热电偶-热电偶（传感技术课件）

项目5热电偶热电偶在城市轨道交通车辆的空调系统中，常采用传感器与电子温控器相配合进行温度控制。温控器多使用电子调节器，传感器用作温度检测，一般采用热电偶或热敏电阻作传感器。热电偶测温的主要优点1.属于自发电型传感器：测量时可以不需外加电源，可直接驱动动圈式仪表。2.测温范围广：下限可达-270℃

，上限可达1800℃以上。3.各温区中的各种热电偶的热电动势均符合国际计量委员会的标准。4.已形成系列化、标准化的一种测温传感器，可以选用标准的显示仪表和记录仪表（二次仪表）来进行显示和记录，由二次仪表中的微处理器判断被测温度的上下限，从而控制交流接触器的通断。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。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热电动势A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。说明回路中产生了什么？1－工作端2－热电极A3－热电极B4－指南针5－参考端热电偶：两种不同材料的导体（或半导体）A和B组成闭合回路。A、B是热偶丝，也叫热电极。热电势：热电偶放在被测对象中，两端温度不同时，会产生的电动势。热电流：回路中通过的电流。热端（工作端）、冷端（自由端）：感受温度变化的那端称为热端，另一端称为冷端。热电效应热电势由温差电势和接触电势组成。若将导体A或B的两端分别置于不同的温度场t、t0中（t>t0），在导体两端便产生了电位差，将该电位差称为温差电势。

eA(t，t0)=UA(t)-UA(t0)eB(t，t0)=UB(t)-UB(t0)温差电势的大小与导体的电子密度及两端温度有关。热电势接触电势当A和B两种不同材料的导体接触时，在A与B两导体的接触处产生的电位差，称为接触电势。eAB(t)=UA(t)-UB(t)eAB(t0)=UA(t0)-UB(t0)温度越高，接触电势越大；两种导体电子密度的比值越大，接触电势越大。热电势接触电势的大小与接点处温度高低和导体的电子密度有关。热电偶回路的总电势

热电偶回路的总电势为EAB(t，t0)=eAB(t)–eAB(t0)–eA(t，t0)+eB(t，t0)热电偶回路的总电势

一般地，在热电偶回路中接触电势远远大于温差电势，所以温差电势可以忽略不计。EAB(t，t0)=eAB(t)-eAB(t0)热电偶回路的总电势

热电偶回路中热电势的大小，只与组成热电偶的导体材料和两接点的温度有关，而与热电偶的形状尺寸无关。当热电偶两电极材料固定后，热电动势便是两接点温度为t和t0时的函数差，即EAB(t，t0)=f(t)-f(t0)如果使冷端温度t0保持不变，则热电动势便成为热端温度t的单一函数，即

EAB(t，t0)=f(t)-C=φ(t)用实验方法求取这个函数关系。通常令t0=0℃，然后在不同的温差（t-t0）情况下，精确地测定出回路总热电动势，并将所测得的结果列成表格（称为热电偶分度表），供使用时查阅。热电偶的三条基本定律均匀导体定律、中间导体定律、中间温度定律1.均匀导体定律

1）定律内容：由一种均匀导体（或半导体）组成的闭合回路，不论温度如何分布，都不能产生电动势。

2）定律推论（1)热电偶必须由两种不同材料组成（2)由一种材料组成的闭合回路存在温差时，如回路有热电势，则材料不均匀。2.中间导体定律1）定律内容：不同材料组成的闭合回路中，若各种材料接触点的温度都相同，则回路中热电势的总和等于零。2）定律推论推论：在热电偶回路接入第三种导体，若第三种导体的两接点温度相同，对回路中总热电势无影响。连接显示仪表的两个接点温度相同，则不影响热电偶电势。热电偶的三条基本定律3.中间温度定律定律内容：热电偶在两接点温度t1、t3时的热电动势等于接点温度分别为t1、t2和t2、t3

的两支同性质热电偶的热电动势的代数和。+At1t2BE1+At3BE2EAB(t1,t2)＋EAB(t2,t3)=eAB(t1)+eBA(t2)+eAB(t2)+eBA(t3)=eAB(t1)+eBA(t3)=EAB(t1,t3)+At1t3BE3=E1+E2热电偶的三条基本定律热电偶的种类及结构

八种国际通用热电偶：B:铂铑30—铂铑6

R:铂铑13—铂S:铂铑10—铂K:镍铬—镍硅N:镍铬硅—镍硅E:镍铬—铜镍J:铁—铜镍T:铜—铜镍用于制造铂热电偶的各种热电偶丝几种国标热电偶的测温范围及热电动势

分度号

名称

测量温度范围

1000℃热电动势/mVB铂铑30－铂铑650～1820℃4.834R铂铑13—铂-50～1768℃10.506S铂铑10—铂-50～1768℃9.587K镍铬－镍硅

(铝)-270～1370℃41.276E镍铬－铜镍(康铜)-270～800℃—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，并由计算机查表。

