热电偶传感器

E（T，Tn） 7.5mV
E（T， 0） E（T， 30） E(30,0) 7.5 0.173 7.673mV
反查分度表有T=830℃，测量端实际温度为 830℃
S型(铂铑10-铂)热电偶分度表
三、热电偶的结构
热电偶的电极材料主要要求： ①配制成的热电偶应具有较大的热电势，并希望热电 势与温度之间成线性关系或近似线性关系。 ②能在较宽的温度范围内使用．并且在长期工作后物 理化学性能与热电性能都比较稳定。 ③电导率要高，电阻温度系数要小。 ④易于成批生产，工艺简单，价格便宜。标准化热电 偶有：铂铑—铂热电偶、镍铬—镍硅热电偶、 镍铬—康铜热电偶等。
1—测量接点 2—铁膜 3—铁丝 4—镍丝 5—接头夹具 6—镍膜 7—衬架
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四、热电偶传感器温度补偿方法
常用的补偿方法有：
补偿导线法， 冷端恒温法，
温度修正法，
电桥补偿法。
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1.补偿导线法
在100℃以下的温度范围内，热电特性 与所配热电偶相同且价格便宜的导线称为补 偿导线。
冷端补偿器
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五、 热电偶实用测量电路
1、测量单点温度
A T B
Tn
Tn
C
T0
M
RL
D T0
2、测量两点之间的温差
C
T0
仪表
ET
C
T 0
D B B
T1 T2
两支型号相同的热电偶配用 相同的补偿导线，并反串连接， 使两热电势相减，从而测出T1和 T2的温度差。
A
A
ET EAB(T 1) EBA(T 2) EAB(T 1) EAB(T 2)
EAB(1084.5,0) 13.967 8.354 5.613(mV )
◆用作参考电极（标准电极）的材料，目前主要为纯铂丝
材，因为铂的熔点高，易提纯，且在高温与常温时的物 理、化学性能都比较稳定。
例题
已知在某特定条件下材料A与铂配对的热电动势为 13.967mV，材料B与铂配对的热电动势8.345mV， 求出在此特定条件下材料A与材料B配对后的热电势。 解：根据中间导体定律结论公式，有 EAB（T, T0）= EAC（T, T0）+ ECB（T, T0） 依题意可知，EAC（T, T0）＝13.967mV； ECB（T, T0）＝－8.345mV 则 EAB(T, T0)＝13.967mV－8.345mV＝5.622 mV 因此，在此特定条件下材料A与材料B配对后的热电势为 5.622 mV。
3.电桥补偿法
电桥补偿法：补偿方法是在热电偶和测量仪表 间接入一个电桥，也称为冷端温度补偿器，如图所 示。
R1、R2、R3 电阻固定不变 R 4 铜导线，电阻随温度变化
c
Tx
R1 b E
Ex
R
d
R2 a
R3
A
R4
B
冷端T = 20℃
Uab 0 UAB Ex T 升高 R 4 Uab 0 Ex UAB Ex Uab 不变
一、工作原理
两种不同材料的导体或半导体A和B组合成闭合回路， 若导体 A 和 B 的连接处温度不同（设 T ＞ T0 ），则在此 闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势 存在，这种现象叫做热电效应。这种现象早在 1821 年 首先由赛贝克（See－back）发现,所以又称赛贝克效应。
热端
冷端
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：
EAB (T , T0 ) EAB (T ) EAB (T0 ) EA (T , T0 ) EB (T , T0 )
热电偶的接触电动势要远大于温差电动势，忽略 温差电动势，热电偶的热电势可表示为：
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热能
热电传感器
电能
测量：温度、与温度有关的参量 电阻 —— 热电阻 热敏电阻 电动势 —— 热电偶 金属
温度
半导体
热电偶的工作原理
热电极A
左端称为：
热电势
A
热电极B 自由端
（参考 端、冷 端）
右端称为：
测量端
（工作 端、热 端）
B
结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。
热电偶的工作原理
实用价值一：
为在热电偶回路中连接各种仪表、连接导线等
提供理论依据。即只要保证连接导线、仪表等接
入时两端温度相同，则不影响热电动势。 E
T0
T0
E T1 T1
T0
T
T
实用价值二：
可采用开路热电偶测量温度。
开路热电偶的使用
(3) 标准电极定律
在接点温度均为T, T0 时，用导体A、B组成的热电偶 的热电动势，等于由导体A、C组成的热电偶和由导体C、 B组成的热电偶的热电动势的代数和（导体C称为标准电 极）。
补偿导线使用注意事项：
a. 补偿导线只能与相应型号的热电偶配套使用； b. 补偿导线与热电偶连接处的两个接点温度应相 同； c. 补偿导线只能在规定的温度范围内(一般为 0~100℃)与热电偶的热电动势相等或相近，其间的 微小差值在精密测量中不可忽视。
2.冷端恒温法及温度修正法
冷端恒温法
