第3章-热电偶型传感器

第3章热电偶型传感器3.1温度

3.2热电偶

3.3热电偶的测量线路与温度补偿3.4热电偶型传感器的常用型号3.5热电偶型传感器的应用

3.1温度温度的概念温度是反映物体分子热运动的一个物理参数，是表示物体冷热程度的物理量温标

温标是温度的数值表示，为度量物体温度高低而规定的标尺。常用的有：热力学温标（开氏温标）、摄氏温标和华氏温标。1．热力学温标（开氏温标）

它是一种与物体任何物理性质无关的温标，是最科学、最客观的温标。为此，国际权度大会规定，热力学温标为国际统一的基本温标。目前，国内外所用的摄氏、华氏等温标，实际上只是延用了过去的名称，而在内容上都已根据热力学温标给予了新的内容和概念。热力学温标规定分子运动停止（即没有热存在）时的温度为绝对零度（或称最低理论温度），用标准大气压时纯水的三相点为定义固定点，并定义其温度为273.16K的一种理想温度。2．国际实用温标

目前，世界各国采用的均为“1968年国际实用温标”（IPTS—68）。它规定以热力学温度为基本温度，符号为T，其单位是K（开尔文）。定义1K等于水的三相点热力学温度的l／273.16。也可用摄氏温度表示，符号为t，单位为℃。t与T的关系为t＝T-273.16（3-1）工程上近似取t＝T-273（3-2）3．摄氏温标

规定在标准大气压下，水的冰点为0℃，沸点为100℃，中间分为100等份，每等份代表1℃。4．华氏温标标准仪器是水银温度计。水银体积膨胀被分为100份，对应每份的温度为1华氏度，单位为“oF”。按照华氏温标，水的冰点为32oF，沸点为212oF。摄氏温度和华氏温度的关系为

3.2热电偶

在两种不同的导体或半导体所组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中就会产生热电势（也称塞贝克电势）。这种现象称为热电效应。热电效应

热电效应是由珀尔帖效应和汤姆逊效应引起的，则热电势EAB（T,T0）由接触电势（珀尔帖电势）和温差电势（汤姆逊电势）组成。式中，K—玻耳兹曼常数，K＝1.381×10-23J/K；e—电子电荷量，e=1.602×10-19C；T—结点处的绝对温度（K）；nA（T），nB（T）—材料A，B在温度T时的自由电子浓度1．珀尔帖效应当A、B两种不同材料的导体相互紧密地连接在一起时，如图3-1所示，由于导体中都有大量自由电子，而且不同导体材料的自由电子的浓度不同（假设导体A的自由电子浓度大于导体B的自由电子浓度），那么在单位时间内，由导体A扩散到导体B的电子数要比由导体B扩散到导体A的电子数多。这时导体A因失去电子而带正电，导体B得到电子而带负电，于是在接触处便形成了电位差。该电位差称为接触电势（即珀尔帖电势）。这个电势将阻碍电子进一步扩散；当电子扩散能力与电场的阻力平衡时，接触处的电子扩散就达到了动平衡，接触电势则达到一个稳态值。接触电势的大小与两导体材料的性质和接触点的温度有关，其数量级约为0.001～0.01V。由物理学可知，两导体两端接触电势为2．汤姆逊效应如图3-2所示，对于唯一均质导体A，当其两端的温度不同时（假设一端的温度为T，另一端的温度为T0，而且T>T0），由于温度较高的一端（T端）的电子能量高于温度较低的一端（T0端）的电子能量，因此产生了电子扩散，形成了温差电势，称作单一导体的温差电势（即汤姆逊电势）。该电势形成新的不平衡电场将阻碍电子进一步扩散；当电子扩散能力与电场的阻力平衡时，电子扩散就达到了动态平衡，温差电势达到一个稳态值。温差电势的大小与导体材料的性质和导体两端的温度有关，其数量级约为10-5。由物理学可知，导体A的温差热电势为热电偶的工作原理

