热电偶传感器

关于热电偶传感器第一页，共四十二页，编辑于2023年，星期二实验----热电偶工作原理演示热电极A右端称为：自由端（参考端、冷端）左端称为：测量端（工作端、热端）热电极B热电势AB第二页，共四十二页，编辑于2023年，星期二1821年，德国物理学家西拜克（See－back）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，指针的偏转角反而减小（又说明什么？）。指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。热电效应6.3热电偶传感器第三页，共四十二页，编辑于2023年，星期二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A、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。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。6.3热电偶传感器第四页，共四十二页，编辑于2023年，星期二温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。它除具有结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号便于远传或信号转换等优点外，还能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。6.3热电偶传感器★热电偶测温原理★热电偶的基本定律★热电偶的冷端处理及补偿第五页，共四十二页，编辑于2023年，星期二两种不同的导体A和B组合成如图所示闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同（设T＞T0），则在此闭合回路中就有电流产生，即回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。这种现象早在1821年首先由西拜克（See－back）发现,所以又称西拜克效应。热电偶原理图TT0AB一、热电偶测温原理回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两种材料的接触电势和单一材料的温差电势组成。热端冷端第六页，共四十二页，编辑于2023年，星期二1.接触电势由于不同的金属材料内部的自由电子密度不同，当两种金属材料A和B接触时，自由电子从密度大的金属材料扩散到密度小的金属材料中去，产生自由电子的扩散现象。+ABeAB(T)-接触电势原理图eAB(T)——导体A、B结点在温度T时形成的接触电动势；e——单位电荷，e=1.6×10-19C；

k——波尔兹曼常数，k=1.38×10-23J/K；NA、NB——导体A、B在温度为T时的电子密度。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。一、热电偶测温原理第七页，共四十二页，编辑于2023年，星期二2.温差电势AeA(T,To)ToT温差电势原理图在同一金属材料A中，当金属材料两端的温度不同时，两端电子能量不同，温度高的一端电子能量大，则电子从高温端向低温端扩散的数量多，最后达到平衡。eA(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；——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。一、热电偶测温原理第八页，共四十二页，编辑于2023年，星期二由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0,如果T＞T0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3.热电偶回路的总电势NAT、NAT0——导体A在结点温度为T和T0时的电子密度；NBT、NBT0——导体B在结点温度为T和T0时的电子密度；σA

、σB——导体A和B的汤姆逊系数。第九页，共四十二页，编辑于2023年，星期二热电势存在必须具备两个条件：（1）两种不同的金属材料组成热电偶（2）其两端存在温差热电偶的热电势，等于两端温度分别为T和零度以及T0和零度的热电势之差。一、热电偶测温原理第十页，共四十二页，编辑于2023年，星期二4.导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使EAB(T0)=常数，则回路热电势EAB(T，T0)就只与温度T有关，而且是T的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。3.只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生。1.热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。2.只有用不同性质的导体才能组合成热电偶；相同材料不会产生热电势，因为当A、B两种导体是同一种材料时，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。结论：一、热电偶测温原理第十一页，共四十二页，编辑于2023年，星期二由一种匀质导体组成的闭合回路，不论导体的截面积如何及导体的各处温度分布如何，回路中没有电流(即不产生电动势)。若热电偶的热电极是非匀质导体，在不均匀温度场中测温时将造成测量误差。热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的指标之一1.匀质导体定律二、热电偶的基本定律第十二页，共四十二页，编辑于2023年，星期二在热电偶回路中，冷端断开接入与A、B电极不同的另一种导体（称为中间导体C），只要中间导体的两端温度相同，热电偶回路总电势不受中间导体接入的影响。2.中间导体定律二、热电偶的基本定律第十三页，共四十二页，编辑于2023年，星期二ET0T0TET0T1T1T电位计接入热电偶回路用途根据上述原理，可以在热电偶回路中接入电位计E，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，就不会影响回路中原来的热电势，接入的方式见下图所示。二、热电偶的基本定律第十四页，共四十二页，编辑于2023年，星期二两种导体A和B分别与参考电极C组成热电偶，如果他们所产生的热电势为已知，则A和B组成的热电偶产生的热电势为：3.标准电极定律二、热电偶的基本定律第十五页，共四十二页，编辑于2023年，星期二4.连接导体定律在热电偶回路中，如果热电极A和B分别与连接导体A’和B’相连，其结点温度分别为T，Tn和T0，则回路的热电势等于热电偶的热电势与连接导体的热电势之代数和。

