度不同电子运动速度不同回路中总电动势：第一节热电偶的工作原理

二、热电势（接触电动势和温差电动势）ABTT02)中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。TT0V1)均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。第一节热电偶的工作原理

三、热电偶测温基本定律ABTT0=ACTT0—CBTT03)参考电极定律两种导体A,B分别与参考电极C组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已知，A和B两极配对后的热电动势可用下式求得：4)中间温度定律热电偶在两接点温度t、t0时的热电动势等于该热电偶在接点温度为t、tn和tn、t0时的相应热电动势的代数和。中间温度定律可以用下式表示：中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据。第一节热电偶的工作原理

三、热电偶测温基本定律一、热电偶的材料1）热电动势及热电动势率要大，保证足够的灵敏度。2）热电特性最好是线性或近似线性的单值函数关系。3）能在较宽的温度范围内使用，物理、化学性质要稳定。4）要有高的电导率、小的电阻温度系数及小的导热系数。5）复制性要好，即用同一种材料制成的热电偶其热电特性要一致，这样便于制作统一的分度表。6）材料组织要均匀，具有良好的韧性，焊接性能好，以便热电偶的制作。7）资源要丰富，价格低廉。第二节热电偶的材料、结构及种类二、热电偶的种类——标准化热电偶1）铂铑10—铂热电偶（S型）2）铂铑13—铂热电偶（R型）3）铂铑30—铂铑6热电偶（B型）4）镍铬—镍硅热电偶（K型）5）镍铬硅—镍硅热电偶（N型）6）镍铬—康铜（E型）7）铁—康铜（J型）8）铜—康铜（T型）

见书23页例5-2用镍铬—镍硅（K型）热电偶测量炉温，热电偶的冷端温度为40℃，测得的热电动势为35.72mV，问被测炉温为多少?解：查K型热电偶分度表知E(40,0)=1.611mV测得：E(t,40)=35.72mV则：E(t,0)=E(t,40)+E(40,0)=(35.72+1.611)mV=37.331mV查分度表知t=900.1℃，则被测炉温为900.1℃。三、热电偶的结构形式（1）普通型热电偶（2）铠装型热电偶（3）薄膜型热电偶铠装型热电偶可长达上百米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

铠装型热电偶外形法兰铠装型热电偶可长达上百米薄壁金属保护套管（铠体）

BA绝缘材料铠装型热电偶横截面隔爆型热电偶外形厚壁保护管压铸的接线盒电缆线

薄膜热电偶四、热电偶的冷端温度补偿1、补偿导线法补偿导线：在100℃以下的温度范围内，热电特性与所配热电偶相同且价格便宜的导线，称为补偿导线。补偿导线的作用：就是延长热电极，即将热电偶的冷端延伸到温度相对稳定区。补偿导线的型号：延伸型补偿导线—用于廉金属热电偶；X补偿型补偿导线—用于贵金属热电偶和某些非标准热电偶。C补偿导线连接示意图补偿导线外形A’B’屏蔽层保护层补偿导线型号4.2795.2646.3192.7440.647100C时的热电势/mVTXJXEXNCRC型号导线外皮颜色正-负配用热电偶正-负型号红-白T（铜—铜镍）

TX红-紫J（铁—铜镍）JX红-棕E（镍铬—铜镍）EX红-黄N（镍铬硅—镍硅）NC红-绿R（铂铑13—铂）RC例5-3

用镍铬—镍硅热电偶(K)测量某一实际为1000℃的对象温度。所配用仪表在温度为20℃的控制室里，设热电偶冷端温度为50℃。当热电偶与仪表之间用补偿导线或普通铜导线连接时，测得温度各为多少?又与实际温度相差多少?解：查K型热电偶分度表，得E(1000,0)=41.269mV，E(50,0)=2.022mV，E(20,0)=0.798mV。若用补偿导线，仪表测得热电动势值为E(1000,20)=E(1000,0)–E(20,0)=40.471mV查分度表得对应的温度为979.6℃若用铜导线，仪表测得热电动势值为E(1000,50)=E(1000,0)–E(50,0)=39.247mV查分度表得对应的温度为948.4℃两种方法测得的温度相差31.2℃，测量误差分别为–20.4℃和–51.6℃。2、冷端恒温法1）冰浴法