直接从热电偶的分度表查温度与热电动势的关系时的约束条件是：自由端（冷端）温度必须为0℃。查热电偶分度表（温度/毫伏数）

数字式温度表温度上限设定值温度上限值设定键单片机自动查分度表，并显示被测温度值K型热电偶的分度表分别查出-100℃、+100℃时的2个热电动势。计算与0℃之差，体会热电动势的非线性。装配式热电偶的外形安装螺纹安装法兰普通装配式热电偶的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

普通工业用装配式热电偶结构示意图接线盒保险套管绝缘套管热电偶丝铠装式热电偶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。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型热电偶外形接线卡屏蔽层测量端（热端）铠装式热电偶在设备中的安装快速反应薄膜热电偶用真空蒸镀等方法使两种热电极材料蒸镀到绝缘板上而形成薄膜装热电偶，热接点约0.01～0.lμm。特别适用于对壁面温度的快速测量。安装时，用粘结剂将它粘结在被测物体壁面上。尺寸约为60×6×0.2mm;测温范围在300℃以下；反应时间仅为几ms。

4123快速反应薄膜热电偶1—热电极2—热接点3—绝缘基板4—引出线隔爆式热电偶结构特点：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）。隔爆式热电偶外形厚壁保护管压铸的接线盒电缆线法兰盘其他热电偶外形小型K型热电偶热电偶的冷端温度补偿必要性：用热电偶的分度表查毫伏数-温度时，必须满足t0=0℃的条件。在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化，这样t0不但不是0℃，而且也不恒定，因此将产生误差。仪表机械零点调整法当热电偶与动圈式仪表配套使用时，若热电偶的冷端温度比较恒定，对测量精度要求又不太高时，可将动圈仪表的机械零点调整至热电偶冷端所处的温度t0处，这相当于在输入热电偶的热电势前就给仪表输入一个热电势E（t0,0℃）。这样，仪表在使用时所指示的值约为E（t0,0℃）+E（t,t0）。进行仪表机械零点调整时，首先必须将仪表的电源及输入信号切断，然后用螺钉旋具调节仪表面板上的螺钉使指针指到的刻度上。当气温变化时，应及时修正指针的位置。此法虽有一定的误差，但非常简便，在工业上经常采用。仪表机械零点调整法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40℃）的刻度上。机械零点指针被预调到室温（40℃

）可补偿冷端损失冷端温度校正法1.问题提出分度的冷端温度为0℃，如测温时热电偶是t0不为0℃，不能用测得E(t,t0)直接查分度表求t。2.计算公式E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)（中间温度定律）用E(t,0)查表求t。冰浴法冷端放入一个温度恒为0℃的冰点槽中将水与冰屑混合放入保温瓶，在瓶盖上插入盛变压器油的试管，热电偶的冷端插入到试管中。电桥补偿法原理：冷端波动热电势由不平衡电桥的输出补偿。设计不平衡电桥，电桥与热电偶冷端温度相同。桥臂电阻R1=R2=R3=1

（不变），Rcu是铜导线的补偿电阻（随温度变化）,E是桥路直流电源，Rs是限流电阻。+-ABa+b-+ExcdR1R2R3RcuRsE具体方法Rs晶体管PN结温度补偿法1.方法：用温敏二极管或温敏晶体管构成热电偶冷端温度补偿器，其灵敏度和准确度很高。2.工作原理:在环境温度中，将一个相应的PN结上的电压引入热电偶回路。热电偶测温线路

1．测量某一点的温度2．测量两点之间的温度差（使用相同型号的热电偶）测量两点间温差测量某点温度3．热电偶并联线路（测量平均温度）4．热电偶串联线路（测量几点温度之和）热电偶串联

热电偶并联

热电偶测温线路热电偶的安装与应用为了使管道的气流充分与热电偶产生热交换,装配式热电偶应尽可能垂直向下插入管道中。热电偶高出管道的部分必须包扎保温材料,否则将产生3~5℃的误差。a）在肘管（弯管）上的安装b）在扩展管上的安装1－管道2－绝热层3－热电偶4－安装螺栓5－垫片6－接线盒7－补偿导线8－焊台9－扩大管装配式热电偶在

锅炉中的安装适合不同被测壁面的热电偶安装方法

1—发热元件2—散热片3—薄膜热电偶4—绝热保护层

5—硬质车刀6—用激光加工的斜孔7—露头式铠装热电偶的测量端8—薄壁金属保护管9—冷端10—工件a）薄膜热电偶测量表面温度

b）铠装式热电偶测量车刀的核心温度

c）铠装式热电偶测量电动机外壳温度与热电偶配套的仪表

由于我国生产的热电偶均符合ITS-90国际温标所规定的标准，其一致性非常好，所以国家又规定了与标准热电偶配套的仪表，它们的显示值为温度，而且均已线性化。国家标准的动圈式显示仪表命名为XC系列。有指示型（XCZ）和指示调节型（XCT）等系列品种。与K型热电偶配套的动圈仪