热电偶介绍课件

检测技术与自动化仪表第八章热电式传感器

南京工程学院温差热电偶（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。三、热电偶温度传感器★热电偶的工作原理★热电偶回路的性质★热电偶的常用材料与结构★冷端处理及补偿工作原理演示

结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。

热电极A右端称为：自由端（参考端、冷端）

一、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从实验到理论：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。

两种不同类型的金属导体，导体两端分别接在一起构成闭合回路，当两个结点温度不等有温差时，回路里会产生热电势，形成电流，这种现象称为热电效应。利用这种效应，只要知道一端结点温度，就可以测出另一端结点的温度。热电效应

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。

自由电子＋ABeAB（

T）T1.接触电势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。对于任何一种金属，当其两端温度不同时，两端的自由电子浓度也不同，温度高的一端浓度大，具有较大的动能；温度低的一端浓度小，动能也小。因此高温端的自由电子要向低温端扩散，高温端因失去电子而带正电，低温端得到电子而带负电，形成温差电动势，又称汤姆森电动势。2.温差电势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；σA——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σ=2μV/℃。温差电势原理图由导体材料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.回路总电势由于在金属中自由电子数目很多，温度对自由电子密度的影响很小，故温差电动势可以忽略不计，在热电偶回路中起主要作用的是接触电动势。则有在标定热电偶时，一般使T0为常数，则

1、热电偶回路的热电动势只与组成热电偶的材料及两端接点的温度有关；与热电偶的长度、粗细、形状无关。二、热电偶基本性质2、只有用不同性质的材料才能组合成热电偶，相同材料不会产生热电动势。因为当A、B两种导体是同一种材料时，ln（NA/NB）=0，所以EAB（T，T0）=0。3、只有当热电偶两端温度不同时，不同材料组成的热电偶才能有热电动势产生；当热电偶两端温度相同时，不同材料组成的热电偶也不产生热电动势，即EAB（T，T0）=0。4、导体材料确定后，热电动势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使eAB（T0）=常数，则回路热电动势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基本原理。5、对于有几种不同材料串联组成的闭合回路，若各接点温度分别为T1、T2……TN，闭合回路总的热电动势为：三、热电偶基本定律

1、均质导体定律如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，无论两接点的温度如何，热电动势均为零；反之，如果有热电动势产生，两个热电极的材料则一定是不同的。根据这一定律，可以检验两个热电极材料的成分是否相同(称为同名极检验法)，也可以检查热电极材料的均匀性。2、中间导体定律在热电偶回路中接入第三种导体C，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变。TT0T0BAC右图回路中的总电动势为：

如果回路中三个接点的温度都相同，即T＝T0，则回路总电动势必为零，即：即则T1CT0T1TBA如果按右图接入第三种导体C，则回路中的总电动势为：而所以意义：可用电器测量仪表直接测量热电势3、参考电极定律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可知。T0TEAB(T,T0)ABT0TEAC(T,T0)ACT0TEBC(T,T0)BC两式相减得：——（1）若一个热电偶由A、B、C三种导体组成，且回路中三个接点的温度都相同，则回路总电动势必为零，即：

或即导体A与B组成的热电偶的热电动势也可知。代入（1）式可得：解：由标准电极定律，镍铬和考铜热电偶的热电动势应等于镍铬合金与纯铂热电偶与考铜与纯铂热电偶的热电动势的差，即例

热端为100℃、冷端为0℃时，镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为2.95mV，而考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为-4.0mV，求镍铬和考铜组合而成的热电偶所产生的热电动势。2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV4、连接导体与中间温度定律

在热电偶回路中，如果电极A、B在热端（温度为T）相连接，而在温度较低的一侧分别与导线A’、B’相连接，接点温度均为Tn，A’、B’在冷端（温度为T0）相连接，则回路的总热电势将等于热电偶的A、B的热电势EAB(T，Tn)与连接导线在(Tn

、T0)下的热电势EA’B’(Tn，T0)的代数和，即：若A与A’,B与B’分别为同一材料，显然有上式即为中间温度定律。

当Tn=0℃时，则：上式说明：只要A、B组成的热电偶在冷端温度为零时的“热电动势—温度”关系已知，则它在冷端温度不为零时的热电动势即可知(因为T0能测量，再查表即可得到EAB(T0,0),减去该项即可)

中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据。它表明：若热电偶的两热电极被两根导体延长，只要接人的两根导体组成热电偶的热电特性与被延长的热电偶的热电特性相同，且它们之间连接的两点温度相同，则总回路的热电动势与连接点温度无关，只与延长以后的热电偶两端的温度有关。意义：为制定分度表奠定了理论基础热电偶的分度表

——热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法

我国从1991年开始采用国际计量委员会规定的“1990年国际温标”（简称ITS-90）的新标准。按此标准，制定了相应的分度表，并且有相应的线性化集成电路与之对应。

