热电偶传感器

E AB (T1,T2 ) EAC (T1,T2 ) EBC (T1,T2 )
T
T
T
2
2
2
A
CA
BB
C
T
T
T
图71.6 三组导线1 的热电偶1图
（4）连接导体定律与中间温度定律 当导体A、B连接导体A′、B′如图7.7所示，
中间温度Tn,其表达式为：
EABAB (T ,Tn ,T0 ) EAB (T ,Tn ) EAB (T ,T0 )
保热测温精度。
对标准化热电偶则在使用一段时间后或测 量端要受氧化腐蚀，并在高温下发生再结晶， 以及受拉伸、弯曲等机械应力的影响后再进行 标定，以消除测量系统的系统误差。
（1）标准化热电偶的主要技术参数有热电偶分 度号、测量范围、精度等级及允许偏差。
（2）热电偶的标定
标定就是核对热电偶热电势－温度关系是 否符合标准或标定曲线，也可以通过标定消除 测量系统的系统误差，标定方法有定点法和比 较法。
EABC (T1,T2 ) EAB (T1) EAB (T2 ) EAB (T1,T2 )
A
T2
T1
B
C
mV
图7.5 接入导体C的热电偶回路图
（3）标准电极定律
三组导体分别组成的热电偶如图7.6所示，A、 B组成的热电偶其产生的热电势等于A、C组成的 热电偶和C、B组成的热电偶的热电势之和。即
引出线
图7.10 薄膜热电偶结构图
3．热电偶的主要技术参数
为保证热电偶测温精度的各项技术指标，按 照工业标准化要求，热电偶可分为标准化和非标 准化两种。标准化热电偶指能批量生产、性能稳 定，具有统一的分度表并已列入国际和国家标准 文件中的热电偶。非标准化热电偶无论在适用范 围或数量上均不及标准化热电偶，但在某些特殊 场合，如在高温、低温、超低温、真空等被测对 象中，这些热电偶具有某些特别良好的特性。目 前非标准化热电偶主要用于进一步扩展高温和低 温测量范围，有很多产品，但这类热电偶不够成 熟，没有统一分度表，使用前需个别标定，以确
应，如图7.1所示。其电势由接触电势（珀尔帖 电势）和温差电势（汤姆逊电势）两部分组成。
A
T1
I
T2
B 图7.1 热电效应原理图
（1）接触电势的产生
所有金属都具有自由电子，且不同金属中自由电子浓度不 同，因此当两种不同金属A和B接触时，在接触处便发生电子的 扩散如图7.2所示。
EAB(T)
A
B
＋
A Tn A′
T
T0
B
B′
图7.7 导体AB与A′B′连接图
1.2 热电偶种类及结构
1．常用热电偶种类
实际生产中充分考虑热电偶的热电势及其制造的复制性和 稳定性这些特点,在工业中常采用合金热电偶,如铂铑、镍铬、康 铜等 。
2. 热电偶结构
由于热电偶广泛地应用于各种条件下的温度测量，因而它 的结构形式很多。按热电偶本身的结构划分,有普通热电偶、铠 装热电偶及薄膜热电偶。
+15 7 1 8
3＋
OP-07
10K
＋
＋5
2－ 4
6 -15
10K
22K
Rs a
200 15K 15K
1K -15 4 1 5
－
R1
Rcu
4 2－
-15 6
2－
6
10K
3 ＋ uA741
R2 b
3 R3
+15
＋ 7
1
OP-07 8
7 10K -15
22K
图7.17 热电偶传感器测温系统硬件原理图
如图7.17所示，测量放大电路第一级是两 个 对 称 的 同 相 放 大 器 OP-07，OP-07 性 能 较 好 ， 第二级是一个μA741差动放大器，这不仅提高 了抗干扰性能，而且能够抑制温度漂移和零点
（1）普通热电偶
一般热电偶传感器使用中其结构分别由 热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒等几 部分组成如图7.8所示。
4 21
3
热端
1-热电极 2-绝缘管 3-保护管 4-接线盒
图7.8 普通热电偶结构图
（2）铠装热电偶 铠装热电偶又称套装热电偶，是将热电极、
绝缘材料和金属管组合在一起，经拉伸加工成 为一个坚实的组合体。铠装热电偶热端结构如 图7.9 所示
由此可以看出Er是T和T0的二元函数。要使Er成 为热端T的单值函数关系，则T0＝0℃或为恒定常数C。
