热电偶的基本原理和组成结构

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铁丝
铜丝
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0.00
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0.11
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-0.11
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热电偶测温原理
• 1.热电效应
两种不同材料的导体组成一个闭合回路时，若 两接点温度不同，则在该回路中会产生电动势。这 种现象称为热电效应，该电动势称为热电势。
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热电偶回路
热电偶回路产生的热电动势由接触电动势和温差电 动势两部分组成。
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热电偶参数分析及选型（例）
在陶瓷产品的烧制过程中，温度的控制极其重要。传统 的陶瓷烧制，会有一个专门的掌火师傅负责整个陶瓷烧制过程 温度的控制。这种掌火师傅往往需要几十年才能培养出一个， 这不仅需要经验的积累，更需要天赋。现代，即使在景德镇， 这种传统掌火师傅已经寥寥无几。现代工艺的陶瓷烧制都是靠 先进的自动化设备来进行控温。这些设备通过测量外炉壁的温 度来能判断炉内温度。陶瓷烧制炉外炉壁的表面温度大概为几 十摄氏度到1000℃之间。 （选择一款热电偶温度传感器测量陶瓷烧制外炉壁表面温 度。）
（0.01～0.1μm）
薄膜热电偶示意图
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热电偶选型依据
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热电偶选型依据
热电偶型号如何选定及注意事项 热电偶选型关注点通常为：型号、分度号、防爆等级、 精度等级、装固定形式、保护管材质、长度或插入深度等， 同时，在选型时应注意一下几个方面：
（1）热电偶的测量精度和温度测量范围； （2）热电偶的耐久性及热响应时间； （3）热电偶的使用环境； （4）测量介质的情况； （5）参考相关技术标准要求进行选型；
经济效益好等很多优点。
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（3）热电偶的使用环境。如果热电偶保护管密
封性能比较好，当然就对这方面不太有要求。一
般来说 B 型、S 型、K 型热电偶适合于强的氧化
和弱的还原气氛中使用，J 型和 T型热电偶适合
于弱氧化和还原气氛环境中
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相关的技术标准
GB 26786-2011《工业热电偶和热电阻隔爆技术条件》 GB/T 4990-2010《热电偶用补偿导线合金丝》 GB/T 2904-2010《镍铬-金铁、铜-金铁低温热电偶丝》 GB/T 2614-2010《镍铬-镍硅热电偶丝》 GB/T 4993-2010《镍铬-铜镍(康铜)热电偶丝》 GB/T 18034-2000《微型热电偶用铂铑细偶丝规范》 GB/T 17615-1998《镍铬硅-镍硅镁热电偶丝》 GB/T 2903-1998《铜-铜镍(康铜)热电偶丝》 GB/T 4994-1998《铁-铜镍(康铜)热电偶丝》 GB/T 16839.1-1997《热电偶 第1部分:分度表》 GB/T 16839.2-1997《热电偶 第2部分:允差》 GB/T 4989-1994《热电偶用补偿导线》 JB/T 9283-1993《工业热电偶技术条件》
eAB(T):
eB(T,TO): eAB(TO):
热端接触电势；
B导体温差电势； 冷端接触电势；
eA(T,TO):
A导体温差电势。
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在总电势中，温差电势比接触电势小很多，可忽略不 计，则热电偶的热电势可表示为 EAB(T,TO)=eAB(T)-eAB(TO)
显然， 热电动势的大小与组成热电偶的导体材料和两
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4）镍铬－镍硅（镍铝）热电偶（分度号为K） 是抗氧化性较强的贱金属热电偶，可测量0～ 1300℃温度。 热电动势与温度的关系近似线性、价格便宜、热 电动势大，是目前用量最大的热电偶。 5）铜－铜镍热电偶（分度号为T） 价格便宜，使用温度是-200～350℃。
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6）铁－铜镍热电偶（分度号为J）
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3）铂铑30－铂铑6热电偶（分度号为B，也称为双铂 铑热电偶） 在室温下，其热电动势很小，故在测量时一般 不用补偿导线，可忽略冷端温度变化的影响。 长期使用温度为1600℃，短期为1800℃，因热 电动势较小，故需配用灵敏度较高的显示仪表。 即使在还原气氛下，其寿命也是R或S型的10～ 20倍。缺点是价格昂贵。
计算可得： 该 K 型热电偶在 0℃到 250℃输出电压变化为： v=10.151-0=10.151 mV 要求经过检测电路后输出电压为 0V 到 2.5V： Δv=2.5-=2.5 V 则放大倍数：A=2.5V/10.151mV=246
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R3=1KΩ、RG=20KΩ、R2=1KΩ、R1=123KΩ
价格便宜，适用于真空、氧化或惰性气氛中，温 度范围为-200～800℃。
7）镍铬－铜镍热电偶（分度号为E） 是一种较新的产品，裸露式结构无保护管，价格 比较便宜，在常用的热电偶中，其热电动势最大。 适用于0～600℃温度范围。
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热电偶的结构形式和标准化热电偶
1.普通型热电偶 普通型热电偶一般由热电极、绝缘套管、保 护管和接线盒组成。
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接点的温度有关。
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EAB(T,TO)=eAB(T)-eAB(TO)