图3-3（a）、（b）为热电偶的原理结构与热电势示意图，A，B两种不同导体材料两端相互紧密地连接在一起，组成一个闭合回路。这样就构成了一个热电偶。当两结点温度不等（T>T0）时，回路中就会产生热电势，从而形成电流，这就是热电偶的工作原理。通常T0端又称为参考端或冷端；T端又称为测量端或热端。图3-3热电偶的原理结构与热电势示意图图3-3（a）、（b）所示热电偶的总接触电势（珀尔帖电势）为总温差电势（汤姆逊电势）为则总热电势为：由上述分析可得：1．如果构成热电偶的两个热电极材料相同，则接触电势为零。即使两结点温度不同，由于两支路的温差电势相互抵消，热电偶回路内的总热电势也为零。因此，热电偶必须采用两种不同材料作为热电极。2．如果热电偶两个结点温度相等（T=T0），则温差电势为零。尽管导体A，B的材料不同，由于两端点的接触电势相互抵消，热电偶回路内的总热电势也为零。因此，热电偶的热端和冷端两个结点必须有不同的温度。3．既然热电偶回路的热电势EAB（T,T0）只与两导体材料及两结点温度T、T0有关,那么当材料确定后，回路的热电势就是两个结点温度函数之差，即可写为4．当参考端温度T0固定不变时，f（T0）＝C（常数）。此时EAB（T,T0）就是工作端温度T的单值函数，即热电偶的基本定律热电偶测温完全是建立在利用实验热特性和一些热电定律的基础上的。下面引述几个常用的热电定律。1．中间温度定律

热电偶AB的热电势仅取决于热电偶的材料和两个结点的温度，而与温度沿热电极的分布以及热电极的参数和形状无关。如热电偶AB两结点的温度分别为T、T0，则所产生的热电势等于热电偶AB两结点温度为T、TC与热电偶AB两结点温度为TC、T0时所产生的热电势的代数和（如图3-4所示），用公式表示为图3-4中间温度定律中间温度定律为制定热电偶分度表奠定了理论基础。根据中间温度定律，只需列出自由端温度为0℃时，各工作端温度与热电势的关系表。当自由端温度不是0℃时，所产生的热电势就可按式（3-8）计算。【例3-1】用镍铑-镍硅热电偶测炉温，当冷端温度为30℃时，测得热电势为39.17mV，实际温度是多少？解：由Tc=30℃，查分度表得再用40.37mV反查分度表可得977℃，即为实际炉温。2．中间导体定律在热电偶测温过程中，必须在回路中引入测量导线和仪表。当接人导线和仪表后，会不会影响热电势的测量呢？中间导体定律说明，在热电偶AB回路中，只要接人的第三导体两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响。下面考虑两种接法1）在热电偶AB回路中，断开参考结点，接人第三种导体C。只要保持两个新结点AC和BC的温度仍为参考结点温度T0，如图3-5（a）所示，就不会影响回路的总热电势，即2）热电偶AB回路中，将其中一个导体A断开，按入导体C，如图3-5（b）所示。在导体C与导体A的两个结点处保持相同的温度TC，则有上面两种接法表明：在热电偶回路中接入中间导体，只要中间导体两端的温度相同，就不会影响回路的总热电势；若在回路中接入多种导体，只要每种导体两端温度相同，也不会影响回路的总热电势。3．标准电极定律当热电偶回路的两个结点温度为T，T0时，用导体AB组成的热电偶的热电势等于热电偶AC和热电偶CB的热电势的代数和，即图3-6标准电极定律导体C称为标准电极。这一规律称标准电极定律。标准电极C通常采用纯铂丝制成，因为铂的物理、化学性能稳定，易提纯，熔点高。如果已求出各种热电极对铂极的热电势值，就可以用标准电极定律，求出其中任意两种材料配成热电偶后的热电势值。这就大大简化了热电偶的选配工作。4．均质导体定律如果组成热电偶的两个热电极的材料相同。无论两接点的温度是否相同，热电偶回路中的总热电动势均为0，均质导体定律有助于检验两个热电极材料成分是否相同及热电极材料的均匀性。5．零电势定律由两种相同材料组成的热电偶和在两接点处温度相同的热电偶，其回路中总的热电势等于零或者说表现为热电偶不产生热电势。热电偶的材料与分类1．热电偶的材料

理沦上，任何两种金属材料都可配制成热电偶。但是选用不同的材料会影响到测温的范围、灵敏度、精度和稳定性等。一般镍铬—金铁热电偶在低温和超低温下仍具有较高的灵敏度；铁-铜镍热电偶在氧化介质中的测温范围为-40～75℃，在还原介质中可达l000℃；钨铼系列热电偶灵敏度高，稳定性好，热电特性接近于自线，工作范围为0～2800℃，但只适合于在真空和惰性气体中使用。因此，热电极材料一般应具有以下要求：在测温范围内，物理、化学稳定性要高；电阻温度系数小；导电率高；组成热电偶后产生的热电势要大；热电势与温度要有线性关系或简单的函数关系；复现性好；便于加工成丝等。2．国际标准热电偶从1988年1月1日起，我国按IEC国际标准生产热电偶，并指定下面七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。1）镍铬—康铜热电偶（分度号为E）。2）镍铬—镍硅热电偶（分度号为K）。3）铁—康铜热电偶（分度号为J）。4）铜—康铜热电偶（分度号为T）。5）铂铑10—铂热电偶（分度号为S）。6）铂铑30—铂铑6热电偶（分度号为B）。7）铂铑13—铂热电偶（分度号为R）。3．热电偶的分类热电偶种类很多，其结构及外形也不尽相同，但基本构成大致相同。通常，热电偶由热电极、绝缘材料、接线盒和保护套等组成。热电偶按其结构可分为以下几种。1）普通热电偶2）铠装热电偶3）薄膜热电偶3.3热电偶的测量线路与温度补偿热电偶的测量线路