EAB（T,Tn）

EA’B’（Tn,T0

）二、热电偶的基本定律第十六页，共四十二页，编辑于2023年，星期二二、热电偶的基本定律第十七页，共四十二页，编辑于2023年，星期二5.中间温度定律二、热电偶的基本定律当导体A和A’，导体B和B’分别相同时，第十八页，共四十二页，编辑于2023年，星期二

ABTTnTnABT0T0热电偶补偿导线接线图E连接导体定律为工业测量温度中使用补偿导线提供了理论依据。选择在100℃以下与热电偶热电特性相同的补偿导线，可使热电偶的参比端延长，使之远离热源到达一个温度相对稳定的地方而不会影响测温的准确性。

EAB（T,Tn,T0）=EAB（T,Tn）+EAB（Tn,T0）二、热电偶的基本定律第十九页，共四十二页，编辑于2023年，星期二例题：用S型热电偶测量某一温度，若参比端温度Tn=30℃，测得的热电势E(T,Tn)=7.499mV，求测量端的实际温度T。

E（T,T0）=E（T,Tn）+E（Tn,T0）E（Tn,T0）=E（30,0）=0.173mVE（T,Tn）=E（T,30）=7.499mV

E（T,0）=E（T,30）+E（30,0）=7.499+0.173=7.672mVT=830℃二、热电偶的基本定律第二十页，共四十二页，编辑于2023年，星期二第二十一页，共四十二页，编辑于2023年，星期二热电偶的热电势大小不仅与热端温度的有关，而且也与冷端温度有关，只有当冷端温度恒定，通过测量热电势的大小得到热端的温度。热电偶的冷端处理和补偿:当热电偶冷端处在温度波动较大的地方时，必须首先使用补偿导线将冷端延长到一个温度稳定的地方，再考虑将冷端处理为０℃。三、热电偶的冷端处理和补偿第二十二页，共四十二页，编辑于2023年，星期二冷端处理方法：（1）冰点槽法（2）计算修正法（3）冷端补偿电桥法三、热电偶的冷端处理和补偿第二十三页，共四十二页，编辑于2023年，星期二1.冰点槽法把热电偶的冷端置于冰水混合物容器里，使T0=0℃。这种办法仅限于科学实验中使用。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。mVABA’B’TCC’仪表铜导线试管补偿导线热电偶冰点槽冰水溶液T0三、热电偶的冷端处理和补偿第二十四页，共四十二页，编辑于2023年，星期二第二十五页，共四十二页，编辑于2023年，星期二2.计算修正法用普通室温计算出参比端实际温度TH，利用公式计算例用铜-康铜热电偶测某一温度T，参比端在室温环境TH中，测得热电动势EAB(T,TH)=2.191mV，又用室温计测出TH=20℃,查此种热电偶的分度表可知，EAB(20,0)=0.789mV，故得EAB(T,0)=EAB(T,20)+EAB(20,0)=2.191+0.789=2.980(mV)再次查分度表，与2.980mV对应的热端温度T=70℃。EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)三、热电偶的冷端处理和补偿第二十六页，共四十二页，编辑于2023年，星期二3.冷端补偿电桥法利用不平衡电桥产生热电势补偿热电偶因冷端温度变化而引起热电势的变化值。不平衡电桥由R1、R2、R3(锰铜丝绕制)、RCu(铜丝绕制)四个桥臂和桥路电源组成。设计时，在0℃下使电桥平衡(R1=R2=R3=RCu)，此时Uab=0，电桥对仪表读数无影响。注意：桥臂RCu必须和热电偶的冷端靠近，使处于同一温度之下。三、热电偶的冷端处理和补偿第二十七页，共四十二页，编辑于2023年，星期二第二十八页，共四十二页，编辑于2023年，星期二标准化热电偶：工艺上比较成熟，能批量生产、性能稳定、应用广泛，具有统一分度表并已列入国际和国家标准文件中的热电偶。标准化热电偶可以互相交换，精度有一定的保证。国际电工委员会（IEC）共推荐了8种标准化热电偶。四、标准化热电偶第二十九页，共四十二页，编辑于2023年，星期二表

