第九章 热电偶传感器

• 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。
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）。
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。
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）
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
A
＋
自由 电子
eAB（ T ）
ห้องสมุดไป่ตู้
T
B
该电势为 EAB T
kT nA ln e nB
nA nB
EAB T
T kT ln nB EBA
e
nA
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。
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 。
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。
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。
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。
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。
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。
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？） 。
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
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)
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
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。
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。