1．单点温度的测量

单点温度的普通测量线路如图3-10所示，根据需要还可以在线路中加上补偿器、温度变送器等装置。显示仪表如果是电位差计，可不用考虑测量线路电阻对测温精度的影响；如果是动圈式仪表，就必须考虑测量线路电阻对测温精度的影响。2．两点温差的测量采用两只相同型号的热电偶，配用相同的补偿导线，采用反向连接方式，可以测得两点温度之差，测量线路如图3-11所示。

！3．平均温度的测量如图3-12所示，将几只相同型号的热电偶的同性电极参考端并联在一起，而各个热电偶的测量结处于不同温度下，其输出电动势为各热电偶热电动势的平均值。所以这种热电偶可用于测量平均温度。4．温度和的测量把若干只相同型号的热电偶串联在一起，这种热电偶又称热电堆。将所有测量端处于不同温度之下，而所有连接点处于同一温度之下，如图3-13所示，故输出电势是每个热电势之和，测得的是几点温度的和。这种方式也可以测量几点温度的平均值。但是测量线路中只要有一支热电偶断开，整个电路不能工作；而个别短路又会引起示值显著偏低。热电偶的冷端温度及其补偿热电偶AB闭合回路的总热电势EAB（T,T0）是两个结点温度的函数。但是，通常要求测量的是一个热源的温度，或两个热源的温度差。为此，必须固定其中一端（冷端）的温度，其输出的热电势才是测量端（热端）温度的单值函数。在实际测量中，热电偶的两端距离很近，冷端温度将受热源温度或周围环境温度的影响，并不为0℃，而且也不是个恒值，因此将引入误差。为了消除或补偿这个误差，常采用以下几种补偿方法。：1．0℃恒温法

将热电偶的冷端保持在0℃的器皿内。图3-14是一个简单的冰点槽，为了获得0℃的温度条件，一般用纯净的水和冰混合，在一个标准大气压下冰水共存时，其温度即为0℃。冰点法是一种准确度很高的冷端处理方法，但实际使用起来比较麻烦，需保持冰水两相共存，一般只适用于实验室使用，对于工业生产现场使用极不方便。2．修正法

在实际使用中，热电偶冷端保持0℃比较麻烦，但将其保持在某一恒定温度，如置热电偶冷端在一恒温箱内还是可以做到的。此时，可以采用冷端温度修正法。根据中间温度定律：EAB（T,T0）＝EAB（T,TC）+EAB（TC,T0），当冷端温度T0

0℃而为某一恒定温度TC时，由冷端温度而引入的误差值EAB（TC,T0）是一个常数，而且可以由分度表上查得其电势值。将测得的热电势值EAB（T,TC）加上EAB（TC,T0），就可以获得冷端为T0＝0℃时的热电势值EAB（T,T0），再查热电偶分度表，即可得到被测热源的真实温度T。3．补偿电桥法

测温时若保持冷端温度为某一恒温有困难，则可采用补偿电桥法，即利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值，如图3-15所示。E是电桥的电源，R为限流电阻。补偿电桥与热电偶冷端处于相同的环境温度下。其中三个桥臂电阻用温度系数近于零的锰铜绕制，使R1＝R2＝R3；另一桥臂为补偿桥臂，用铜导线绕制。使用时选取合适的Rcu阻值，使电桥处于平衡状态，电桥输出为Uab。当冷端温度升高时，补偿桥臂Rcu阻值增大，电桥失去平衡，输出Uab随着增大；同时，由于冷端温度升高，故热电偶的热电势E0减小。若电桥输出值的增加量Uab等于热电偶电势E0的减少量，则总输出值UAB＝Uab+E0的大小，不会随着冷端温度的变化而变化。

在有补偿电桥的热电偶电路中，冷端温度若在20℃时补偿电桥处于平衡，则只要在回路中加入相应的修正电压，或调整指示装置的起始位置，就可达到完全补偿的目的，准确测出冷端为0℃时的输出。4．延引热电极法（又称补偿导线法）

