第九章 热电偶传感器

第九章热电偶传感器
课题：热电偶传感器的原理及应用课时安排：2 课次编号：13 教材分析
难点：冷端温度补偿
重点：热电偶的应用
教学目的和要求1、了解温标的概念
2、了解热电偶传感器的工作原理；
3、掌握热电偶的选用；
3、掌握分度表的应用；
4、掌握热电偶的应用
5、了解热电偶冷端温度补偿的方法。

采用教学方法和实施步骤：讲授、课堂互动、分析教具：各种热电偶各
教
学
环
节
和
内
容
演示：
做以下的实验：
将两根不同材质的金属（例如镍铬-镍硅）的端部绞在一起。

用打火机烧该端部。

用数字毫伏表测量另两端的输出热电动势。

可以看到，毫伏表的读数随铰接的端部的颜色变红，而上升。

从以上演示，引入第一节的热电偶传感器的工作原理。

一、热电效应
1821年，德国物理学家赛贝克（T⋅J⋅Seebeck）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，如图9-1a所示。

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。

显然，指南针的偏转说明了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。

图9-1 热电偶原理图
a）热电效应b）结点产生热电动势示意c）图形符号
1－工作端2－热电极3－指南针4－参考端
当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。

这种物理现象称为热电效应。

两种不同材料的导体所组成的回路称为“热电偶”，组成热电偶的导体称为“热电极”，热电偶所产生的电动势称为热电动势（以下简称热电势）。

热电偶的两个结点中，置于温度为T的被测对象中的结点称之为测量端，又称为工作端或热端；而置于参考温度为T0的另一结点称之为参考端，又称自由端或冷端。

镍铬-铜镍
（锰白铜）E -270～800 6.319 －
热电势比K型热电偶大50%左右，
线性好，耐高湿度，价廉；但不能用
于还原性气氛；多用于工业测量
铁-铜镍
（锰白铜）J -210～760 5.269 －
价格低廉，在还原性气体中较稳定；
但纯铁易被腐蚀和氧化；多用于工业
测量
铜-铜镍
（锰白铜）T -270～400 4.279 －
价廉，加工性能好，离散性小，性
能稳定，线性好，准确度高；铜在高
温时易被氧化，测温上限低；多用于
低温域测量。

可作-200～0℃温域的计量标准
①铂铑30表示该合金含70%的铂及30%的铑，以下类推。

分析图9-4：
从图中可以看到，在0℃时它们的热电势均为零，这是因为绘制热电势-温度曲线或制定分度表时，总是将冷端置于0℃这一规定环境中的缘故。

从图9-4中还可以看出，B、R、S及WRe5-WRe26（钨铼5-钨铼26）等热电偶在100℃时的热电势几乎为零，只适合于高温测量。

从图9-4中还可以看到，多数热电偶的输出都是非线性（斜率不为常数）的。

国际计量委员会已对这些热电偶的化学成分和每一摄氏度的热电势做了非常精密的测试，并向全世界公布了它们的分度表（t0=0℃）。

使用前，只要将这些分度表输入到计算机中，由计算机根据测得的热电势自动查表就可获得被测温度值。

第四节热电偶冷端的延长
实际测温时，由于热电偶长度有限，自由端温度将直接受到被测物温度和周围环境温度的影响。

例如，热电偶安装在电炉壁上，而自由端放在接线盒内，电炉壁周围温度不稳定，波及接线盒内的自由端，造成测量误差。

虽然可以将热电偶做得很长，但这将提高测量系统的成本，是很不经济的。

工业中一般是采用补偿导线来延长热电偶的冷端，使之远离高温区。

利用补偿导线延长热电偶的冷端方法如图9-8所示。

补偿导线（A´、B´）是两种
不同材料的、相对比较便宜的金属（多为铜与铜的合金）导体。

它们的自由电子密度比和所配接型号的热电偶的自由电子密度比相等，所以补偿导线在一定的环境温度范围内，如0～100℃，与所配接的热电偶的灵敏度相同，即具有相同的温度-热电势关系。

