第九章 热电偶传感器

常用热电偶补偿导线
补偿导线外形 A’ B’ 屏蔽层
保护层
第五节 必要性：
热电偶的冷端温度补偿
1、用热电偶的分度表查毫伏数-温度时， 必须满足t0=0C的条件。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0C， 而且也不恒定， 因此将产生误差。
EABBA T , Tn , T0 EAB T , Tn EAB Tn , T0
此式是连接导线（导体）定律的数学模型，即回路的总电势等于热电 偶热电势EAB（T,Tn）与连接导线热电势EA B （Tn,T0）的代数和。

此定律是工业运用补偿导线进行温度测量的理论基础。
如何利用热电偶的分度表
假设热电偶的冷端温度为0C，请根据本 教材p345的附录——工业中常用的镍铬-镍硅 （K）热电偶的分度表，查出－50C 、0C、 50C 时的热电势。
K热电偶的 分度表
比较 查出的3个 热电势， 可以看出 热电势是 否线性？
如何由热电偶的热电势查热端温度值
设冷端为0℃，根据以下电路中的毫伏表的示 值及K热电偶的分度表，查出热端的温度tx 。
• 必须指出的是：使用补偿导线仅能延长热电偶的 冷端，虽然总的热电势在多数情况下会比不用补 偿导线时有所提高，但从本质上看，并不是因为 温度补偿引起的而是因为使冷端远离高温区、两 端温差较大的缘故。 在使用补偿导线时，必须根据热电偶型号选配补偿 导线，补偿导线与热电偶两接点处的温度必须相 同，极性不能接反，不能超出规定使用的温度范 围。
A B
T
A
C
B
C
T0
由此可知，当任一电极B，C，D，…与一标准电极A组成热电偶产生 热电势为已知时，就可以利用上式求出这些热电极彼此任意组成热电偶时 的热电势。

通常采用铂作为标准电极。
3） 连接导体定律与中间温度定律： 若导体A、B分别与连线导线A、B 相 接，其结点温度分别为T、Tn、T0，回路的 总电势为
普通装配型热电偶的 外形
安装 螺纹
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
3. 薄膜热电偶
它是真空蒸镀的方法，把热电极材料蒸镀在绝缘基板上而制 成。测量端既小又薄，厚度约为几个微米左右，热容量小， 响应速度快，便于敷贴。适用于测量微小面积上的瞬变温 度。其特点是：热容量小、动态响应快，适用于动态测量 小面积时的瞬时变化的温度。
3. 闭合回路中总热电势
在由两种不同金属（nA > nB）组 成的闭合回路中，当两端点的温度不 同（T >T0）时，整个闭合回路内总的 热电势EAB（T，T0）为
EAB T , T0 EAB T EAB T0 EB T , T0 EA T , T0
第九章
热电偶传感器
本章介绍温度和温标的基本概念、
温度测量的基本方法、热电偶的基本 工作原理、热电偶的分类、特点及使 用、冷端延长的方法、冷端温度补偿 的方法和技术、控温仪表的使用等。
热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置。
在各种热电式传感器中，以把温度变化转换为电阻值和电 势变化的方法最为普遍。将温度转换为电阻值大小的热电式传 感器叫做热电阻。将温度转换为电势大小的热电式传感器叫做 热电偶。 此外，基于半导体 PN 结与温度的关系研制的 PN 结型温 度传感器在窄温场中，也得到迅速发展和广泛应用。 另外还有热释电型温度传感器、谐振型温度计、热噪声温 度计、热辐射传感器、光纤温度传感器等。
热电效应产生的热电势用EAB（T，T0）表示。是由接触电 势（珀尔帖Peltier效应）和温差电势（汤姆森Thomson效应） 两部分组成。
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，从而产生热电势在 这种动态平衡状态下，A和B两金属之间在接触处产生的电势 称为接触电势（又称为珀尔帖电势） 。
设导体为均质导体，两端的温度为T、T0，A、B导体的温差电势
EA T , T0 A dT
T T0
EB T , T0 BdT
T T0
σ ——汤姆森系数（与材料和两端平均温度有关）。
温差电势的数值取决于金属的性质和两端的温度，而与金属的形状、 尺寸和温度分布无关。