2）恒温箱法

3）恒温室法3、计算校正法1）准确计算校正法根据中间温度定律，对测得热电动势进行修正。适用于实验室中用直流电位差计来测温的情况。2）近似计算校正法K的取值：K型热电偶，在0～1000℃范围内，K≈1；S型热电偶，在800～1300℃，K=0.6～0.5例5-4

用分度号为S的铂铑10—铂热电偶测炉温，其冷端温度为30℃，而直流电位差计测得的热电动势为9.481mV，试求被测温度。再查该分度表得被测温度t=1006.5℃。若不进行校正，则所测9.481mV对应的温度为991℃，误差–15.5℃。解：查铂铑10—铂热电偶分度表，得E(30,0)=0.173mV，根据中间温度定律得例5-5解：在l000℃左右，铂铑10—铂热电偶的校正系数可近似取0.55，因此按修正公式可得炉温t

t=t′+Ktn=(991+0.55×30)℃=1007.5℃与例5-4相比可以看出，近似计算法仅比准确计算方法相差1℃。这说明此种方法在一些精度要求不高的现场是可以使用的。用S型热电偶测炉温，其冷端温度为30℃，显示仪表的指示值为991℃，试求炉温。

右图所示为镍铬-镍硅（K）热电偶测温电路，热电极A、B直接焊接在钢板上（V型焊接），A’、B’为补偿导线，Cu为铜导线，已知接线盒1的温度t1=40C，冰瓶中为冰水混合物，接线盒3的温度t3=20.0C。求：1）将热电极直接焊在钢板上是应用了热电偶的什么定律？2）冰瓶中为冰水混合物，测得Ux=29.9mV时，估算被测点温度tx；3）如果冰瓶中的冰完全融化，温度上升，与接线盒1的温度相同，此时测得Ux=27.3mV，再求tx。见书23页4、补偿电桥法

补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的电动势来补偿热电偶冷端温度变化而引起的热电动势变化。

+-5、仪表机械零点调整法

用热电偶测温时，若t0=tn≠0℃，要使指示值不偏低，可先将显示仪表指针调整到相当于热电偶冷端温度tn的位置上。应用于：一些精度要求不高、冷端温度不经常变化的情况下。

用螺丝刀调节仪表面板上的“机械零点”，使指针指到气温t0（图中为40C）的刻度上。机械零点指针被预调到室温（40C

）可补偿冷端损失应用实例(补充)

盐浴炉温度控制系统用S型热电偶检测温度信号，有冷端补偿，温度信号通过放大、采样保持、模数转换再送单片机保存，采用分段查表法获取各点温度。选用可控硅过零触发自动控制盐浴炉温度，控制周期为2s。可按预设温度曲线进行加热，并可实时显示加温曲线。1）系统总体方案本系统采用晶闸管调功实现盐浴炉的温度控制，即通过控制晶闸管导通与关断的周波数比率，从而达到调功的目的。晶闸管的触发由单片机控制，通过单片机编程可方便地实现按预定温度曲线进行加热。盐浴炉炉温由热电偶感应，通过信号放大、采样保持、A/D转换，再由单片机进行数据处理及线性化校正，以实现盐浴炉实际温度的检测和显示。其系统总体框图如下：2）温度检测电路盐浴炉常用温度在800～1500℃之间，热电偶是测温的一次仪表，对它的选择将直接影响检测精度。目前测温常选用K型镍铬-镍硅热电偶，它具有较好的温度-热电势线性度，便于后续数据处理，但它不宜长期在1300℃左右的高温下使用。因此，这里选用S型铂铑-铂热电偶，其测温范围为0～1600℃，它与K型相比，有较高的精度，但它的线性度较差。

为此，采取每10℃分一段，800～1500℃之间共分70段，在每一段中取各段中点的热电势率K作为各段诸点热电热率的平均值。该近似修正方法误差小，不超过放大电路和A/D转换等环节所产生的误差。热电偶温度检测与放大电路如下图。

其中Vi为热电偶感应的热电势输入，经自稳零高精度运放ICL7650放大后，V01=(R4+R5)*Vi/R4

再由第二级运放μA741放大后V02=(R8+R7)·(