第三章 电能量传感器

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3. 镍铬-镍硅热电偶（K型）



使用量最大的廉金属热电偶，用量为其它热电偶的总和 正极（KP）的名义化学成分为：Ni:Cr=90:10， 负极（KN）的名义化学化学成分为Ni:Si=97:3。 其使用温度为-200～1300℃。 优点：线性度好，热电势较大，灵敏度较高，稳定性和 复现性均好，抗氧化性强，价格便宜。能用于氧化性和 惰性气氛中。 K型热电偶不能在高温下直接用于还原性或还原、氧化 交替的气氛中，也不能用于真空中。
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几种冷端处理方法：
1. 2. 3. 4. 补偿导线法 热电偶冷端温度恒温法 计算修正法 冷端补偿电桥法
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1. 补偿导线法

组成：补偿导线合金丝、绝缘层、护套和屏蔽层。 热电偶补偿导线功能：

其一实现了冷端迁移；
其二是降低了电路成本。

补偿导线又分为延长型和补偿型两种

延长形：补偿导线合金丝的名义化学成分及热电势标称值与 配用的热电偶相同，用字母“Ｘ”附在热电偶分度号后表示， 补偿型：其合金丝的名称化学成分与配用的热电偶不同，但 其热电势值在100℃以下时与配用的热电偶的热电势标称值相 同，有字母“C”附在热电偶分度号后表示，
T0 T0 T0
9
EA(T,T0) A EAB(T) -
T B
T0
EB(T,T0)
EAB(T0)
10
11
12
13
14
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用（S型）热电偶测量某一温度，若参比端温度 T0=30℃，测得的热电势E(T,Tn)=7.5mV，求测量 端实际温度T。
E(T , T0 ) E(T , Tn ) E(Tn,T0 )
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2. 铂铑30-铂铑6（B型）



为贵金属热电偶。热偶丝线径规定为0.5mm， 正极（BP）和负极（BN）的名义化学成分均为铂铑合 金，只是含量不同，故俗称为双铂铑热电偶。 长期最高使用温度为1600℃，短期最高使用温度为 1800℃。 优点：准确度高，稳定性好，测温温区宽，使用寿命 长等，适用于氧化性和惰性气氛中，也可短期用于真 空中，但不适用于还原性气氛或含有金属或非金属蒸 汽中；参比端不需进行冷端补偿，因为在0～50℃范围 内热电势小于3µV。 缺点：热电率较小，灵敏度低，高温下机械强度下降， 抗污染能力差，贵金属材料昂贵。
优点： 测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触， 不受中间介质的影响。 测量范围广。常用的热电偶从-50～+1600℃ 均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如 钨-铼）。 构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不 同的金属组成，而且不受大小的限制，外有保 护套管，使用非常方便；适用于远距离测量和 自动控制。
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二、工业热电偶
目前国内广泛使用的工业热电偶都具有标准化的分度号
和分度表，也有非标准化的工业热电偶。
分度号是以两个热电极的材料为基础命名的，表示一种 特定类型的热电偶。 热电偶的每种分度号都对应有一个分度表，它是相应类 型热电偶的“电动势－温度特性”的表格形式，以冷端
温度T0＝0℃为基础制定。
0~1300
1600
负
R 正 负 正 负 正 负 正
＞600
0.647 0~1300 1600 Ⅱ ＜600 ＞1100 600~900 ＞800 -40~1300 -200~40 -40~1100
±0.25%t
±1.5℃ ±0.25%t ±4℃ ±0.5%t ±2.5℃或±0.75%t ±2.5℃或±1.5%t ±1.5℃或±0.4%t
' AB ' AB
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2）温差电势(汤姆逊效应)

概念：假设在一匀质棒状导 体的一端加热，如图所示， T 则沿此棒状导体有温度梯度 导体内自由电子将从温度高 o eA(T, A 的一端向温度低的一端扩散， 并在温度较低一端积累起来， To) 使棒内建立起一电场。当这 T 电场对电子的作用力与扩散 力相平衡时，扩散作用即停 温差电势原理图 止。电场产生的电势称为汤 姆逊电势或温差电势。
第三章 电能量传感器
§3.1 热电偶 §3.2 压电传感器 §3.3 光电池
能够将非电量转换成电能量的传感器称为有源传
感器，也称为电能量传感器。 本章将介绍几种常见的电能量传感器。
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3.1 热电偶
一、工作原理 二、工业热电偶 三、冷端补偿 四、结构型式
是工业上最常用的温度检测器件之一。
1）接触电势(珀 尔帖效应)
+ B
T

