传感器第十三课

冷端延长线连接示意图 A T B TN B′ TN A′ T0
所谓延长线实际上是把在一定温度范围内（一般 为0～100℃）与热电偶具有相同热电特性的两种较长 金属导线与热电偶配接。它的作用是将热电偶冷端移 至离热源较远并且环境温度较稳定的地方，从而消除 冷端温度变化带来的影响，即该补偿导线所产生的热 电势等于工作热电偶在此温度范围内产生的热电势。
铂铑10－铂 铂铑30－铂铑6
LB-3 LL2
负
正 镍铬－考铜 EA-2 负 正 负
Si2.5~3.0% Co≤0.6%Ni97%
Cr9~10%Si0.4% Ni90% Cu56~57% Ni43~44% Cu100% Cu55%Ni45%
±4
≤400 6.95 600 800 ±4 -200~400 ±2%t
补偿导线 热端为100 ℃ 。 冷 端为0℃时的标准 热电势(mV) 0.64土0.03 4. 10士0. 15 6.95士0. 30 5 .75土0.25 4. 10土0.15
热电偶
正极 材料 颜色
负极 材料 颜色 白 白 白 白 白
铂铑—铂 铜 红 镍铜 镍铬—镍硅 铜 红 康铜 镍铬—考铜 镍、铬 褐、绿 考铜 铁—考铜 铁 白 考铜 铜—康铜 铜 红 康铜
KT nA (T ) ln e nB
式中：K—波尔兹曼常数，K＝1.38×10-23 e —电子电荷量 e = 1.6×10-19C NA(NB)为A(B)材料的自由电子密度。
(2) 温差电势
同一导体中的，如果两端温度不同，在两端间会
产生电动势，即产生单一导体的温差电动势，这是由
于导体内自由电子在高温端具有较大的动能，因而向 低温端扩散的结果。高温端因失去电子而带正电，低 温端由于获得电子而带负电，在高低温端之ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ形成一 个电位差。温差电动势的大小与导体的性质和两端的
§7-3
热电偶传感器
一、基本原理及热电效 应 赛贝克（Seebeck）效应(热电势)
1、热电效应
1821年赛贝克发现了铜、铁这两种金属的温差电
现象。即在这两种金属构成的闭合回路中，对两个接
头的中一个加热即可产生电流。在冷接头处，电流从
铁流向铜。由于冷、热两个端（接头）存在温差而产 生的电势差e，就是温差热电势。这种由两种不同的金 属构成的能产生温差热电势的装置称为热电偶。
相同，是否会产生热电势？
nA T T T0 0 (T T0 ) ln 0 , T A (T ) B (T )dT 0. e nB
0
A、B相同 ln
nA 0 , A (T ) B (T ) 0 。 nB
因此，热电势存在必须具备两个条件：
回路总电势为:
Ec=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)=EAB(T,T0)
上式证明了回路中总电势等于E AB(T,T0)，相当 于冷端直接延伸到了温度为T0处，但并不能消除冷 端温度不为0℃时产生的影响，应用前面介绍的修正
方法把冷端修正到0℃。
应用延长线应注意：
（1）延长线只能与相应型号的热电偶配用，（专用）； （2）注意极性，不能接反（否则会造成更大的误差）； （3）延长线和热电偶连接处，两结点温度必须相同。 （4）补偿导线只能在规定温度范围内使用（ 0℃ ~100 ℃）
解：EAB(T,T0)=EAB(T,T1)+EAB(T1,T0)则EAB(T,0)=EAB(T,30)+EAB(30,0) 其中查表得EAB(30,0)为1203μV
测得的737μV是EAB(T,30)
于是EAB(T,0)=737μV＋1203μV=1940μV 查表得热端温度为48 oC。
三、常用的热电偶 标准化的热电偶
量端（工作端、热端）；
结点1处于某一恒定温度（或已知
T
温度），称为参考端（自由端或冷
端）。
测量仪表 或电路
T0 A B
T 热电偶与测量仪 表连接示意图
2、热电偶的热电势
可见热电偶由温差产生的热电势是随介质温度变化而变化， 即： Et＝eAB(T)－eAB(T0)； eAB(T0) — 温度为T0处热电势； eAB(T) — 温度为T处热电势。
产生的不平衡电压的大小和极性随着环境温度的变化
而变化，从而达到自动补偿的目的。
(4)、冷端延长线
工业应用时，被测点与指示仪表之间往往有 很长的距离，这就要求热电偶有较长的尺寸，但
由于热电偶材料较贵，热电偶尺寸不能过长，所
以冷端（即接仪表端）常常不能放到任意点上去； 且冷端温度不可能恒定，是波动的，为解决这一 问题，采用冷端延长线（或称冷端补偿导线）。
• 按结构分类——普通型
接线柱 垫圈 导线引出孔
