热电式传感器课件

15.1温度测量第15章传感器在工程检测中的应用热电式传感器温度的概念温标温度计的标定与校正测温方法与测温仪器的分类国家计量院省市级对比、传递冷热分子运动内涵量热电阻热电势其他摄氏温标、华氏温标热力学温标、国际实用温标(ITS-90)温度源温度值对比概述温度的标准：(1)有可实现的固定点温度；(2)有在固定点温度上分度的内插仪器；(3)确定相邻固定温度点间的内插公式。热电偶传感器热电阻传感器图15–1温度传感器组成框图温差热电偶（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。15.1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AB15.1

热电偶温度传感器从实验到理论：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。

15.1热电偶温度传感器两种不同材料的金属导体或半导体组成闭合回路，当两个结点温度不等有温差时，回路里会产生电动势，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15.1

热电偶温度传感器

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.接触电势热电偶温度传感器1eAB(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；T-结点处的绝对温度；接触电势的大小与温度高低及导体中的电子浓度有关。热电偶温度传感器对于任何一种金属，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，形成温差热动势，又称汤姆逊热电势。2.温差电势热电偶温度传感器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/℃。温差电势原理图热电偶温度传感器由导体材料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.回路总电势热电偶温度传感器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，则热电偶温度传感器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。注意几点：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。热电偶温度传感器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：热电偶温度传感器重要的公式热电偶的基本定律均质导体定律中间导体定律中间温度定律15.1

热电偶测温标准电极定律连接导体定律三、热电偶基本定律1、均质导体定律由两种均质导体组成的热电偶，其热电动势的大小只与两材料及两接点温度有关，与热电偶的大小尺寸、形状及沿电极各处的温度分布无关。即如材料不均匀，当导体上存在温度梯度时，将会有附加电动势产生。这条定理说明，热电偶必须由两种不同性质的均质材料构成。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。15.2热电偶温度传感器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。T0T0BTAC右图回路中的总电动势为：15.2热电偶温度传感器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15.2热电偶温度传感器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15.2热电偶温度传感器BBA

Tn

T

T0

AAB3、中间温度定律在热电偶测温回路中，tn为热电极上某一点的温度，热电偶AB在接点温度为t、t0时的热电势eAB(t,t0)等于热电偶AB在接点温度t、tn和tn、t0时的热电势eAB(t,tc)和eAB(tn,t0)的代数和，即15.2热电偶温度传感器证明：即：该定律是参考端温度计算修正法的理论依据，在实际热电偶测温回路中,利用热电偶这一性质,可对参考端温度不为0℃的热电势进行修正。15.2热电偶温度传感器表S型(铂铑10-铂)热电偶分度表

当T0=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。意义：为制定冷端不为零的分度表奠定了理论基础15.2热电偶温度传感器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，Tn)=1.979mV，又用室温计测出Tn=21℃,查此种热电偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.84mV，故得注意: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,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)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℃。表S型(铂铑10-铂)热电偶分度表4、标准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)BC15.2热电偶温度传感器两式相减得：——（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：

15.2热电偶温度传感器或即导体A与B组成的热电偶的热电动势也可知。代入（1）式可得：15.2热电偶温度传感器解：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)=6.95mV15.2热电偶温度传感器意义：运用补偿导线法进行温度测量的理论基础5、连接导体定律热电偶导体A、B分别与连接导线C、D相接，总热电势为两部分的代数和。15.2热电偶温度传感器热电偶的分度表——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0

C。15.2热电偶温度传感器表标准化热电偶的主要性能和特点35表S型(铂铑10-铂)热电偶分度表36表B型(铂铑30—铂铑6)热电偶分度表37表15-5K型(镍铬—镍硅)热电偶分度表38另外还有一些特殊用途的热电偶，以满足特殊测温的需要。如用于测量3800℃超高温的钨镍系列热电偶，用于测量2～273K的超低温的镍铬-金铁热电偶等。表E型(镍铬—铜镍)热电偶分度表39四、热电偶结构和种类（1）热电极（2）绝缘管（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、输出呈线性复现性好、工艺简单、价格低

贵金属普通金属1、热电偶的结构15.3热电偶温度传感器普通装配型热电偶外形安装螺纹安装法兰15.3热电偶温度传感器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15.3热电偶温度传感器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15.3热电偶温度传感器

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。15.3热电偶温度传感器隔爆型热电偶外形厚壁保护管压铸的接线盒电缆线15.3热电偶温度传感器

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）。15.3热电偶温度传感器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。15.3热电偶温度传感器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

1000

C热电势/mVB铂铑30－铂铑650～1820

C4.834R铂铑13—铂-50～1768

C10.506S铂铑10—铂-50～1768

C9.587K镍铬－镍铬(铝)-270～1370

C41.276E镍铬－铜镍(康铜)－270～800

C——?15.3热电偶温度传感器五、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15.3热电偶温度传感器2、测量两点之间的温差仪表回路内的总电动势为:因为15.3热电偶温度传感器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。15.3热电偶温度传感器4、测量几点温度之和（串联）仪表15.3热电偶温度传感器电路调试步骤：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，使运放输出在5V。600℃时，K型热电偶热电势为E=24.902mv，放大器增益为5V/24.902mv=240.945

，得到满量程输出5V。15.3热电偶温度传感器图15-17热电偶串、并联线路(a)正向串联；(b)反向串联；(c)并联54六、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；15.3热电偶温度传感器把热电偶的参比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(冷端0恒温法)15.3热电偶温度传感器2.热电偶补偿导线利用补偿导线，将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所(如仪表室)。根据连接导体定律，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℃。15.3热电偶温度传感器首先由镍铬-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，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℃。15.3热电偶温度传感器3.冷端温度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)=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,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)15.3热电偶温度传感器15.3热电偶温度传感器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。3.零点迁移法应用领域：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。15.3热电偶温度传感器4补偿电桥法:利用不平衡电桥产生的不平衡电压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++-abUUabRCuR1R2R3RT0RCu

Ua

Uab

EAB(T,T0)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。热电偶温度传感器冷端温度恒定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。

5.

软件处理法热电偶温度传感器热电偶的误差及补偿热电偶测温使用中