热电偶

热电偶的使用
将热电偶参考端置于冰水混合的恒温容器中，此法自然能保证参考端 的温度为0oC ，但一般只适用于实验室中。
处于同一温度下 A Junction AB V B Junction AB A C C
Ice Bath
参考极置于0oC环境中
热电偶的使用
A C Junction AB V B Junction AB A C A C
所以 t＝1002℃
5、常用热电偶
1、高温热电偶
钨铼5－钨铼20是一种高温热电偶，可测温度达2450oC，如 果安装在保护管内，绝缘性、气密性均满足要求，可测2800oC的高温；铂铑30 －铂铑6的热电偶可长期测1600oC的高温，短期可测1800oC，此种热电偶性能 稳定、精度高，但热电势小、价格昂贵；铂铑－铂热电偶在1300 oC以下可长 期使用，短期测量可达1600 oC，由于易得到高纯度的铂和铂铑，所以该热电 偶的复制精度和测量准确度较高，其主要缺点同样是热电势较小，价格较贵。
C
具有第三导体的热电偶回路
4 热电偶的使用
Junction @ A Temperature T C V
B C Junction @ A Temperature T C V
B
C
Unintended Junctions
Unintended Junctions
使第三导体C与同一热电偶引线A接触,可以看到若接头处于同一温度 下，则由C引起的热电势在环路中总和为零。
EAB (T , T0 ) EAB (T , Tn ) EAB (Tn , T0 )
式中,
EAB (T , Tn )
为实际测得的热电势，
可由热电偶分度表查得 。
EAB (Tn , T0 )
T＝T′＋KTn 式中 ：K称为热电偶的修正系数，可由表中查得。
可以使用自动补偿电桥或者软件
对如图的电桥：R1, R2, R3 --- 锰铜线绕制电阻（固定电阻） R4 --- 铜线绕制补偿电阻（热电阻） R --- 限流电阻 E --- 电桥电源 在某个温度下使电桥的输出平衡掉热电偶的输 出，并使温度的变化带来的热电势输出能被R4 的变化带来的电桥输出变化平衡掉。
KPX （镍铬）KNX（铜镍） EPX （镍铬）ENX （铜镍） JPX （铁） JNX （铜镍） TPX （铜） TNX （铜镍）
补偿导线颜色 正 极 负 极 红 绿 蓝 红 红 红 红 红 黑 棕 紫 白
T （铜－铜镍）
补偿导线(延伸电极)
通过补偿导线，可以把冷端拉到离测温点更远的位置。原来的接点 与新接点之间可以有一定的温差，对测量结果没有影响。这对远距 离、高温测量有很大的好处。 热电偶 补偿导线 A B A
E EAB (T ) EAB (T0 ) EA (T , T0 )-EB (T , T0 )
因此，有热电势输出的必要条件是 （1）两种不同的导体；(2) 两端温度不同。
热 电 势 合 成
★3、中间导体定律
kT N A kT N B E AC (T0 ) ln ; EBC (T0 ) ln e NC e NC
下面用一个例子说明： 例：用镍铬－镍硅热电偶测温， 冷端温度，tn=25℃, 测得：
温度 （）
镍铬－镍硅热电偶分度表
0 1 2 5 9 热 电 势 （mV） -1.527 - 1.563 - 1.6 - 1.709 - 1.858 - 1.156 - 1.193 - 1.281 - 1.49 - 0.777 - 0.816 - 0.854 - 1.118 0.798 0.838 0.879 1.00 41.463 1.162 41.617
冷端温度↑
热电偶输出热电势Ex↓ R4 ↑ → 失衡 → Uab ↑ 处于同一温度下
若Ex↓= Uab↑→ 输出不变 c E R d
R1 b Ex R4
R2 a
R3
A
B
★计算实例
计算法，就是按下列公式计算：
EAB (t , t0 ) EAB (t , tn ) EAB (tn , t0 ) 测量端
热电偶的工作原理
A T
B T0
NA k E AB (T ) - E AB (T0 ) = (T - T0 ) ln e NB
热电偶的工作原理
2、单一导体的温差电势（汤姆逊效应)
A T T0
E A (T, T0 ) =
∫σ
T T0
A dT
σ A ,σ B
汤姆逊系数。
热电偶的工作原理
2、单一导体的温差电势
100 VT=1mV/k 950
-
kT0 N A kT0 N A / N C E AB (T0 ) ln ln e NB e N B / NC kT0 N A kT0 NB ln ln e NC e NC
T B T0
A
T0
反之也成立：右图所示电路实际上 与第三导体C无关（前提：C均匀， 接头处于同一温度下。）
★8、精密仪器中的热电偶效应
在精密仪器中，热电偶效应是非常重要的一个需要考虑的内容。 每度几十个微伏的热电势在有些情况下会带来很大的测量误差。 由于温度的变化一般是缓变的，因此可以用电容把这一直流变 化的量给去除。当然，这里的前提是有用信号必须是快变的。
当有用信号也是慢变的时候，可以使用斩波的方法把它加载到 高频分量上，从而与温度的变化区分开来。
A T T0
E A (T, T0 ) - E B (T, T0 ) =
∫ (σ
T T0
A
-σ B )dT
A
E
T T0
B
NA k E AB (T ) - E AB (T0 ) = (T - T0 ) ln e NB
E A (T, T0 ) - E B (T, T0 ) =
∫ (σ
T T0
A
-σ B )dT
9、集成温度传感器
集成温度传感器 测温部分： U
Ic1
Ic2
be 2
kT T U0 ln( ) e Ic2
Ube1 U0
kT T ln( ) e I c1

V1
V2
U be U be1 U be 2
kT I c1 ln( ) e Ic2
△Ube
特点：当电流Ic1、Ic2恒定，Ube T（线性）
集成度高 --- 测温环节 + 放大 + 恒流 + 补偿 + …… 应用：集成测温、智能测温
LM35CZ 电压输出的集成温度传感器
典型：AD590 测 温：-55~150 ℃ 灵敏度：1μA/ K 非线性：0.3 ℃(F.S.)
