第六章热电偶传感器

• 其结构有片状、针状和把热电极材料直接蒸镀在被测表面 上等3种。所用的电极类型有铁-康铜、铁镍、铜-康铜、镍 铬-镍硅等。测温范围为−200～300℃。
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铁-镍薄膜热电偶结构
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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4．表面热电偶
• 表面热电偶是用来测量各种状态的固体表 面温度的，如测量轧辊、金属块、炉壁、 橡胶筒和涡轮叶片等表面温度。 • 此外还有测量气流温度的热电偶、浸入式 热电偶等。
第六章热电偶传感器及应用
热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器。 它构造简单，使用方便，具有较高的准确度、 稳定性及复现性，温度测量范围宽，在温度 测量中占有重要的地位。
2016/5/8
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主要内容
• 6.1热电偶工作原理和结构形式 • 6.2热电偶实用测温线路和温度补偿 • 6.3热电偶温度传感器的应用
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EAB (t , t0 ) EAB (t , t1 ) EAB (t , t0 )
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4．电桥补偿法
• 计算修正法虽然很精确，但不适合连续测 温，为此，有些仪表的测温线路中带有补 偿电桥，利用不平衡电桥产生的电势补偿 热电偶因冷端温度波动引起的热电势的变 化。
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电桥补偿电路
• 在桥路设计时，使R1=R2， 并且R1、R2的阻值要比桥 路中其他电阻大得多。这 样，即使电桥中其他电阻 的阻值发生变化，左右两 桥臂中的电流却差不多保 持不变，从而认为其具有 恒流特性
普通型热电偶结构图
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普通装配型热电偶的 外形
安装 螺纹 安装 法兰
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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）
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热电偶工作端（热端）
2．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测温 端热容量小，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。
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6.1热电偶工作原理和结构形式
• 6.1.1 工作原理 • 1．热电效应
• 将两种不同成分的导体组成一个闭合回路， 当闭合回路的两个结点分别置于不同的温 度场中时，回路中将产生一个电势，这种 现象称为“热电效应”。
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热电效应
1.两种不同导体
2.接成闭合回路 3.两个接点处温度不同 回路中会产生热电动势。
3.标准电极定律：如果已知两种导体分别对第三种导 体的热电动势，则前两种导体之间的热电动势可求。
EAB (t , t0 ) EAC (t , t0 ) EBC (t , t0 )
4.中间温度定律： 如热电偶在两端接点温度t、t0时的热电动势为
EAB (t, t0 )
在两端接点温度t、tn时的热电动势为 EAB (t , tn ) 在两端接点温度tn、t0时的热电动势为 E (t , t ) AB n 0 则： EAB (t , t0 ) E(t , tn ) E(tn , t0 ) 根据该定律，热电偶本身的导线如果不够长，可 以用同样性质（同样热电特性）的补偿导线加以延长。 延长后的热电动势与延长线的中间温度无关，只与延 长后的两端温度有关。
6.1.3 热电偶结构形式及材料
一、热电偶材料
对制成热电偶的材料的要求： （1）温度测量范围广，温度线性度好，测量精确度高， 输出热电动势大。 （2）热电性能稳定。 （3）物理化学性能好。不蒸发、抗氧化等。 我国标准热电偶有六种： 铜-康铜 镍铬-考铜 镍铬-镍铝 铂铑10-铂 非标准热电偶： 铂铑13-铂 发展中产品： 镍铬-康铜
常用炉温测量采用的热电偶测量系统图
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2．由热电偶放大器 AD594构成的热电偶温度 计
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（1）AD594
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工作原理
• 当热电偶的一条或两条引线断开时，AD594的 脚变为低电平，TTL门电路IC3就会控制报警电 路发出报警声，提示用户热电偶出现了断线故 障。 • 热电偶的温度每变化1℃，AD594集成电路的 ⑨脚就有10mV的电压输出，该电压经1Ω电阻 加至数字显示电路ICL7107CPL的脚。 • ICL7107CPL是一块显示器驱动控制专用数字显 示集成电路，其脚输入的模拟量转换成数字量， 经译码后输出驱动控制信号，驱动LED显示器 以显示当前检测到的温度。
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6.3热电偶温度传感器的应用
• 工业现场利用热电偶测量炉温的误差分析
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1．工作原理
• 由毫伏定值器给出设定 温度的相应毫伏值，如 热电偶的热电势与定值 器的输出值有偏差，则 说明炉温偏离给定，此 偏差经放大器送入调节 器，再经过晶闸管触发 器去推动晶闸管执行器， 从而调整炉丝的加热功 率，消除偏差，达到控 温的目的。
1．测量某点温度的基本电路
热电偶基本测量电路
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Байду номын сангаас
2．测量温度之和—热电偶串联测量线路
• 将N支相同型号的热电偶正负极依次相联接 • 若N支热电偶的各热电势分别为E1、E2、 E3、…EN，则总电势为 • =E1+ E2+ E3+…+ EN= NE • 串联线路的总热电势为E的N倍，所对应的 温度可由—t关系求得，也可根据平均热电 势E在相应的分度表上查对。