eAB(T)
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根据电子理论:
kT0 nA kT nA ' E (T ) ln 或E AB T0 ) （ ln e nB e nB
' AB
温度为T、T0处产生的接触电势方向相反，故回路的 接触电势为：
kT nA kT0 nA k nA E (T ) E (T0 ) ln ln (T T0 ) ln e nB e nB e nB
铂铑13-铂
铂铑30-铂铑
B
0.033
0~1600
1800
Ⅲ Ⅱ Ⅲ Ⅰ
镍铬-镍硅
K
4.096
0~1200 200~120 0 -200~760
1300
镍铬硅-镍硅
N
负
正 负 正 负 正 负
稍亲磁
暗绿 亮黄 红色 银白色 亲磁 不亲磁
2.774
1300
Ⅱ
Ⅱ Ⅲ Ⅱ Ⅲ
-40~1300
-40~900 -200~40 -40~350 -200~40
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4. 镍铬-铜镍热电偶（E型）

称为镍铬-康铜热电偶，也是一种廉价金属热电偶。 其正极（EP）为镍铬10合金，化学成分与KP相同，负极 （EN）为铜镍合金，名义化学成分为55%的铜、45%的 镍以及少量的钴、锰、铁等元素。

该热电偶电动势之大，灵敏度之高属所有标准热电偶之最， 宜制成热电偶堆来测量微小温度变化。 E型热电偶可用于湿度较大的环境里，具有稳定性好，抗 氧化性能高，价格便宜等优点。但不能在高温下用于硫、 还原性气氛中。
1998年12月国家质量技术监督局批准发布，1999年7月1
日起实施。 原国家标准于1983制订，采用的是ITPS-68国际温标。
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表5-1 标准化热电偶分类
热电偶名称 分度 号
新 热电极识别 极 性 正 铂铑10-铂 S 识别 亮白较 硬 亮白柔 软 较硬 柔软 较硬 稍软 不亲磁 稍亲磁 不亲磁 E （100,0） （mV） 0.646 测温范围（℃） 长期 短期 等 级 Ⅲ 对分度表允许偏差（℃） 使用温度 ≤600 允差 ±1.5℃
±2.5℃或±0.75%t
±2.5℃或±0.75%t ±2.5℃或±1.5%t ±1℃或±0.75%t ±1℃或±1.5%t
镍铬-康铜
E
6.319
850
铜-康铜
T
4.279
-200~350
400
铁-康铜
J
5.269
-40~600
750
Ⅱ
-40~750
±2.5℃或±0.75%t
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1. 铂铑10-铂热电偶（S型）

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标准化热电偶热电势和温度的关系
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需要注意的是，图中的曲线看上去是线性的，而
实际上是非线性的。这是因为热电偶的测量准确度比
较高，其非线性难以通过曲线图表现出来。
各种热电偶各具优缺点，选用时应根据使用的具
体技术要求以及实际测温范围、测温状态、介质情况 等因素综合考虑。
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表1 标准化热电偶的特性
Ni
Pd、Pt及Au合金 以Ni-Cr为主的合金 含Au为0.37mo1% 的合金
NiMo18
Au、Pd合金 含0.07mo1%Fe的合 金 含0.03mo1%Fe的 Au-Fe合金
0～1280
0～1100 0～300K 1～40K
/
1300 / /
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三. 冷端补偿
热电偶的热电势大小不仅与热端温度的有关，而 且也与冷端温度有关，只有当冷端温度恒定，才 能通过测量热电势的大小得到热端的温度。 热电偶的冷端处理和补偿: 当热电偶冷端处在温度波动较大的地方时，必须 首先使用补偿导线将冷端延长到一个温度稳定的 地方，再考虑将冷端处理为０℃。
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当匀质导体两端的温度分别是T、T0时，温 差电势为:
EA (T , T0 ) dT或EB (T , T0 ) B dT
T0

T
对于导体A、B组成的热电偶回路，当接点温 度T＞T0 时，回路的温差电势等于导体温差电势 的代数和，即: T T T EA (T , T0 ) EB (T , T0 ) AdT B dT ( B )dT



贵金属热电偶。电极线径规定为0.5mm， 正极（SP）的名义化学成分为铂铑合金 负极（SN）为纯铂，故俗称为单铂铑热电偶。 长期最高使用温度为1300℃，短期最高使用温度为 1600℃。 优点：准确度高，稳定性好，测温温区和使用寿命长， 物理化学性能良好，在高温下抗氧化性能好，适用于 氧化和惰性气氛中。 缺点：热电率较小，灵敏度低，高温下机械强度下降， 对污染敏感，贵金属材料昂贵，因此一次性投资较大。
钨铼系
铂铑系 铱铑系
WRe5、WRe3
PtRh20、PtRh40 Ir、Ir、Ir
WRe26、WRe25
PtRh5、PtRh20 IrRh40、IrRh50、 IrRh60
0～2300
300～1500 1100～ 1600 1100～ 2000