直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是：自由端（冷端）温度必须为0C。四、热电偶结构和种类（1）热电极（2）绝缘套（3）保护套管（4）接线盒与介质隔离，优良传热性能防止电极间短路

氧化铝管、耐火陶瓷铝合金热电性质稳定物理化学性质稳定电阻温度系数小、电阻率高输出热电势大、输出呈线性复制性好、工艺简单、价格低

贵金属普通金属1、热电偶的结构普通装配型热电偶外形安装螺纹安装法兰普通装配型热电偶结构图

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

铠装热电偶的制造工艺：

把热电极材料与高温绝缘材料预置在金属保护管中、运用同比例压缩延伸工艺、将这三者合为一体，制成各种直径、规格的铠装偶体，再截取适当长度、将工作端焊接密封、配置接线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。

铠装热电偶特点：

内部的热电偶丝与外界空气隔绝，有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力冲击的特性。铠装热电偶可以制作得很细，能解决微小、狭窄场合的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。

隔爆型热电偶外形厚壁保护管压铸的接线盒电缆线

结构特点：

隔爆热电偶的接线盒在设计时采用防爆的特殊结构，它的接线盒是经过压铸而成的，有一定的厚度、隔爆空间，机构强度较高；采用螺纹隔爆接合面，并采用密封圈进行密封，因此，当接线盒内一旦放弧时，不会与外界环境的危险气体传爆，能达到预期的防爆、隔爆效果。

使用场合：工业用的隔爆型热电偶多用于化学工业自控系统中（由于在化工生产厂、生产现场常伴有各种易燃、易爆等化学气体或蒸汽，如果用普通热电偶则非常不安全、很容易引起环境气体爆炸）。2、热电偶的种类

从1988年1月1日起，我国热电偶和热电阻的生产全部按国际电工委员会（IEC）的标准，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。但其中的R型（铂铑13-铂）热电偶，因其温度范围与S型（铂铑10-铂）重合,我国没有生产和使用。常用热电偶的测温范围及热电势

分度号

名称

测量温度范围

1000C热电势/mVB铂铑30－铂铑650～1820C4.834R铂铑13—铂-50～1768C10.506S铂铑10—铂-50～1768C9.587K镍铬－镍铬(铝)-270～1370C41.276E镍铬－铜镍(康铜)－270～800C——?五、热电偶实用测量电路1、测量单点温度——热电偶、补偿导线和仪表内阻CT0已知2、测量两点之间的温差仪表回路内的总电动势为:因为C和A、D和B材料相同3、测量平均温度（并联）仪表缺点：当有一只热电偶烧断时，不易察觉。4、测量几点温度之和（串联）仪表导线与所连接的热电偶材料相同电路调试步骤：调零：T=0℃时调整调零电位器RP2使运放输出为零；调增益：温度600℃时调节负反馈电阻PR1，使运放输出在6V。600℃时，K型热电偶热电势为E=24.902mv，放大器增益为6V/24.902mv=240.945，得到满量程输出6V。六、冷端处理及补偿原因热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0℃为依据，否则会产生误差。热电偶热电势的大小是热端温度和冷端温度的函数差，为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定；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T01.冰点槽法2.补偿导线法利用补偿导线，将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所(如仪表室)。根据中间温度定律，只要热电偶的两个热电极分别与两补偿导线的接点温度一致，就不会影响热电动势的输出。例

采用镍铬-镍硅热电偶测量炉温。热端温度为800℃，冷端温度为50℃。为了进行炉温的调节与显示，必须将热电偶产生的热电动势信号送到仪表室，仪表室的环境温度恒为20℃。首先由镍铬-镍硅热电偶分度表查出它在冷端温度为0℃，热端温度分别为800℃、50℃、20℃时的热电动势：E(800，0)＝33.277mV；如果热电偶与仪表之间直接用铜导线连接（非补偿导线），根据中间导体定律，输入仪表的热电动势为：E(50，0)＝2.022mV；E(20，0)=0.798mV。E(800，50)=E(800，0)-E(50，0)

=(33.277-2.022)mV=31.255mV查分度表知，对应31.255mV的温度是751℃。与炉内真实温度相差49℃。如果热电偶与仪表之间用补偿导线连接，相当于将热电偶冷端延伸到仪表室，输入仪表的热电动势为

E(800，20)=E(800，0)-E(20，0)=(33.277-0.798)mV=32.479mV(相当于781℃)