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铠装型热电偶结构
1—接线盒 2—金属套管 3—固定装置 4—绝缘材料 5—热电极
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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
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B
薄壁金属 保护套管 （铠体） 铠装型热电偶 横截面
法兰
3．薄膜热电偶
• 用真空蒸镀（或真空溅射）、化学涂层等工艺，将热电极 材料沉积在绝缘基板上形成的一层金属薄膜。热电偶测量 端既小又薄（厚度可达0.01～0.1m），因而热惯性小， 反应快，可用于测量瞬变的表面温度和微小面积上的温度。
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2．补偿导线法
• 补偿导线的作用是将热电偶的冷端延长到 温度相对稳定的地方。只有当冷端温度恒 定时，产生的热电势才与热端温度成单值 函数关系。
• 所谓补偿导线，实际上是一对材料化学成 分不同的导线，在0～1 500℃温度范围内与 配接的热电偶有一致的热电特性，价格相 对要便宜。
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补偿导线连接示意图
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1．冷端恒温法
• （1）0℃恒温法 在实验室及精密测量中，通常把参考端 放入装满冰水混合物的容器中，以便参考端温度保持0℃， 这种方法又称冰浴法。 • （2）其他恒温法 将热电偶的冷端置于各种恒温器内，使 之保持恒定温度，避免由于环境温度的波动而引入误差。 这类恒温器可以是盛有变压器油的容器，利用变压器油的 热惰性恒温，也可以是电加热的恒温器，这类恒温器的温 度不为0℃，故最后还需对热电偶进行冷端修正。
镍铬-镍硅 铂铑30-铂铑6 铂铑-铱 等 铁-康铜
二、热电偶结构
1.普通工业热电偶的结构
（1）热电极 （2）绝缘管 （3）保护套管 (4) 接线盒
接线盒
保护套管 绝缘管
2.铠装热电偶的结构
（1）露端型 （2）接壳型 （3）绝缘型 (4) 圆变截面型 (5) 扁变截面型
热电极
1．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、无固定装置等多种形式。
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6.2.2 热电偶的温度补偿
• 热电偶产生的热电势与两端温度有关。只有将 冷端的温度恒定，热电势才是热端温度的单值 函数。由于热电偶分度表是以冷端温度为0℃ 时作出的，因此在使用时要正确反映热端温度， 最好设法使冷端温度恒为0℃。 • 实际应用中，热电偶的冷端通常靠近被测对象， 且受到周围环境温度的影响，其温度不是恒定 不变的。
热电偶回路原理
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热电势由两部分组成
• 两种导体组成的回路称为“热电偶”，这 两种导体称为“热电极”，产生的电势则 称为“热电势”，热电偶的两个结点，一 个称为测量端（工作端或热端），另一个 称为参考端（自由端或冷端）。
• 一部分是两种导体的接触电势，另一部分 是单一导体的温差电势。
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接触电势
• 当A和B两种不同材料的导体接触时，由于两者内部单位体 积的自由电子数目不同（即电子密度不同），因此，电子 在两个方向上扩散的速率就不一样。 • 。假设导体A的自由电子密度大于导体B的自由电子密度， 则导体A扩散到导体B的电子数要比导体B扩散到导体A的电 子数大。所以导体A失去电子带正电荷，导体B得到电子带 负电荷。于是，在A、B两导体的接触界面上便形成一个由 A到B的电场 。
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热电偶并联测量线路
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4．测量两点之间的温度差
• 实际工作中常需要测量两处的温差，可选 用两种方法测温差，一种是两支热电偶分 别测量两处的温度，然后求算温差；另一 种是将两支同型号的热电偶反串联接，直 接测量温差电势，然后求算温度。前一种 测量较后一种测量精度差，对于要求精确 的小温差测量，应采用后一种测量方法。
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使用补偿导线必须注意以下几个问题。
• （1）两根补偿导线与两个热电极的结点必 须具有相同的温度。 • （2）只能与相应型号的热电偶配用，而且 必须满足工作范围。 • （3）极性切勿接反，常用补偿导线负极的 颜色均为白色。
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3．计算修正法
• 两种方法解决了一个问题，即设法使热电 偶的冷端温度恒定。但是，冷端温度并非 一定为0℃，所以测出的热电势还是不能正 确反映热端的实际温度。为此，必须对温 度进行修正。
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6.2热电偶实用测温线路和温度补偿
6.2.1 热电偶实用测温线路 • 1．测量某点温度的基本电路 • 2．测量温度之和—热电偶串联测量线路 • 3．测量平均温度—热电偶并联测量线路 • 4．测量两点之间的温度差
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• 基本测量电路包括热电偶、补偿导线、冷 端补偿器、连接用铜线、动圈式显示仪表。
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6.1.2热电偶基本定律
1.均质导体定律：如果构成热电偶的两种材料相同， 不会产生热电动势。 利用该定律，可以检查两种热电极材料是否相同，或 一种热电极材料是否均匀。 2.中间导体定律：断开热电偶回路，接入第三种导体， 只要两个新接入点等温，则回路总热电动势不变。 该定律说明在冷端接入放大电路，不会影响结果。
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热电偶串联测量线路
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串联线路的主要优点是热电势大，精度比 单支高；主要缺点是只要有一支热电偶断开， 整个线路就不能工作，个别短路会引起示值 显著偏低。

3．测量平均温度—热电偶并联测量线路
• 将N支相同型号热电偶的正负极分别连在一 起，如图5-11所示。 • 如果N支热电偶的电阻值相等，则并联电路 总热电势等于N支热电偶的平均值，即 • =（E1+E2+E3+…+EN）/N