如果导体两端的温度相同，则温差电势为零。（T = T0）
2. 汤姆森效应－温差电势
对于任何一个金属，当其两端温度不同时， 两端的自由电子浓度也不同。温度高的一端浓度 大，具有较大的动能；温度低的一端浓度小，动
能也小。因此，高温端的自由电子要向低温端扩散，高温端失去电子而带 正电，而低温端得到电子而带负电，形成了电场，这个电场要阻碍电子的 扩散，最后同样要达到动态平衡，从而在两端形成的电势称为温差电势， （又称为汤姆森电势）。
A
＋
自由 电子
eAB（ T ）
T
B
该电势为 EAB T
kT nA ln e nB
nA nB
EAB T
T kT ln nB EBA
e
nA
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
k —— 波尔兹曼常数（k0＝1.38×10-23 J/K） T —— 接触点的绝对温度； nA，nB —— 材料 A，B 的自由电子密度； e —— 电子电荷电量（e = 1.6×10-19 C）。 接触电势的数值取决于两种金属的性质和接触点的温度， 而与金属的形状及尺寸无关。 如果 A、B 为同一种材料，接触电势为零。（nA = nB）
4. 表面热电偶
分为永久性安装和非永久性安装两种，主要用来测量金属块、 炉壁、橡胶筒，涡轮叶片、轧辊等固体的表面温度。
5. 浸入式热电偶
浸入式热电偶主要用来测量钢水、铜水、铝水以及熔融合金的 温度。其主要特点是：可以直接插入液态金属中进行温度测量。
第四节
热电偶冷端的延长
在实际测温时，由于热电偶长度有限，自由端温度 将直接受到被测物温度及周围环境温度的影响，造 成误差。
热 电 偶
热电偶是将温度量转换为电势大小的热电式传感器。是目前接触式测 温中应用最广的热电式传感器之一，在工业用温度传感器中占有极其重要 的地位。 优点： 测温范围宽，能测量较高的温度（－180 ~ 2800℃）； 输出电压信号，测量方便，便于远距离传输、集中检测和控制； 结构简单、性能稳定、维护方便、准确度高； 热惯性和热容量小，便于快速测量； 自身能产生电压，不需要外加驱动电源，是典型的有源传感器。 一、热电偶的工作原理 二、热电偶的基本定律 三、热电偶结构和种类 四、热电偶的冷端处理和补偿
2、热电偶的基本定律
1）中间导体定律： 将由A、B两种导体组成的热 电偶的冷端断开而接入第三种导体C后，只要 第三种导体的两接点温度相同，则回路的总热 电势不变。 t
0
A t0 t B t0
C B C
t1 t1
A
C
A
C
t (a) (b)
总的热电动势与C无关。热电偶回路中插入多种导体（D、E、
F……)只要保证插入的每种导体的两端温度相同，则对热电
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。
两种不同材料的导体A和B组成闭合回路，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 个节点称为参考端，又称为自由端或冷端。
偶的热电动势也无影响。 利用热电偶实际测温时，连接导线、显示仪表和接插件等均
可看成中间导体，只要保证这些中间导体两端的温度各自相
同，则对热电偶的热电动势没有影响。 热电偶回路总的热电势，绝不会因为在其电路中的任意部 分接入第三种两端温度相同的材料而有所改变。热电偶的这一 特性，不但可以允许在其回路中接入电气测量仪表，而且也允 许采用任意的焊接方法来焊接热电偶。这就是中间导体定律的 实际意义。
2）参考电极定律（标准电极定律）
已知热电极A、B分别与参考电极C所组成的热电偶在 结点温度(T,T0）时，热电势分别为EAC(T,T0)， EBC(T,T0)，则在相同的温度下，由A、B 两种热电极配 对后的热电势EAB（T,T0)可以按下面公式计算：
EAB（T,T0)=EAC(T,T0)-EBC(T,T0)
当导体A与A及B与B 材料分别相同时，上式可写为
EAB T , Tn , T0 EAB T , Tn EAB Tn , T0
此式是中间温度定律的数学模型，即回路的总电势等于EAB（T,Tn）, EAB（Tn,T0）的代数和。Tn 称为中间温度。 此定律为制定分度表奠定了理论基础，只要求得参考端温度为0℃时的 “热电势－温度关系”，就可以根据此式求出参考温度不等于0℃时的电势。
R
S
铂铑13—铂
铂铑10—铂
-50～1768 C
-50～1768 C
10.506
9.587
K
E
镍铬－镍硅 (铝)
-270～1370 C
41.276
——?
镍铬－铜镍 (康 铜) －270～800 C
热电偶的分度表
——热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法
我国从1991年开始采用国际计量委员会规 定的“1990年国际温标”（简称ITS-90）的新 标准。按此标准，制定了相应的分度表，并且 有相应的线性化集成电路与之对应。 直接从热电偶的分度表查温度与热电势的 关系时的约束条件是：自由端（冷端）温度必 须为0C。 本教材p368的附录列出了工业中常用的镍 铬-镍硅（K）热电偶的分度表。
第一节
热电偶的工作原理
看一个实验——热电偶工作原理演示
热电极A
左端称为：
热电势
A B
热电极B 自由端
（参考 端、冷 端）
右端称为：
测量端
（工作 端、热 端）
结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。
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？） 。
EAB (T , T0 ) EAB (T ) EAB (T0 ) ( A B )dT
T0 T k nA (T T0 ) ln ( A B )dT e nB T0 T
由上式可以得出下列结论： 1）如果热电偶两结点温度相同，则回路总的热电势 必然等于零。两结点温差越大，热电动势越大。 2）如果热电偶两电极材料相同，即使两端温度不同 （T≠T0），但总输出电动势仍为零。因此必需由两 种不同材料才能构成热电偶。 3）式中没有包含热与热电偶的尺寸形状有关的参数， 所以热电动势的大小只与材料和结点温度有关，而 热电偶的内阻与其长短、粗细、形状有关。热电偶 越细，内阻越大。
采用相对廉价的补偿导线，可延长热电偶的冷端，
使之远离高温区；可节约大量贵金属；易弯曲，便 于敷设。 补偿导线在0～100C范围内的热电势与配套的热电 偶的热电势相等，所以不影响测量精度。
• 当补偿导线A’、B’与A、B连接后，测温回路的总 的热电动势仅取决于A、B、T及T0（ T0为新的自 由端、它是稳定的）而与A、A’及B、B’连接处的 温度Tn（中间温度，它是不稳定的）无关，在T0 处测得的总的热电动势与直接将热电偶延伸到T0 无异。
第二节 热电偶的种类及结构 八种国际通用热电偶： B:铂铑30—铂铑6 R:铂铑13—铂 、S:铂铑10—铂 K:镍铬—镍硅 、 E:镍铬—铜镍 N:镍铬硅—镍硅 、J:铁—铜镍 、T:铜—铜镍 用于制造铂热电偶 的各种铂热电偶丝
几种常用热电偶的测温范围及热电势 分度号 B 名称 铂铑30－铂铑6 测量温度范围 50～1820 C 1000C 热电势/ mV 4.834