传感器及实用检测技术（第三版）热电偶

热电偶传感器1.热电效应2.热电偶三大定律3.材料及结构4.温度补偿内容提要5.测量电路一、热电效应

1821年，塞贝克将两种不同的金属导线连接在一起，构成一个电流回路。他将两条导线首尾相连形成一个结点，他突然发现，如果把其中的一个结加热到很高的温度而另一个结保持低温的话，电路周围存在磁场。他实在不敢相信，热量施加于两种金属构成的一个结时会有电流产生，这只能用热磁电流或热磁现象来解释他的发现。赛贝克的实验仪器，加热其中一端时，指针转动，说明导线产生了磁场

塞贝克确实已经发现了热电效应，但他却做出了错误的解释：导线周围产生磁场的原因，是温度梯度导致金属在一定方向上被磁化，而非形成了电流。科学学会认为，这种现象是因为温度梯度导致了电流，继而在导线周围产生了磁场。对于这样的解释，塞贝克十分恼火，但是，塞贝克自己却难以解释这样一个事实：如果将电路切断，温度梯度并未在导线周围产生磁场。所以，多数人都认可热电效应的观点，后来也就这样被确定下来了。

在接下来的两年里时间，塞贝克将他的持续观察报告给普鲁士科学学会，把这一发现描述为“温差导致的金属磁化”。先看一个实验——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热电势AB回路中有电流产生两种不同材质导体两个不同温度场闭合回路热电效应1.两种不同导体的接触电势

扩散、平衡接触电势电子密度差自由电子＋ABeAB（

T）T2.导体的温差电势3.回路总电势

热电偶回路热电势示意图由此可得如下结论：①如果热电偶两极材料相同，即使两端温度不同，则闭合电路的总电势仍为零，即组成热电偶的两极材料必须为不同材料。②如果热电极材料不同，但两端温度相同，可见总电势仍为零，即闭合回路热电势仍为零。③热电偶闭合回路热电势只与两结点温度有关，而与回路中间的温度无关。二、热电偶三大定律1.中间导体定律在电极为A和B材料组成的热电偶回路中接入第三种导体C，只要导体C两端温度相同，则此导体的接入不会影响原来热电偶回路的热电势。应用：冷端引入导线和仪表

由以上分析可知，在测量热电势时只要保证引入导线和仪表处在T0温度场中，就不会影响热电偶输出。2.中间温度定律如图所示，在任何两种匀质材料组成的热电偶回路中，热端温度为、冷端温度为时的热电势等于该热电偶热端为、冷端为时的热电势与同一热电偶热端为，冷端为时的热电势的代数和。用式子表示为中间温度定律的应用冷端修正补偿导线的理论依据3.参考电极定律

由热电极A、B分别与参考电极C（与A、B不相同的第三种导体）组成的热电偶结点温度为t,t0时，热电势分别为和，那么在相同温度下由A、B组成的热电偶电动势存在以下关系式

参考电极定律大大简化了热电偶选配电极的工作。三、热电偶的结构1、热电偶组成热电极、绝缘管、保护管、接线盒等。2、应用范围：温度测量——气、蒸、液主要用于气体、蒸气、液体等介质的温度测量。为了防止有害介质对热电极的侵蚀，工业用的热电偶一般都有保护套，其外部和设备的固定方式有螺纹固定、法兰盘固定等。普通型热电偶铠装型热电偶隔爆型热电偶其他类型热电偶热电偶的分类普通装配型热电偶的外形安装螺纹安装法兰普通热电偶的结构放大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

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隔爆型热电偶

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）。隔爆型热电偶外形厚壁保护管压铸的接线盒电缆线其他热电偶外形小形K型热电偶四、热电偶的材料1、什么是热电极：组成热电偶的两根热偶丝。2、热电极对材料要求根据热电效应的原理，任意两种不同材质的导体可作为热电极组成热电偶。实际情况并非如此，必须严格选择。

1)热电势大，线性关系2)性能稳定3)响应速度快3、三种材料的热电极相对比：纯金属热电极：容易复制，但热电势小；非金属热电极：热电势大、熔点高，复制性稳定性较差；合金热电极：热电件能和工艺性介于前面两者之间。

八种国际通用热电偶：

B:铂铑30—铂铑6R: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铂热电偶丝热电偶名称代号分度号热电极材料测温范围/℃新旧正热电极负热电极长期使用短期使用铂铑30-铂铑6铂铑10-铂镍铬-镍硅镍铬-铜镍铁-铜镍铜-铜镍WRRWRPWRNWREWRFWRCBSKEJTLL-2LB-3EU-2--CK铂铑30合金铂铑10合金镍铬合金镍铬合金铁铜铂铑6合金纯铂镍硅合金铜镍合金铜镍合金铜镍合金300～1600-20～1300-50～1000-40～800-40～700-40～300180016001200900750350几种常用热电偶的测温范围及热电势

五、热电偶的冷端温度补偿必要性：

1、用热电偶的分度表查毫伏数—温度时，必须满足t0=0

C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

C，而且也不恒定，因此将产生误差。

2、一般情况下，冷端温度均高于0

C，热电势总是偏小。应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失。温度补偿的方法冰浴法桥路补偿法机械调零法补偿导线法计算修正法

1、冷端恒温法将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中，使冷端的温度保持在0

C不变。此法也称冰浴法，它消除了t0不等于0

C而引入的误差，由于冰融化较快，一般只适用于实验室中。冰浴法冰瓶中冰水混合物的温度长时间保持在0

C冰浴法接线图

1—被测流体管道2—热电偶3—接线盒4—补偿导线5—铜质导线6—毫伏表7—冰瓶8—冰水混合物9—试管10—新的冷端2、计算修正法

当热电偶的冷端温度t0

0

C时，由于热端与冷端的温差随冷端的变化而变化，所以测得的热电势EAB（t，t0）与冷端为0

C时所测得的热电势EAB（t，0

C）不等。若冷端温度高于0

C，则EAB（t，t0）<EAB（t，0

C）。可以利用下式计算并修正测量误差：

EAB（t，0

C）=EAB（t，t0）+EAB（t0，0

C）练习：用K型热电偶测某设备的温度，测得的热电势为20mv，冷端（室温）为25oC，求设备的温度？解：这是热电偶温度计的冷端温度不为0oC的问题；冷端温度修正法；E(T,0)=E(T,T1)+E(T1,0)T1=25oCK型热电偶；查K型热电偶分度表E(T1,0)=E(25,0)=1mv;已知：E(T,T1)=20mv；则：E(T,0)=21mv； 通过反查K型热电偶分度表T=508.5oC;3、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

C）的刻度上。机械零点指针被预调到室温（40

C）可补偿冷端损失。4、电桥补偿法

XT-WBC热电偶冷端补偿器

电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值，可购买与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥。5、补偿导线法

在一定温度范围内，热电性能与热电偶热电性能很相近的导线称为热电偶的补偿导线。按热电偶中间温度定则，热电偶测温回路的总电势值只与热端和参比端的温度有关，而不受中间温度变化的影响，所以可用与热电偶材料相匹配的补偿导线来代替需要延伸的贵重热电偶材料，将参比端由热电偶接线盒延伸到仪表接线端，由补偿导线对原参比