第二章热电偶传感器

第一节 一、热电效应 从实验到理论：热电效
热电偶的工作原理
应 结点产生热电势的微观解释及图形符号 两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密 度不同，在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象。 自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电 子带正电，B得到电子带负电，从而产生热电势。
1)均质导体定律
由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、
长度以及温度分布如何均不产生热电动势。 2)中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温
度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。
T
T0
V
第一节
3)参考电极定律
热电偶的工作原理
三、热电偶测温基本定律
两种导体A,B分别与参考电极C组成热电偶，如果他们所产
再查该分度表得被测温度t=1006.5℃。若不进行校正，则 所测9.481mV对应的温度为991℃，误差–15.5℃。
例5-5
用S型热电偶测炉温，其冷端温度为30℃，显示仪 表的指示值为991℃，试求炉温。
解：在l000℃左右，铂铑10—铂热电偶的校正系数 可近似取0.55，因此按修正公式可得炉温t t= t′+Ktn= (991 + 0.55×30)℃= 1007.5℃ 与例5-4相比可以看出，近似计算法仅比准确计算方 法相差1℃。这说明此种方法在一些精度要求不高的现场 是可以使用的。
380V三相电 LED显示 键盘 可控硅变流 单片机 8051 盐浴炉 热电偶 采样放大
2）温度检测电路 盐浴炉常用温度在800～1500℃之间， 热电偶是测温的一次仪表，对它的选择将直 接影响检测精度。目前测温常选用K型镍铬镍硅热电偶，它具有较好的温度-热电势线性 度，便于后续数据处理，但它不宜长期在 1300℃左右的高温下使用。因此，这里选用 S型铂铑-铂热电偶，其测温范围为0～1600℃， 它与K型相比，有较高的精度，但它的线性 度较差。
补偿导线连接示意图
补偿导线外形
A’ B’ 屏蔽层
保护层
补偿导线型号
型号 配用热电偶 正 -负 R N E 型号 导线外皮 颜色 正 -负 红 -绿 红 -黄 红 -棕
100C时的 热电势/ mV 0.647 2.744 6.319
RC NC
EX JX TX
（铂铑13—铂）
RC NC
EX JX TX
右图所示为镍铬-镍硅 （K）热电偶测温电路， 热电极 A、B直接焊接 在钢板上（V 型焊接）， A ’ 、B’ 为补偿导 线，Cu为铜导线，已知 接线盒1 的温度 t1=40C，冰瓶中为冰 求：1）将热电极直接焊在钢板上是应用 水混合物，接线盒 3 了热电偶的什么定律？2）冰瓶中为冰水 的温度t3=20.0C。
度控制，即通过控制晶闸管导通与关断的 周波数比率，从而达到调功的目的。晶闸 管的触发由单片机控制，通过单片机编程 可方便地实现按预定温度曲线进行加热。
盐浴炉炉温由热电偶感应，通过信号放大、
采样保持、A/D转换，再由单片机进行数据 处理及线性化校正，以实现盐浴炉实际温度 的检测和显示。其系统总体框图如下：
解：查K型热电偶分度表知E(40,0)=1.611mV 测得：E(t,40)=35.72mV 则：
E(t,0)=E(t,40)+E(40,0)=(35.72+1.611)mV=37.331mV
查分度表知t=900.1℃，则被测炉温为900.1℃。
三、热电偶的结构形式
（1）普通型热电偶 （2）铠装型热电偶 （3）薄膜型热电偶
温差电动势
A T T0
eA A (T T0 ) eB B (T T0 )
σA，σB——汤姆逊温度系数。
B
回路中总电动势：
EAB eAB (T ) eAB (T0 ) eA (T , T0 ) eb (T , T0 )
第一节
热电偶的工作原理
三、热电偶测温基本定律
二、热电偶的种类——标准化热电偶
1）铂铑10—铂热电偶（S型） 2）铂铑13—铂热电偶（R型） 3）铂铑30—铂铑6热电偶（B型） 4）镍铬—镍硅热电偶（K型） 5）镍铬硅—镍硅热电偶（N型） 6）镍铬—康铜（E型） 7）铁—康铜（J型）
Байду номын сангаас8）铜—康铜（T型）
见书23页
例5-2 用镍铬—镍硅（K型）热电偶测量炉温，热电偶 的冷端温度为40℃，测得的热电动势为35.72mV，问 被测炉温为多少?