当热电偶两电极材料确定后，热电动势便只是两接点温
度的函数。
当参考端温度TO恒定时，EAB(TO)=c为常数，则总的热电势
就只与温度T有关系，即：
EAB(T,TO)=eAB(T)- c =f(T)
实际应用时可通过热电偶分度表查出温度值。分度表是 在参考端温度为00C时，通过实验建立的热电势与工作端 温度之间的数值对应关系。
两种导体的接触电势
当 A，B 两种不同导体接触时，两种金属A、B的自由电 子密度不同分别为nA和nB （设nA>nB）。当两种金属相接时， 将产生自由电子的扩散现象。 达到动态平衡时，在A、B之间形成稳定的电位差，即接 触电势eAB(t) 。
两种导体的接触电势示意图
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接触电动势的大小与接点处温度高低和导体
常用的4种标准化热电偶丝材料为 铂铑10－铂、铂铑30－铂铑6、镍铬－铜镍、镍铬－镍硅 （我国通常称为镍铬－康铜）。 组成热电偶的两种材料，写在前面的为正极，写在 后面的为负极。
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标准化热电偶材料和种类
1）铂铑10－铂热电偶（分度号为S，也称为单铂铑热 电偶） 特点是性能稳定，精度高，范围较大、抗氧化性 强，长期使用温度可达1000℃，成本较高，热电动 势较弱。 2）铂铑13－铂热电偶（分度号为R，也称为单铂铑热 电偶） 同S型相比，它的热电动势率大15%左右，其它性 能几乎相同。
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热电偶温度检测电路搭建
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热电偶温度检测电路分析
由于从热电偶输出的信号最多不过几十毫伏， 因此 这种电路放大就需要放大电路具有很高的共模抑制比以及 高增益、低噪声和高输入阻抗，因此宜采用放大电路。
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在设计中，采用镍铬-镍铝合金线，补偿电阻采用镍铜 测量温度范围 0～250℃的加热炉炉温。从 K 型热电偶的 温度表中得知，热电偶 250℃时输出电压为 10.151mV。
在1300℃以下选用高铝绝缘套管，
在1600℃以下选用刚玉绝缘套管。
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保护管：
保护管的作用是使热电偶电极不直接与被测介 质接触。 它不仅可延长热电偶的寿命，
还可起到支撑和固定热电极，增加其强度的作 用。 材料主要有金属和非金属两类。
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2.铠装热电偶（缆式热电偶）
铠装热电偶也称缆式热电偶，是将热电偶丝
温度传感器
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热电偶传感器
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在工业生产过程中，温度是需要测量和控制的重要 参数之一。
特点：在温度测量中，热电偶的应用极为广泛，它具有 结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯性小和 输出信号便于远传等许多优点。另外，测量时不需外加 电源，使用十分方便，所以常被用作测量炉子、管道内
的气体或液体的温度及固体的表面温度。
的电子密度有关。
温度越高， 接触电动势越大；两种导体电子
密度的比值越大，接触电动势越大。
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单一导体的温差电势 对于单一导体，如果两端温度分别为T、 TO，且T>TO。
导体中的自由电子，在 高温端具有较大的动能，因 而向低温端扩散，在导体两 端产生了电势。
单一导体温差电势示意图
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热电偶回路总热电势： EAB(T,TO)=eAB(T)+eB(T,TO)-eAB(TO)-eA(T,TO) 式中：
EAB(T,TO)=eAB(T)-eAB(TO)
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分度表
热电偶的热电动势与温度的关系表，称之为分 度表。
热电偶（包括后面要介绍的金属热电阻及测量 仪表）分度表是IEC（国际电工委员会）发表的相关 技术标准（国际温标）。
该标准以表格的形式规定各种热电偶/阻在
-271℃～2300℃每一个温度点上的输出电动势 （参考端温度为0℃）。
（1）热电偶的测量精度和温度测量范围，测量温度高于 1800℃时，通常选用钨铼热电偶； 在1300~1800℃之间，要求精度又比较高时，一般选 用 B 型热电偶； 使用温度在1000~1300℃要求精度又比较高可用 S 型 热电偶和 N 型热电偶； 在 1000℃以下一般用 K 型热电偶和 N 型热电偶； 低于 400℃一般用 E 型热电偶； 0-250℃测量一般用 T 型电偶，在低温时 T 型热电偶稳 定而且精度高。 上述选型仅仅考虑了测量温度范围和测量精度，最终选 型还应该综合考虑其他因素。
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非标准化热电偶： 在使用范围或数量级上均不
及标准化热电偶， 一般也没有统一的分度表，主要
用于某些特殊场合的测量。
标准化热电偶： 热电偶和热电阻全部按 IEC 国 际标准生产。
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标准化热电偶/阻命名统一代号，称为分 度号。
我国指定S、B、E、K、R、J、T七种标准 化热电偶为我国统一设计型热电偶。
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没有小结的小结
可见当冷端温度 t 0 恒定时， 热电偶产生的热电动势只 与热端的温度有关， 即只要测得热电动势，便可确定热端 的温度 t。由此得到有关热电偶的几个结论： （1）热电偶必须采用两种不同材料作为电极，否则无论导 体截面如何、温度分布如何，回路中的总热电动势恒为零。 （2）若热电偶两接点温度相同，尽管采用了两种不同的金 属，回路总电动势恒为零。 （3）热电偶回路总热电动势的大小只与材料和接点温度有 关，与热电偶的尺寸、形状无关。