把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里，使 T0=0℃。这种办法仅限于科学实验中使用。为了避免冰 水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两 个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。
EAB (T , T0 ) EAB (T ) EAB (T0 )
结论
（1）如果热电偶两材料相同，则无论结点处的 温度如何，总电势为0。 （2）如果两结点处的温度相同，尽管A、B材料 不同，总热电势为0。 （3）热电偶热电势的大小，只与组成热电偶的 材料和两结点的温度有关，而与热电偶的 形状尺寸无关。 （4）如果使冷端温度Ｔ0保持不变，则热电动势 便成为热端温度Ｔ的单一函数。
T
A B A
C
B
C
T0
EAB(T , T 0) EAC(T , T 0) ECB (T , T 0) EAC(T , T 0) - EBC(T , T 0)
◆实际测温中，只要获得有关热电极与参考电极配对时的 热电势值，那么任何两种热电极配对时的热电势均可按
公式计算而无需再逐个去测定。
例：已知 EAC (1084.5,0) 13.967 mV , EBC (1084.5,0) 8.354mV 求：EAB(1084.5,0) ?
任务二 热电偶传感器的应用
教学目标及重点、难点
一. 教学目标： 1、了解热电势效应，热电偶的结构及种类。 2、掌握热电偶回路的主要性质。 3、掌握热电偶自由端温度补偿的常用方法。 4、熟悉热电偶的应用。 二. 重点及难点： 重点：热电偶回路的主要性质，热电偶自由 端温度补偿的常用方法，热电偶的应用； 难点：热电偶自由端温度补偿的常用方法；
A A’
B’ 补偿导线 试管 冰点槽 冰水溶液 C C’
T
B 热电偶
铜 导 线
仪 mV 表
T0
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温度修正法
EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)
例:用铜-康铜热电偶测某一温度T，参比端在室温环境 TH中，测得热电动势EAB(T，TH)=1.979mV，又用室温计 测出TH=21℃,求热端温度。 查此种热电偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.83mV，故得 EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，T0) =1.979+0.83 =2.809(mV) 再次查分度表，与2.809mV对应的热端温度T=68℃。
热电偶的基本结构形式
热电偶的结构形式有普通型热电偶、铠装型热电 偶和薄膜热电偶。 普通型热电偶
普通型结构热电偶工业上使用最多，它一般由 热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成。 普通型热电偶按其安装时的连接形式可分为固 定螺纹连接、固定法兰连接、活动法兰连接、ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ固 定装置等多种形式。
普通型热电偶结构图
例:用S型(铂铑10-铂)热电偶测量某一温度，若参比 端温度Tn=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 )
在E（Tn，T0）中Tn 30 C，T0 0C
查分度表有E（30，0）= 0.173 mV
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普通型热电偶的外形
安装 螺纹
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安装 法兰
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普通热电偶的结构放大图
接线盒
引出线套管 不锈钢保护管 固定螺纹
（出厂时用塑料包裹）
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热电偶工作端（热端）
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铠装型热电偶 铠装型热电偶又称套管热电偶。它是由热电偶丝、绝 缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体 . 它可以做得很细很长，使用中随需要能任意弯曲。铠 装型热电偶的主要优点是动态响应快，机械强度高，挠性 好，可安装在结构复杂的装置上，因此被广泛用在许多工 业部门中。
（4）中间温度定律
A T B T1 A A T0 B
+ T1
= T
B
T0
EAB (T , T1 ) EAB (T1 , T0 ) E（ AB T , T0 )
根据这一定律，只要给出自由端0℃时的热电 势和温度关系，就可求出冷端为任意温度T1的热 电偶电动势。它是制定热电偶分度表的理论基础。 在实际热电偶测温回路中，利用热电偶这一性质， 可对参考端温度不为0℃的热电势进行修正。