5V+
+ AD590 +
R
FEATURES
Linear current output: 1 µA/K Wide temperature range: −55°C to +150°C Probe compatible ceramic sensor package 2-terminal device: voltage in/current out Laser trimmed to ±0.5°C calibration accuracy (AD590M) Excellent linearity: ±0.3°C over full range (AD590M) Wide power supply range: 4 V to 30 V Sensor isolation from case Low cost F.S. Full Scale 全量程
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
补偿导线
表9－2 补偿导线的分类型号与分度号
补偿导线型号 配用热电偶的分度号 SC KC KX EX JX TX S （铂铑10－铂） K （镍铬－镍硅） K （镍铬－镍硅） E （镍铬－铜镍） J （铁－铜镍）
补偿导线合金丝 负 极 正 极 SPC （铜） SNC （铜镍） KPC （铜） KNC（铜镍）
4.超低温热电偶
铜－铜锡0.005 ,测温范围-271oC— -243oC；镍铬－铁金0.03可测200oC以下的温度，并在低温和超低温下有高的热电灵敏度，但温度 过低时（低于-210oC时）需考虑磁场的影响。
热电偶的标准
我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产， 并指定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。 标准化热电偶指已大量生产和使用，工艺稳定，性 能符合专业或国家标准，具有统一分度表的热电偶。 8种标准化热电偶 材 料 铂铑10－－铂 铂铑13－－铂 铂铑30－－铂铑6 镍铬－－镍硅 镍铬－－铜镍合金（康铜） 铁－－铜镍合金（康铜） 铜－－铜镍合金（康铜）
补偿端远离了测温点
7、 热电偶的非线性
温度系数随温度的变化关系曲线
热电偶的非线性
Typical temperature gradient for type K thermocouples
★热电偶的主要特点
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 热电势很小，在几个到几十微伏每度数量级； 制造容易，离散性容易控制； 使用温度范围宽； 皮实； 价格便宜 非线性大； 需要冷端补偿 精度没有Pt100高。把所有因素考虑进去，热电偶的精度很少有 高于0.50C的。一般热电偶的容许偏差达几度。 目前，热电偶在温度测量领域起主导作用，但也被热敏电阻和 IC传感器夺去了部分市场。
alumel: 95% Ni(镍)+2%Al(铝)+2%Mn(锰)+1%Si(矽)
热电偶引线的美国标准
6、补偿导线
由于热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时），而测温点 到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，通常采用补偿导线把热电 偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的测量仪器附近。
热电偶补偿导线本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿 作用。因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t0≠0℃时对测温 的影响。 在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线 与热电偶连接端的温度不能超过100℃。
热电偶
热电偶是一种把温度转换为电势的传感器，它的基本工作原理是基于 “双金属温差热电势效应”。
热电偶的工作原理
1、两种导体的接触电势(帕尔贴效应)
A T B 式中，k —波尔兹曼常数； e —电子电荷， —材料A、B的自由电子浓度。 N ,N
A B
kT N A E AB (T ) = ln e NB
Junction AB
V B Junction AB A C
Ice Bath
Hot
使第三导体C与同一热电偶引线A接触,可以看到若接头处于同一温度 下，则由C引起的热电势在环路中总和为零。
参考不为零时需要补偿
补偿计算法
若已知参考端温度为Tn≠T0=0时，此时热电偶测得的热电势为E(T， Tn),显然与E(T,T0)不一样，两者之间的关系为：
-40 - 30 - 20 20
EAB (t , tn ) EAB (t ,25) 40.374 mV
求t＝？
1000 41.269 41.308 41.347
由分度表查得：
EAB (tn ,0) EAB (25,0) 1mV EAB (tn ,0) EAB (t ,25) EAB (25,0) 40.347 1.00 41.347mV
2、中温热电偶
镍铬－镍硅热电偶，化学稳定性较高，可在氧化性或中性
介质中测温，长期测温在10000C以下，短期可达12000C；此种热电偶复制性好、 热电势大、线性好、价格便宜，虽然测量精度偏低，但在工业中常采用。
低温热电偶
镍铬－考铜热电偶，长期测温范围在 -200oC—600oC，热电势大、价 格低，但考铜金属丝易氧化而变质；铜－康铜测温范围为 - 200oC ～ 200oC 。
型号标志 S R B K E J T
使用温度℃ -50~1768 - 50~1768 0~1820 - 270~1372 - 270~1000 - 210~1200 - 270~400
K-型热电偶(chromel-alumel)
K-型热电偶(chromel-alumel)含根合金金属，即 chromel: 90% Ni(镍)+10%Cr(铬)