传感器-章热电式传感器

传感器_章热电式传感器第一页，共四十七页，编辑于2023年，星期六

7.2热电偶传感器热电阻与热电偶的区别第一，信号的性质不同，温度的变化，使热电阻产生电阻值变化；使热电偶产生感应电压的变化。第二，检测的温度范围不一样，热电阻是低温检测（0-150度），热电偶是高温检测（0-1000度）。第三，从材料上分，热电阻是一种金属材料，热电偶是双金属材料。第二页，共四十七页，编辑于2023年，星期六7.2热电偶传感器一、工作原理——热电效应两种不同材料A、B组成闭合回路，两节点AB1，AB2

处于不同温度T和T0，回路中形成一热电势和相应的热电流i，该现象称为热电效应7.2.1热电偶工作原理及其工作定律热电势由两部分组成：温差电势和接触电势。第三页，共四十七页，编辑于2023年，星期六1.接触电势EAB(T)——A、B两种金属在温度T时的接触电势；接触电势的大小与温度T高低及两种导体中的电子密度NA、NB间差异有关。TEAB(T)+－BANANB1、接触电势——两种材料之间第四页，共四十七页，编辑于2023年，星期六2.温差电势

——同一材料两端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；

AEA(T,To)TT0第五页，共四十七页，编辑于2023年，星期六3.回路总电势EAB(T，T0)=EAB(T)－EAB(T0)＋EA(T,T0)－EB(T,T0)

考虑温差电势较接触电势可忽略不计,有：EAB(T，T0)=EAB(T)－EAB(T0)第六页，共四十七页，编辑于2023年，星期六

二、热电耦工作定律（一）均质导体定律

——构成热电偶的基本定律（二）中间导体定律

——热电偶测量的基本定律（三）连接导体定律

——电路中应用补偿导线节约贵金属（四）中间温度定律

——计算修正的依据（五）参考电极定律

——热电偶选配依据第七页，共四十七页，编辑于2023年，星期六(一)均质导体定律（1）由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体是否存在温度梯度，回路中没有电流(即不产生电动势)；TT0AA热端冷端TT0AB热端冷端反之，如果有电流流动，此材料则一定是非均质的，即热电偶必须采用两种不同材料作为电极。第八页，共四十七页，编辑于2023年，星期六（2）当材料（A，B）一定时，热电势仅与热电偶两端点温度有关：EAB(T，T0)=EAB(T)－EAB(T0)若使EAB(T0)=C时，则：EAB(T，T0)=EAB(T)－C＝f(T)

即热电势为热端温度T的单值函数，这就是热电偶测温原理TT0AB热端冷端第九页，共四十七页，编辑于2023年，星期六（二）中间导体定律1）一个由几种不同导体材料连接成的闭合回路，只要它们彼此连接的接点温度相同，则此回路各接点产生的热电势的代数和为零。＝0E总＝EAB(T)＋EBC(T)＋ECA(T)

三个接触点温度相同第十页，共四十七页，编辑于2023年，星期六2）将A、B构成的热电偶的T0端断开，接入第三种导体C，只要保持第三导体两端温度相同，接入导体C后对回路总电动势无影响。EABC(T，T0)＝EAB(T)＋EBC(T0)＋ECA(T0)＝EAB(T)－EAB(T0)EABC(T，T0)＝EAB(T，T0)

等温区接入导体不影响总电动势第十一页，共四十七页，编辑于2023年，星期六图示：第三种材料接入热电偶回路的两种情况图b，在材料A中加入第三导体C，使C两端点温度相同为T2，不影响原回路总电势。EAB(T1,T0)=EAB(T1)-EAB（T0）T0T123ABEABT2CT0(c)图c，在AB右节点加入第三导体C，不影响原回路总电势。EAB（T1,T0）=EAB（T1）-EAB（T0）(b)T0T1ABCEABAT2T2(a)T0T1BAEAB第十二页，共四十七页，编辑于2023年，星期六意义：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。第十三页，共四十七页，编辑于2023年，星期六(三）连接导体定律EABB’A’（T，Tn，T0）＝EAB（T）＋EBB’（Tn）＋EB’A’（T0