标准化热电偶技术数据热电偶名称分度号热电极识别E（100,0）（mV）测温范围（℃）对分度表允许偏差（℃）新极性识别长期短期等级使用温度允差铂铑10-铂S正亮白较硬0.6460~13001600Ⅲ≤600±1.5℃负亮白柔软＞600±0.25%t铂铑13-铂R正较硬0.6470~13001600Ⅱ＜600±1.5℃负柔软＞1100±0.25%t铂铑30-铂铑B正较硬0.0330~16001800Ⅲ600~900±4℃负稍软＞800±0.5%t镍铬-镍硅K正不亲磁4.0960~12001300Ⅱ-40~1300±2.5℃或±0.75%t负稍亲磁Ⅲ-200~40±2.5℃或±1.5%t镍铬硅-镍硅N正不亲磁2.774-200~12001300Ⅰ-40~1100±1.5℃或±0.4%t负稍亲磁Ⅱ-40~1300±2.5℃或±0.75%t镍铬-康铜E正暗绿6.319-200~760850Ⅱ-40~900±2.5℃或±0.75%t负亮黄Ⅲ-200~40±2.5℃或±1.5%t铜-康铜T正红色4.279-200~350400Ⅱ-40~350±1℃或±0.75%t负银白色Ⅲ-200~40±1℃或±1.5%t铁-康铜J正亲磁5.269-40~600750Ⅱ-40~750±2.5℃或±0.75%t负不亲磁四、标准化热电偶第三十页，共四十二页，编辑于2023年，星期二1.铂铑10-铂热电偶（S型）贵金属热电偶电极线径规定为0.5mm，正极（SP）名义化学成分为铂铑合金；负极（SN）为纯铂，故俗称为单铂铑热电偶长期最高使用温度为1300℃，短期最高使用温度为1600℃优点：准确度高，稳定性好，测温温区和使用寿命长，物理化学性能良好，在高温下抗氧化性能好，适用于氧化和惰性气氛中。缺点：热电率较小，灵敏度低，高温下机械强度下降，对污染敏感，贵金属材料昂贵，因此一次性投资较大。四、标准化热电偶第三十一页，共四十二页，编辑于2023年，星期二2.铂铑30-铂铑6（B型）贵金属热电偶热偶丝线径规定为0.5mm正极（BP）和负极（BN）的名义化学成分均为铂铑合金，只是含量不同，故俗称为双铂铑热电偶。长期最高使用温度为1600℃，短期最高使用温度为1800℃。优点：准确度高，稳定性好，测温温区宽，使用寿命长等，适用于氧化性和惰性气氛中，也可短期用于真空中，但不适用于还原性气氛或含有金属或非金属蒸汽中；参比端不需进行冷端补偿，因为在0～50℃范围内热电势小于3µV。缺点：热电率较小，灵敏度低，高温下机械强度下降，抗污染能力差，贵金属材料昂贵。四、标准化热电偶第三十二页，共四十二页，编辑于2023年，星期二3.镍铬-镍硅热电偶（K型）使用量最大的廉价金属热电偶正极（KP）的名义化学成分为：Ni:Cr=90:10，负极（KN）的名义化学化学成分为Ni:Si=97:3。其使用温度为-200～1300℃。优点：线性度好，热电势较大，灵敏度较高，稳定性和复现性均好，抗氧化性强，价格便宜。能用于氧化性和惰性气氛中。K型热电偶不能在高温下直接用于硫、还原性或还原、氧化交替的气氛中，也不能用于真空中。四、标准化热电偶第三十三页，共四十二页，编辑于2023年，星期二4.镍铬-铜镍热电偶（E型）廉价金属热电偶。正极（EP）为镍铬10合金，化学成分与KP相同负极（EN）为铜镍合金，名义化学成分为55%的铜、45%的镍以及少量的钴、锰、铁等元素。该热电偶电动势之大，灵敏度之高属所有标准热电偶之