当热电偶冷端离热源较近，受其影响使冷端温度范围变化很大时，直接采用冷端温度补偿法将很困难，此时可以采用延引热电极的方法。将热电偶输出的电势传输到l0m以外的显示仪表处，也就是将冷端移至温度变化比较平缓的环境中，再采用上述的补偿方法进行补偿。对于廉价热电偶，可以采用延长热电极的方法。用于延长热电极的补偿导线最好和工作热电偶的热电特性相近，它产生的热电势应等于工作热电偶在此温度范围内产生的热电势。所以，补偿导线应选用直径粗、导电系数大的材料制作，以减小补偿导线的电阻和影响。延引热电极法电路如图3-16所示，这样测量时，将会很方便。5．显示仪表零位调整法如果热电偶冷端温度已知且恒定，则可预先将有零位调整器的显示仪表的指针从刻度的初始值调至已知的冷端温度值上，这时显示仪表的示值即为被测量的实际温度值。3.4热电偶型传感器的常用型号

3.5热电偶型传感器的应用

1．金属表面温度的测量

对于机械、冶金、能源、国防等部门来说，金属表面温度的测量是非常普遍而又比较复杂的问题。例如，热处理工作中锻件、铸件以及各种余热利用的热交换器表面、气体蒸汽管道、炉壁面等表面温度的测量。根据对象特点，测温范围从几百摄氏度到一千多摄氏度，而测量方法通常采用直接接触测温法。

直接接触测温法是指采用各种型号及规格的热电偶（视温度范围而定），用粘接剂或焊接的方法，将热电偶与被测金属表面（或去掉表面后的浅槽）直接接触，然后把热电偶接到显示仪表上组成测温系统。

图3-17所示的是适合不同壁面的热电偶使用方式。如果金属壁比较薄，那么一般可用胶合物将热电偶丝粘贴在被测元件表面，如图3-17（a）所示。为减少误差，在紧靠测量端的地方应加足够长的保温材料保温。

如果金属壁比较厚，且机械强度又允许，则对于不同壁面，测量端可以从斜孔内插入，如图3-17（b）所示。图3-17（c）给出了利用电动机起吊螺孔，将热电偶从孔槽内插入的方法。2．热电偶炉温控制闭环控制系统

热炉的温度用热电偶或热电阻检测，温度变送器将热电势信号转换为电压或电流信号后，经过A/D转换得到与所测温度成正比的数字量，CPU将其与温度设定值比较，并按照某种控制规律进行差值运算，经PID调节后将数字量进行D/A转换得到相应的电压或电流信号，去控制电动调节阀的开度，通过控制燃料的流量实现炉温的闭环控制，控制框图如3-18所示。3．利用热电偶监测燃气热水器的火焰

燃气热水器的使用安全性至关重要。在燃气热水器中设置了防止熄火装置、防止缺氧不完全燃烧装置、防缺水空烧安全装置及过热安全装置等，涉及多种传感器。其中，防熄火、防缺氧不完全燃烧的安全装置中使用了热电偶，如图3-19所示。当使用者打开热水龙头时，自来水压力使燃气分配器中的引火管输气孔在较短的一段时间里与燃气管道接通，喷射出燃气。与此同时高压点火电路发出10～20kV的高电压，通过放电针点燃主燃烧室火焰。热电偶1被烧红，产生正的热电势，使电磁阀线圈（该电磁阀的电动力由极性电磁铁产生，对正向电压有很高的灵敏度）得电，燃气改由进气电磁阀进入主燃室。

当外界氧气不足时，主燃烧室不能充分燃烧（此时将产生大量有毒的一氧化碳），火焰变红且上升，在远离火孔的地方燃烧（称为离焰）。热电偶1的温度必然降低，热电势减小，而热电偶2被拉长的火焰加热，产生的热电势与热电偶1产生的热电势反向串联，相互抵消，流过电磁阀线圈的电流小于额定电流，甚至产生反向电流，使电磁阀关闭，起到缺氧保护作用。当启动燃气热水器时，若某种原因无法点燃主燃烧室火焰，由于电磁阀线圈得不到热电偶1提供的电流，处于关闭状态，从而避免了煤气的大量溢出。煤气灶熄火保护装置也采用相似的原理。4．热电偶在红外线探测器中的应用红外线辐射可引起物体的温度上升。将热电偶置于红外辐射的聚焦点上，可根据其输出的热电势来测量入射红外线的强度，如图3-20所示。单根热电偶的输出十分微弱。为了提高红外辐射探测器的探测效应，可以将许多对热电偶相互串联起来，即第一根负极接第二根正极，第二根负极再接第三根正极，依次类推。它们的冷端置于环境温度