第十章 热电式传感器

由于NA、NB是温度的单值函数
EAB(T,T0)=EAB(T )-EAB(T0 )=f(T )-C=g(T )
在工程应用中，常用实验的方法得出温度与热电 势的关系并做成表格，以供备查。由公式可得： EAB(T, T0)= EAB(T)-EAB(T0) = EAB(T)-EAB(0)-[EAB(T)-EAB(T0)] = EAB(T，0)-EAB(T0，0) 热电偶的热电势，等于两端温度分别为T 和 零度以及T0和零度的热电势之差。 结论(4点)：
E T0 T0 T0 T1 T1 T T E
2）如果任意两种导体材料的热电势是已知的， 它们的冷端和热端的温度又分别相等，如图所 示，它们相互间热电势的关系为： EAB（T, T0）= EAC（T, T0）+ ECB（T, T0）
3. 中间温度定律
如果不同的两种导体材料组成热电偶回路,其接点温度 分别为T1、T2(如图所示)时,则其热电势为EAB(T1, T2)； 当接点温度为T2、T3时，其热电势为EAB(T2, T3)；当接 点温度为T1、T3时，其热电势为EAB(T1, T3)，则
EAB=EAB(T1)–EAB(T0)
只要T1、T0不变，接入AˊBˊ后不管接点温度T2如何变 化，都不影响总热电势。这便是引入补偿导线原理。
A T2 A’ T0 E B T2 B’ T0
热电偶补偿 导线接线图
T1
三、热电偶的常用材料与结构
热电偶材料应满足：
物理性能稳定，热电特性不随时间改变；
化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐 蚀；
热电势高，导电率高，且电阻温度系数小； 便于制造； 复现性好，便于成批生产。
（一）热电偶常用材料 1．铂—铂铑热电偶(S型)
分度号LB—3
工业用热电偶丝：Φ0.5mm，实验室用可更细些。 正极：铂铑合金丝,用90％铂和10％铑(重量比)冶炼而成。 负极：铂丝。 测量温度：长期：1300℃、短期：1600℃。 特点： 材料性能稳定，测量准确度较高；可做成标准热电偶 或基准热电偶。用途：实验室或校验其它热电偶。 测量温度较高，一般用来测量1000℃以上高温。 在高温还原性气体中（如气体中含Co、H2等）易被侵 蚀，需要用保护套管。 材料属贵金属，成本较高。 热电势较弱。
导体材料确定后，热电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原理。
对于有几种不同材料串联组成的闭合回路，接点温度分
别为T1、T2 、 …、Tn ，冷端温度为零度的热电势。其 热电势为 E= EAB（T1）+ EBC（T2）+…+ENA（Tn）
如图，由A、B、C三种材料组成的闭合回路，则
E总=EAB（T）+EBC（T）+ECA（T）= 0
T
A
T
B
C
T
三种不同导体组成的热电偶回路
两点结论： l）将第三种材料C接入由A、B组成的热电偶回路，如 图，则图a中的A、C接点2与C、A的接点3，均处于相 同温度T0之中，此回路的总电势不变，即 EAB(T1,T2)=EAB(T1)-EAB（T2） 同理，图b中C、A接点2与C、B的接点3，同处于温度T0 之中，此回路的电势也为：
2．镍铬—镍硅(镍铝)热电偶(K型)
分度号EU—2
工业用热电偶丝： Φ1.2~2.5mm，实验室用可细些。 正极：镍铬合金(用88.4～89.7％镍、9～10％铬，0.6％ 硅，0.3％锰，0.4～0.7％钴冶炼而成)。 负极：镍硅合金(用95.7～97％镍,2～3％硅,0.4～0.7％钴 冶炼而成)。 测量温度：长期1000℃，短期1300℃。 特点： 价格比较便宜，在工业上广泛应用。 高温下抗氧化能力强，在还原性气体和含有SO2， H2S等气体中易被侵蚀。 复现性好，热电势大，但精度不如WRLB。
3. 回路总电势
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： E AB (T , T0 ) e AB (T ) e AB (T0 ) e A (T , T0 ) eB (T , T0 )
N AT k T N AT kT 0 ln ln e N BT e N BT
第十章 热电式传感器
第一节 热电偶传感器
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。
质，适于在还原性或中性介质中使用。
4．铂铑30—铂铑6热电偶(B型) 分度号为LL—2
正极：铂铑合金（用70％铂，30％铑冶炼而成）。
负极：铂铑合金（用94％铂，6％铑冶炼而成）。
测量温度：长期可到1600℃，短期可达1800℃。
特点：
材料性能稳定，测量精度高。
还原性气体中易被侵蚀。
低温热电势极小，冷端温度在50℃以下可不加补偿。
二、热电偶回路的性质