一般取T0＝0℃ (分度表中T0＝0℃)，所以在实际运用 中，要对冷端T0采取稳定措施或补偿措施。在实际的 应用中通常有以下几种方法：
ห้องสมุดไป่ตู้.冰点法
冰点法又称为冰浴法 如图7.12所示，为了测温
T
准确，把热电偶的冷端置 于冰水混合物的容器中，
漂移。
传感检测技术基础
用同一型号的热电偶，在冷端和热端保持温度为T0和T的情况下
串联使用，提高灵敏度，减小相对误差，如图7.15所示。
T2
T2
T2
T2
m V
E1
E2
En
T1
T2
Tn
图7.15 热电偶串联测温电路图
+
+
－－
E1
E2
+
－
m V
En
T1
T2
Tn
图7.16 热电偶并联测温电路图
2．单片机控温器热电偶测温电路
22K
保证使T0＝0℃。这种方
法是最为妥善，但是不够 方便，所以一般都应用于
实验，科研。
A
B 冰水混合液
冰点器
C 仪
mV 表
C 铜导线
试管 水银
图7.12 冷端处理冰点法示意图
2.冷端温度计算校正法
一般与热电偶配套使用的指示仪表刻度是 依 据 分 度 表 数 值 ， 而 分 度 表 是 在 T0＝0℃ 时 得 到的，所以当T0≠0℃时，指示仪表的指示值 就必须加以修正，修正方法如下：
1.3 热电偶的误差分析
1.传热误差
（1）对流换热 （2）辐射换热 （3）传导换热
2.动态误差 3.其它误差
（1）分度误差 （2）仪表误差及接线误差
（3）干扰和漏电误差
1.4 热电偶温度补偿
热电偶的输出电压Er的表达式为：
Er EAB (T ,T0 ) EAB (T ) EAB (T0 ) f (T ) f (T0 )
4.补偿导线法
当热电偶冷端离热源较近，受其影响使冷 端温度在很大范围内变化时，则直接采用冷端 温度补偿法将很困难，此时采用延引热电极的 方法。如图7.14所示
T2
A
T2
A
T1
mv
B
T2
B
T2
图7.14补偿导线电路图
1.5 热电偶应用
1.热电偶测温线路
在测温准确度要求不高的场合，可用动因圈式仪表(如毫伏 表)直接与热电偶连接，如图7.14所示。为提高灵敏度，亦可采
传感检测技术基础
热电偶传感器
热电偶传感器基于热电效应原理，其结构 简单、制造方便、测温范围宽、热惯性小、准 确度高、输出信号便于远传，在温度测量中应 用极为广泛。
1.1 热电偶传感器原理
1．热电效应原理
由两种不同材料（导体或半导体材料）A、B
组成闭合回路，两个接点处于不同温度T1和T2 下，则在该回路中产生热电动势EAB（T1 ,T2） （或产生相应的热电流I），该现象称之热电效
EAB(T1, T2)
A T1
＋
B T2
－
图7.3 温差电势示意图
2. 热电偶基本定律
（1）均质导体定律
两电极(A,B)材料相同时则无论接点处温 度如何，热电偶回路内的总热电势恒为零。即
EA→A(T)＝0。
（2）中间导体定律
在热电偶回路中，接入第三种导体C，如 图7.5所示,在闭合回路中引入第三种导体C时， 只要引入点处的温度相同则回路中的总热电势 不变。其表达式如下：
－
图7.2 接触电势示意图
（2）温差电势的产生
对任何金属，当其两端温度不同时，两端自由电子浓度也 不同。高温端浓度大，具有较大的动能；低温端浓度小，动能 也小。因此，高温端自由电子向低温端扩散，最后达到动态平 衡。高温端失去电子带正电，低温端得到电子带负电。从而在 两端形成温差电势如图7.3所示，又称为汤姆森电势。
EAB (T ,T0 ) EAB (T ) EAB (T0 ) EAB (T ,0) EAB (0,T0 )
则有 EAB (T ,0) EAB (T ,T0 ) EAB (T0 ,0)
3.补偿电桥法
(T0 0oC)
补偿电桥法是利用不平衡电桥中随温度变 化的电势值，以此补偿热电偶因冷端温度变化
图7.9 铠装热电偶热端结构图
（3）薄膜热电偶
为适应快速测量壁面温度，人们采用真空
蒸镀、化学涂覆等工艺，将两种热电极材料蒸 镀到绝缘基板上，二者牢固结合，形成薄膜状 热电极及热接点，其结构如图7.10所示。为防 止热电极氧化并与被测物绝缘，在薄膜热电偶 表面再涂覆一层sio2保护层。
热电极
热极点 绝缘基板