A T T0
kT N A eAB (T ) ln e NB
kT0 N A eAB (T0 ) ln e NB
B
k——玻耳兹曼常数，e——电子电荷量，
T——接触处的温度，NA，NB——分别为导体A和B的自由电子密度。
第一节
热电偶的工作原理
同种材料： 两端温度不同电子运动速度不同
二、热电势 （接触电动势和温差电动势）
机械零点
应用实例(补充)
盐浴炉温度控制系统用S型热电偶检测温度信
号，有冷端补偿，温度信号通过放大、采样保持、
模数转换再送单片机保存，采用分段查表法获取 各点温度。选用可控硅过零触发自动控制盐浴炉
温度，控制周期为2s。可按预设温度曲线进行加
热，并可实时显示加温曲线。
1）系统总体方案
本系统采用晶闸管调功实现盐浴炉的温
EAB (T , T0 ) EAB (T , Tn ) EAB (Tn , T0 )
中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据。
第二节
热电偶的材料、结构及种类
一、热电偶的材料
1）热电动势及热电动势率要大，保证足够的灵敏度。 2）热电特性最好是线性或近似线性的单值函数关系。 3）能在较宽的温度范围内使用，物理、化学性质要稳定。 4）要有高的电导率、小的电阻温度系数及小的导热系数。 5）复制性要好，即用同一种材料制成的热电偶其热电特 性要一致，这样便于制作统一的分度表。 6）材料组织要均匀，具有良好的韧性，焊接性能好，以 便热电偶的制作。 7）资源要丰富，价格低廉。
（镍铬硅—镍硅）
（镍铬—铜镍）
J
（铁—铜镍）
红 -紫 红 -白
5.264 4.279
T
（铜—铜镍 ）
例5-3
用镍铬—镍硅热电偶(K)测量某一实际为1000℃ 的对象温度。所配用仪表在温度为20℃的控制室 里，设热电偶冷端温度为50℃。当热电偶与仪表 之间用补偿导线或普通铜导线连接时，测得温度各 为多少?又与实际温度相差多少?
t t ' Ktn
例5-4
用分度号为S的铂铑10—铂热电偶测炉温，其冷端温度 为30℃，而直流电位差计测得的热电动势为9.481mV，试 求被测温度。
解：查铂铑10—铂热电偶分度表，得 E(30,0)=0.173mV，根据中间温度定律得
E (t ,0) E (t ,30) E(30,0) 9.654mV
3）过零检测及晶闸管触发电路 本系统采用双向晶闸管，即可控硅 作为输出功率控制部件，通过可控硅调 压来实现交流调功。触发有两种方法， 即移相触发和过零触发。移相触发是通 过改变电压调节导通角来实现调压，但 改变电压波形。过零触发不改变电压的 波形而只改变电压全波通过的次数。过 零检测及晶闸管触发电路见下图。
第一节 一、热电效应
热电偶的工作原理
从实验到理论：热电效 应 1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭
合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发
现放在回路中的指南针发生偏转（说明什么？），如果用两 盏酒精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转角反而减小
（又说明什么？） 。
显然，指南针的偏转说明回路中有电动势产生并有电 流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。
A
＋
T
B
eAB（ T ）
自由 电子
第一节 一、热电效应
热电效应的定义：
热电偶的工作原理
将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个 接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现 象称为热电效应。
第一节
热电偶的工作原理
二、热电势 （接触电动势和温差电动势）
接触电动势 不同材料之间: 节点处电子的扩散所致
Vo 键盘及 显示 单片机 A/D转换 3 UA741 2
3 UA741 2
Vo2
R8 R9
其中 Vi 为热电偶感应的热电势输入， 经自稳零高精度运放ICL7650放大后， V01=(R4+R5)*Vi/R4 再由第二级运放μ A741放大后 V02=(R8+R7)·(R4+R5)·Vi/R4R5 最后，为实现阻抗变换匹配需射极跟 随 器 ， 也 由 μ A741 实 现 。 A/D 转 换 选 用 ADC0809 ，数字量送单片机，进行数值处 理后得实际炉温，送LED显示。
2、冷端恒温法
1）冰浴法 2）恒温箱法 3）恒温室法
3、计算校正法
1）准确计算校正法
根据中间温度定律，对测得热电动势进行修正。 适用于实验室中用直流电位差计来测温的情况。
2）近似计算校正法
K的取值： K型热电偶，在0～1000℃范围内，K≈1； S型热电偶，在800～1300℃，K=0.6～0.5
铠装型热电偶可
长达上百米
接线盒
普通装配型热电 偶的结构放大图
引出线套管
不锈钢保护管 固定螺纹
（出厂时用塑料包裹）
热电偶工作端（热端）
铠装型热电偶外形
铠装型热电偶可 长 达上百米
绝缘 材料
A
B
薄壁金属 保护套管 （铠体） 铠装型热电偶 横截面
法兰
隔爆型热电偶外形
厚壁保护管
压铸的接线盒
电缆线