1. 均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体 是否存在温度梯度，回路中没有电流(即不产生 电动势)；反之，如果有电流流动，此材料则一 定是非均质的，即热电偶必须采用两种不同材 料作为电极。
2. 中间导体定律 一个由几种不同导体材料连接成的闭合回路， 只要它们彼此连接的接点温度相同，则此回路 各接点产生的热电势的代数和为零。
热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端 温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。 只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热 电偶；相同材料不会产生热电势，因为当A、B 两种导体是同一种材料时，ln(NA/NB)=0，也即 EAB(T，T0)=0。 只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材 料不同时才能有热电势产生。
EAB（T1, T3）=EAB（T1, T2）+EAB（T2, T3）
A
A
T1
B A
T2
B
B
T3
对于冷端温度不是零度时，热电偶如何分度表的问题提 供了依据。如当T2=0℃时，则： EAB（T1,T3）=EAB（T1, 0）+EA B（0, T3） =EAB（T1, 0）-EAB（T3, 0）=EAB（T1）-EAB（T3） 说明：当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A、 B同样热电特性的材料A′、B′(如图)即引入所谓补偿导 线时，当EAA΄(T2)=EBB΄(T2)，则回路总电动势为
（二）常用热电偶的结构类型 1．工业用热电偶
下图为典型工业用热电偶结构示意图。它由热电偶 丝、绝缘套管、保护套管以及接线盒等部分组成。实验 室用时，也可不装保护套管，以减小热惯性。
1
2
3
4
工业热电偶结构示意图
1－接线盒；2－保险套管3―绝缘套管4―热电偶丝
2．铠装式热电偶（又称套管式热电偶）
断面如图所示。它是由热电偶丝、绝缘材料，金属 套管三者拉细组合而成一体。又由于它的热端形状不同， 可分为四种型式如图。
EAB（T1, T2）=EAB（T1）-EAB（T2） (a)
A T2 a 2 T0 E AB a T0 C 2 3 T0 C B A B 3 T0 A
第三种材料 接入热电偶 回路图
T1
(b)
T2
EAB
T1
根据上述原理，可以在热电偶回路中接入电位 计E，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温 度相等，就不会影响回路中原来的热电势，接 入的方式见下图所示。
3．快速反应薄膜热电偶
用真空蒸镀等方法使两种热电极材料蒸镀到绝缘板上而 形成薄膜装热电偶。如图，其热接点极薄(0.01～0.lμm) 因此，特别适用于对壁面温 度的快速测量。安装时,用粘 4 结剂将它粘结在被测物体壁 面上。目前我国试制的有 铁—镍、铁—康铜和铜—康 铜三种,尺寸为 60×6×0.2mm; 1 绝缘基板用云母、陶瓷片、 玻璃及酚醛塑料纸等；测温 2 3 范围在300℃以下；反应时间 快速反应薄膜热电偶 1—热电极; 2—热接点; 仅为几ms。
接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。
2. 温差电势
To A eA(T,To)
T 温差电势原理图
eA (T , T0 ) AdT
T0
T
eA(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/℃。
3．镍铬—考铜热电偶(E型)
正极：镍铬合金
分度号为EA—2
工业用热电偶丝:Ф1.2～2mm，实验室用可更细些。
负极：考铜合金（用56％铜，44％镍冶炼而成）。
测量温度：长期600℃，短期800℃。
特点：
价格比较便宜，工业上广泛应用。 在常用热电偶中它产生的热电势最大。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
气体硫化物对热电偶有腐蚀作用。考铜易氧化变
（5）铁—康铜热电偶，分度号TK
灵敏度高，约为53μV/℃，线性度好，价格 便宜，可在800℃以下的还原介质中使用。主要 缺点是铁极易氧化，采用发蓝处理后可提高抗 锈蚀能力。
（6）铜—康铜热电偶，分度号MK
热电偶的热电势略高于镍铬-镍硅热电偶， 约为43μV/℃。复现性好，稳定性好，精度高， 价格便宜。缺点是铜易氧化，广泛用于20K～ 473K的低温实验室测量中。
0 0

T
T0
( A B )dT
NAT、NAT0——导体A在结点温度为T和T0时的电子密度； NBT、NBT0——导体B在结点温度为T和T0时的电子密度；