）＋EA’A（Tn）＝EAB（T）＋EB’A’（T0

）＋EBB’（Tn）－EAA’（Tn）在热电偶回路中，接入连接导线A’、B’

，各接点温度为：TTnT0则回路总电势为EBA（

T0）00是运用补偿导线进行测温的理论基础第十四页，共四十七页，编辑于2023年，星期六应用：补偿导线原理引入与A、B同样热电特性的材料(即补偿导线)A′、B′则回路总电动势不变，仍为EABB’A’（T1，Tn，T0）≈EAB(T1)–EAB(T0)=EAB

(T1，T0)

即：接入AˊBˊ后不管接点温度Tn如何变化，都不影响总热电势。这便是引入补偿导线原理。B’’ABT1TnTnA’ET0例第十五页，共四十七页，编辑于2023年，星期六热电偶补偿导线知识由于热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。

第十六页，共四十七页，编辑于2023年，星期六补偿导线类型1延长型补偿导线又称延长型导线，其合金丝的名义化学成分及热电动势标称值与配用的热电偶相同。2.补偿型补偿导线又称补偿型导线，其合金丝的名义化学成分与配用的热电偶不同，但其热电动势值在0～100℃或0～200℃时与配用热电偶的热电动势标称值相同。

第十七页，共四十七页，编辑于2023年，星期六（四）中间温度定律对于材料A、B，若已知热电势EAB(T1,T0)、EAB(T0,T2)B

T0

T1

AABBAT2

则：EAB（T1,T2）=EAB（T1,T0）+EAB（T0,T2）或：EAB（T1,T2）=EAB（T1,T0）－EAB（T2,T0）第十八页，共四十七页，编辑于2023年，星期六应用：热电偶分度表在工程应用中，常用实验的方法得出温度与热电势的关系并做成表格，以供备查。表分度表中，参考端温度为:0摄氏度

当冷端温度T00℃时，EAB(T，T0)是热电偶热端T对于0℃和冷端T0

对于0℃时的热电势之差

BAB(T，T0)＝EAB(T，0）－EAB(T0

，0)第十九页，共四十七页，编辑于2023年，星期六热电势单位：V第二十页，共四十七页，编辑于2023年，星期六第二十一页，共四十七页，编辑于2023年，星期六例1例2第二十二页，共四十七页，编辑于2023年，星期六例：用分度号为K的镍铬-镍硅热电偶测量温度，在没有采取冷端温度补偿的情况下，显示仪表指示值为500℃，而这时冷端温度为60℃。试问：实际温度应T为多少？E（60，0）

E（T，60）60℃

TE（T，0）0℃＝E（500，0）＝2.436mv＝23.076mv＝E（557，0）＝20.64mvE（T，0）＝E（T，60）＋E（60，0）T为557℃表1表2第二十三页，共四十七页，编辑于2023年，星期六如果热端温度不变，设法使冷端温度保持在20℃，此时显示仪表的指示值应为多少？显示仪表指示值应为538.4℃。

显示误差为18.6℃E（557，0）0℃E（0，20）

557℃E（557，20）20℃＝E（538.4，0）＝－0.798mV＝23.076mv＝22.278mV＝E（T，0）E(557，20）=E（557，0）－E（20，0）表1表2第二十四页，共四十七页，编辑于2023年，星期六(五）参考电极定律如果任意两种导体材料的热电势是已知的，它们的冷端和热端的温度又分别相等，T0TEAC(T,T0)ACT0TECB(T,T0)CBT0TEAB(T,T0)AB它们相互间热电势的关系为：EAB（T,T0）=EAC（T,T0）－EBC（T,T0）第二十五页，共四十七页，编辑于2023年，星期六意义：方便热电偶的配选工作。由各种材料A、B与标准电极C（铂）组成的热电偶分度表，可求出任何二种材料电极A、B组成的热电偶产生的热电势。在工艺制作上，大大方便了热电偶的配选工作。第二十六页，共四十七页，编辑于2023年，星期六例题3：铜-铂构成热电偶在（100℃，0）下热电动势为0.75mV；康铜-铂构成热电偶在（100℃，0）下热电动势为－3.35mV；问铜-康铜构成热电偶时在（100℃，0）下热电动势为多少？