工业上使用最多，它一 般由热电极、绝缘套管、 保护管和接线盒组成，如 图所示。主要用于测量气 体，蒸气和液体等介质的 温度。
安装螺纹 瓷器绝缘管 保护管
热电偶芯线
• 按结构分类——铠装型
它是把热电偶丝、绝缘材料和金属保护套管三者组成一个整
体，并经复合拉伸而成的组合热电偶，其外径可拉得很细，
一般直径为1mm~8mm，最小可达0.2mm，长度1m~20m。其特点 是：动态响应快，热容量小，强度高，便于安装。
• 按结构分类——隔爆型
四、热电偶冷端温度补偿
（1）0℃恒温法
将热电偶的冷端置于冰水混合物中，保证冷端温度恒 定为0℃。根据热电偶测得的输出热电势，再查找该热电偶 的分度表，即可得到测量端的温度。
热电偶名称 分度号 极性 正 负 正 负 正 镍铬－镍硅 EU-2 化学成分 Pt90%Rh10% Pt100% Pt70%Rh30% Pt94%Rh6% Cr9~10%Si0.4% Ni90% 100℃时 电势 (mV) 0.643 0.034 使用温度 长期 1300 1600 短期 1600 1800 ≤600 ±2.4 ≤600 ±3 ≤400 4.10 1000 1200 允许误差 (℃) ＞600 ±0.4%t ＞600 ±0.5%t ＞400
±0.75%t
＞400 ±1%t -40~400 ±0.75%
铜－康铜
4.26
200
300
非标准化的热电偶 铁－康铜热电偶：灵敏度高 高温热电偶：钨铼系热电偶，测温上限可达2450 摄氏度 低温热电偶：铜－铜锡0.005可测-271~-243摄氏度 的低温；镍铬－铁金0.03可测-269~-0摄氏度
Et — 热电偶的热电势；
经研究发现，热电势实际上由接触电势和温差电势组成。
(1) 接触电势
A
接触电势
T T0
eAB (T )
B
eAB (T0 )
T0 端接触电势：
eAB
K T0 nA (T0 ) ln e nB
T 端接触电势：
eAB
其大小可表示为：
kT N A eAB T ln e NB
（2）热电势修正法
在实际使用中，使冷端保持在0℃很不方便，有 时也使冷端保持在某一恒定的温度Tn，这种情况下
采取热电势修正法。
EAB(T,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0) EAB (T,Tn) — 实测值； EAB(Tn,T0) — 冷端为0℃时，工作端为Tn区段热 电势，可查分度表得到，即为修正法。
开而接入的第三种导体C后，只要冷、热端的T0 、T 保 持不变，则回路的总热电势不变。
A
T
T0
A
T
T0
C
B
B
T0
2、中间温度定律
A
T T0
A
T
T1 T1
A
T0
B
B
B
这是中间温度定律，因为热电势与两个结的温 度有关，要测得某一结所处的温度，则另一个结必 须0℃，而实际上这样的条件是难办到的；但只要 B ETA,,T （E表示热电势，A、B表示两种不同金属， 测得 T、T1表示两个结处在T、T1温度下），和测得T1， B B B ETA,,0 ETA,,T ETA,,0 则 可以查表确定，用 与 的和，便可 确定T处温度。
热电偶应由两种不同的金属材料组成；
两端应存在温差。 当热电极材料一定时，
EAB (T , T0 ) f (T ) f (T0 )
当T0=0时，f(T0)=0,则有，
EAB (T , T0 ) f (T )
二、热电偶的基本定律
1、中间导体定律
将由A、B两种导体组成的热电偶的冷端（T0端）断
• 补偿导线
温差有关。
T >T0
A
eA (T , T0 )
T
温差电势
T0
B
eB (T , T0 )
eA (T , T0 ) A dT
T0
T
σ A— A材料的汤姆逊系数。 （表示导体A两端的温度差为1℃时所产生的温差电动势 ）
(3) 回路总电势
EAB (T , T0 ) EAB (T ) EAB (T0 ) EB (T , T0 ) EA (T , T0 )
（3）电桥补偿法
补偿原理
电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的电势来补偿 热电偶因冷端温度不在0℃时引起的热电势变化值，
在热电偶与测温仪表之间串接一个直流不平衡电桥，
电桥中的R1、 R2、 R3、由电阻温度系数很小的锰铜 丝制作，另一桥臂的RT由温度系数较大的铜线绕制。 电桥的4个电阻均和热电偶冷端处在同一环境温 度，但由于RT的阻值随环境温度变化而变化，使电桥
T K nA E AB (T , T0 ) T T0 ln A B dT T0 e nB
回路接触电势
回路温差电势
⑷ 几点讨论 ① 如果组成热电偶的两个电极的材料相同，两结点的温度不 同，是否会产生热电势？ ② 组成热电偶的两个电极的材料不相同，但是两结点的温度