与炉内的真实温度相差分别为

751℃-800℃=-49℃781℃-800℃=-19℃可见，补偿导线的作用是很明显的。

补偿导线的类型见表11-1。补偿导线的型号、线芯材质和绝缘层着色

补偿导线型号配用热电偶补偿导线的线芯材料绝缘层着色正极负极SC或RC铂铑10（铂铑）-铂SPC（铜）SNC（铜镍）红绿KC镍铬-镍硅KPC（铜）KNC（铜镍）红蓝KX镍铬-镍硅KPX（铜镍）KNX（镍硅）红黑NX镍铬硅-镍硅NPS（铜镍）NNX（镍硅）红灰EX镍铬-铜镍EPX（镍铬）ENX（铜镍）红棕JX铁-铜镍JPX（铁）JNX（铜镍）红紫TX铜-铜镍TPX（铜）TNX（铜镍）红白使用补偿导线时注意问题：补偿导线只能用在规定的温度范围内（0~100℃）；热电偶和补偿导线的两个接点处要保持温度相同；不同型号的热电偶配有不同的补偿导线；补偿导线由正、负极需分别与热电偶正、负极相连；补偿导线的作用是对热电偶冷端延长。计算修正法用普通室温计算出冷端实际温度TH，利用公式计算例用铜-康铜热电偶测某一温度T，冷端在室温环境TH中，测得热电动势EAB(T，TH)=1.979mV，又用室温计测出TH=21℃,查此种热电偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.84mV，故得EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，0)=1.979+0.84=2.819(mV)再次查分度表，与2.819mV对应的热端温度T=69℃。注意:既不能只按1.979mV查表，认为T=49℃，也不能把49℃加上21℃，认为T=70℃。EAB(T,0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,0)例用动圈仪表配合热电偶测温时，如果把仪表的机械零点调到室温TH的刻度上,在热电动势为零时，指针指示的温度值并不是0℃而是TH。而热电偶的冷端温度已是TH,则只有当热端温度T=TH时，才能使EAB(T,TH)=0，这样，指示值就和热端的实际温度一致了。这种办法非常简便，而且一劳永逸，只要冷端温度总保持在TH不变，指示值就永远正确。四.零点迁移法应用领域：如果冷端不是0℃，但十分稳定（如恒温车间或有空调的场所）。实质：在测量结果中人为地加一个恒定值，因为冷端温度稳定不变，电动势EAB(TH,0)是常数，利用指示仪表上调整零点的办法，加大某个适当的值而实现补偿。五、冷端补偿器法: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。冷端补偿器的作用注意：桥臂RCu必须和热电偶的冷端靠近，使处于同一温度之下。

mVEAB(T,T0)T0T0TAB++-abUUabRCuR1R2R3R供电4V直流，在0～40℃或-20～20℃的范围起补偿作用。注意，不同材质的热电偶所配的冷端补偿器，其中的限流电阻R不一样，互换时必须重新调整。T0RCu

Ub

Uab

EAB(T,T0)-U=EAB(T,T0)+Uab=不变冷端温度恒定T0：但T0不为0℃时，只需在采样后加一个与冷端温度对应的常数即可。冷端温度T0波动：可利用热敏电阻或其它传感器把T0信号输入计算机，按照运算公式设计一些程序，便能自动修正。后一种情况必须考虑输入的采样通道中除了热电动势之外还应该有冷端温度信号，如果多个热电偶的冷端温度不相同，还要分别采样，若占用的通道数太多，宜利用补偿导线把所有的冷端接到同一温度处，只用一个冷端温度传感器和一个修正T0的输入通道就可以了。冷端集中，对于提高多点巡检的速度也很有利。

7.软件处理法三、

热电式传感器的应用炉温的自动调节

电机炉温的自动记录

11、热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体的两接点温度

，则回路中总的热电动势

，这就是热电偶的中间导体定律。3、现采用镍铬—镍硅热电偶测量炉温，已知热端温度t＝800，冷端温度tn＝50；为了进行炉温的调节及显示，须将热电偶产生的热电动势信号送至仪表室，而仪表室环境温度恒为t0＝20。试问：分别（1）若热电偶与仪表之间用补偿导线连接，（2）热电偶与仪表之间直接用铜导线连接，输入仪表的热电动势依次为多少？是基于热电偶的哪个定律来完成的计算？（由分度表已知：E(800,0)=33.277mV，E(50,0)=2.022mV，E(20,0)=0.798mV）5．如果热电偶回路的两个热电极材料相同，则无论两接点的温度如何，热电动势均为

。4．下面热电偶的工作定律中，作为工业上运用补偿导线进行温度测量的理论基础的定律是（

）A．中间导体定律

B．中间温度定律

C．连接导体定律

D．标准电极定律3、若热电偶的两电极材料相同,且两端点温度T≠T0，则热电偶(

)。A．仅接触电势为零

B．总的热电动势为零C．仅单一导体的热电势为零

D．有电势输出；3、现采用镍铬—镍硅热电偶分度表，表中自由端温度t0＝0℃，试问：（1）根据分度表，可计算出E镍铬—镍硅(105℃,62℃)为多少mV？（2）如果在测温现场需要对（1