0℃100℃铜铂E铜-铂(100,0)＝0.75mV铂康铜E康铜-铂(100,0)＝－3.35mVE铜-康铜(100,0)康铜铜＝4.10mV第二十七页，共四十七页，编辑于2023年，星期六7.2.2热电偶传感器一、热电偶材料1、热电偶材料应满足：物理性能稳定，热电特性不随时间改变；化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐蚀；热电势高，导电率高，且电阻温度系数小；便于制造；复现性好，便于成批生产。第二十八页，共四十七页，编辑于2023年，星期六2、标准热电偶：标准热电偶：指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶。有相应的分度表、线性化集成电路。有与其配套的显示仪表可供选用。我国从1991年开始采用（ITS-90）新标准，共有八种标准化了的通用热电偶B、R、S、K、N、E、J、T，写在前面的热电极为正极，写在后面的为负极。第二十九页，共四十七页，编辑于2023年，星期六八种国际通用热电偶特性表名称分度号测温范围/C100C时的热电势/mV1000C时的热电势/mV铂铑30-铂铑6B5018200.0334.834铂铑13-铂R-5017680.64710.506铂铑10-铂S-5017680.6469.587镍铬-镍硅K-27013704.09641.276镍铬硅—镍硅N-27013002.74436.256镍铬—铜镍（康铜）E-2708006.319—铁—铜镍（康铜）J-2107605.269—铜—铜镍（康铜）T-2704004.279—第三十页，共四十七页，编辑于2023年，星期六第三十一页，共四十七页，编辑于2023年，星期六热电偶产品型号第三十二页，共四十七页，编辑于2023年，星期六（1）普通热电偶（2）薄膜热电偶二、热电偶的结构第三十三页，共四十七页，编辑于2023年，星期六（3）铠装热电偶将热电极、绝缘材料和金属保护套管加工成一个坚实的整体，经复合拉伸后形成的热电偶；细：一般直径为1～8mm；长：长度一般为1～20m；第三十四页，共四十七页，编辑于2023年，星期六（4）表面热电偶温度计凸型：固体平面温度测量

2.弓型

：固体圆形、球形表面温度测量3.针形：导电固体表面温度测量

第三十五页，共四十七页，编辑于2023年，星期六热电偶产品热电偶、热电偶插件、温度变送器第三十六页，共四十七页，编辑于2023年，星期六安装形式第三十七页，共四十七页，编辑于2023年，星期六热电偶温度计第三十八页，共四十七页，编辑于2023年，星期六三、热电偶的温度补偿原因为保证输出热电势是被测温度T的单值函数，必须使冷端温度T0保持恒定；热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度＝0℃为依据。方法：

0℃恒温法计算修正法补正系数法冷端补偿器法软件处理法第三十九页，共四十七页，编辑于2023年，星期六1、0℃恒温法（冰点槽法）把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里。这种办法仅限于科学实验中使用。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第四十页，共四十七页，编辑于2023年，星期六修正值2、修正值2.计算修正法以普通室温为参考端实际温度Tn，利用公式计算EAB(T,0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,0)1、测得值3、查表值第四十一页，共四十七页，编辑于2023年，星期六3.补正系数法参考端实际温度tn乘上系数k，加到由EAB(t，tn)＝EAB(t1，0)查分度表所得的温度上t1，成为被测温度t。用公式表达即