使用补偿导线的好处是：①它将自由端从温度波动区t n延长到补偿导线末端的温度相对稳定区t0，使指示仪表的示值（毫伏数）变得稳定起来。

②购买补偿导线比使用相同长度的热电极（A、B）便宜许多，可节约大量贵金属。

③补偿导线多是用铜及铜的合金制作，所以单位长度的直流电阻比直接使用很长的热电极小得多，可减小测量误差。

④由于补偿导线通常用塑料（聚氯乙烯或聚四氟乙烯）作为绝缘层，其自身又为较柔软的铜合金多股导线，所以易弯曲，便于敷设。

第五节热电偶的冷端温度补偿与集成温度传感器
由热电偶测温原理可知，热电偶的输出热电势是热电偶两端温度t和t0差值的函数，当冷端温度t0不变时，热电势与工作端温度成单值函数关系。

各种热电偶温度与热电势关系的分度表都是在冷端温度为0℃时作出的，因此用热电偶测量时，若要直接应用热电偶的分度表，就必须满足t0=0℃的条件。

但在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化，这样t0不但不是0℃，而且也不恒定，因此将产生误差，一般情况下，冷端温度均高于0℃，热电势总是偏小。

消除或补偿这个损失的方法，常用的有以下几种：
一、冷端恒温法
1）将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中，使冷端的温度保持在0℃不变。

此法也称冰浴法，它消除了t0不等于0℃而引入的误差，由于冰融化较快，所以一般只适用于实验室中。

2）将热电偶的冷端置于电热恒温器中，恒温器的温度略高于环境温度的上限（例如40℃）。

3）将热电偶的冷端置于恒温空调房间中，使冷端温度恒定。

应该指出的是，除了冰浴法是使冷端温度保持0℃外，后两种方法只是使冷端维持在某一恒定（或变化较小）的温度上，因此后两种方法仍必须采用下述几种方法予以修正。

图9-9是冷端置于冰瓶中的接法布置图。

图9-9冰浴法接线图
1－被测流体管道2－热电偶3－接线盒4－补偿导线5－铜质导线
6－毫伏表7－冰瓶8－冰水混合物9－试管10－新的冷端
二、计算修正法
当热电偶的冷端温度t0 0℃时，由于热端与冷端的温差随冷端的变化而变化，所
测温度高于设定温度时，仪表内部的继电器动作，可以切断加热回路。

它的特点是采用工控单片机为主控部件，智能化程度高，使用方便。

这类仪表多具有以下功能：（1）双屏显示主屏显示测量值，副屏显示控制设定值。

（2）输入分度号切换仪表的输入分度号可按键切换（如K、R、S、B、N、E 型等）。

（3）量程设定测量量程和显示分辩力由按键设定。

（4）控制设定上限、下限或“上上限”、“下下限”等各控制点值可在全量程范围内设定，上下限控制回差值也可分别设定。

（5）继电器功能设定内部的数个继电器可根据需要设定成上限控制（报警）方式或下限控制（报警）方式。

（6）断线保护输出可预先设定各继电器在传感器输入断线时的保护输出状态（ON/OFF/KEEP）。

（7）全数字操作仪表的各参数设定、准确度校准均采用按键操作，无须电位器调整，掉电不丢失信息。

（8）冷端补偿范围：0～60℃。

（9）接口许多型号还带有计算机串行接口和打印接口。

与热电偶配套的标准仪表外形及接线图如图9-16所示。

图9-16与热电偶配套的标准仪表外形及接线图
a）XMT仪表外形b）XCZ型接线c）XMT型接线
图9-16b中的“短”、“短”两端在搬运仪表时须用导线短接起来，以保护仪表指针不致打弯或折断。

图9-16c右上角的三个接线端子分别为上限输出“2”的三个触点，从左到右依次为：仪表内继电器的常开（动合）触点、动触点和常闭（动断）触点。

当被测温度低于设定的上限值时，“高-总”端子接通，“低-总”端子断开；当被测温度达到上限值时，“低-总”端子接通，而“高-总”端子断开。

“高”、“总”、“低”三个输出端子在外部通过适当连接，能起到控温或报警作用。

“上限输出1”的两个触点还可用于控制其他电路，如风机等。

课外学习指导安排每周二下午，在测控办公室进行答疑
课外作业P200：4：1）
检测教学目标实现程度考察学生能否正确选择热电偶的型号、规格，冷端补偿导线
和冷端温度测量的IC型号。