热电偶传感器 2

E（T, Tn）= E（T, 30） =7.499mV E（T, 0）=E（T, 30）+E（30, 0） =7.499+0.173=7.672mV
T=830℃
三、热电偶的冷端处理和补偿
热电偶的热电势大小不仅与热端温度的有关，而且也与冷 端温度有关，只有当冷端温度恒定，通过测量热电势的大 小得到热端的温度。 热电偶的冷端处理和补偿: 当热电偶冷端处在温度波动较大的地方时，必须首先使用 补偿导线将冷端延长到一个温度稳定的地方，再考虑将冷 端处理为０℃。
=2.191+0.789 =2.980(mV) 再次查分度表，与2.980mV对应的热端温度T=70℃。
三、热电偶的冷端处理和补偿
3. 冷端补偿电桥法 利用不平衡电桥产生热电势补偿热电偶因冷端温度变化而引 起热电势的变化值。 不平衡电桥由R1、R2、R3(锰铜丝绕制)、RCu(铜丝绕制)四个 桥臂和桥路电源组成。 设计时，在0℃下使电桥平衡(R1=R2=R3=RCu)，此时Uab=0 ， 电桥对仪表读数无影响。
注意：桥臂 RCu必须和热 电偶的冷端靠 近，使处于同 一温度之下。
四、标准化热电偶
标准化热电偶：工艺上比较成熟，能批量生产、性能稳定、 应用广泛，具有统一分度表并已列入国际和国家标准文件中 的热电偶。 标准化热电偶可以互相交换，精度有一定的保证。 国际电工委员会（IEC）共推荐了8种标准化热电偶。
在热电偶回路中，冷端断开接入与A、B电极不同的另一种导 体（称为中间导体C），只要中间导体的两端温度相同，热电 偶回路总电势不受中间导体接入的影响。
二、热电偶的基本定律
用途 根据上述原理，可以在热电偶回路中接入电位计E，只要
保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，就不会影响回路
中原来的热电势，接入的方式见下图所示。
eAB(T)——导体A、B结点在温度T 时形成的接触电动势； e——单位电荷， e =1.6×10-19C； k——波尔兹曼常数， k =1.38×10-23 J/K ； NA、NB ——导体A、B在温度为T 时的电子密度。
一、热电偶测温原理
2. 温差电势
To
在同一金属材料A中，当金属材料两端的温
6.3 热电偶传感器
通过以上演示得出结论——有关热电偶热电势的讨论
将两种不同的导体A、B组合成闭合回路。若两结点处温度不同 ，则回路中将有电流流动，即回路中有热电动势存在。此电动 势的大小除了与材料本身的性质有关以外，还决定于结点处的 温差，这种现象称为热电效应。 热电偶就是根据此原理设计制作的将温差转换为电势量的热电 式传感器。
冰点槽，使相互绝缘。A
A’
C
T
B 热电偶
B’
补偿导线 试管
C’ mV
仪表 铜导线
冰点槽
T0
冰水溶液
2020年4月28日星期二
三、热电偶的冷端处理和补偿
2. 计算修正法 用普通室温计算出参比端实际温度TH，利用公式计算
EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)
例 用铜-康铜热电偶测某一温度T，参比端在室温环境TH中，测得热 电动势EAB(T,TH)=2.191mV，又用室温计测出TH=20℃,查此种热电 偶的分度表可知，EAB(20,0)=0.789mV，故得 EAB(T,0)=EAB(T,20)+EAB(20,0)
-40~600
750
Ⅱ
负
不亲磁
对分度表允许偏差（℃）
使用温度
允差
≤600
±1.5℃
＞600 ＜600 ＞1100 600~900 ＞800 -40~1300 -200~40 -40~1100 -40~1300 -40~900 -200~40 -40~350 -200~40
±0.25%t ±1.5℃ ±0.25%t ±4℃ ±0.5%t ±2.5℃或±0.75%t ±2.5℃或±1.5%t ±1.5℃或±0.4%t ±2.5℃或±0.75%t ±2.5℃或±0.75%t ±2.5℃或±1.5%t ±1℃或±0.75%t ±1℃或±1.5%t
四、标准化热电偶
2. 铂铑30-铂铑6（B型）
贵金属热电偶 热偶丝线径规定为0.5mm 正极（BP）和负极（BN）的名义化学成分均为铂铑合金，只是含 量不同，故俗称为双铂铑热电偶。 长期最高使用温度为1600℃，短期最高使用温度为1800℃。 优点：准确度高，稳定性好，测温温区宽，使用寿命长等，适用于 氧化性和惰性气氛中，也可短期用于真空中，但不适用于还原性气 氛或含有金属或非金属蒸汽中；参比端不需进行冷端补偿，因为在 0～50℃范围内热电势小于3µV。 缺点：热电率较小，灵敏度低，高温下机械强度下降，抗污染能力 差，贵金属材料昂贵。
E
T0
T0
T0
E
T1
T1
T
T
电位计接入热电偶回路
二、热电偶的基本定律
3. 标准电极定律
两种导体A和B分别与参考电极C组成热电偶，如果他们所 产生的热电势为已知，则A和B组成的热电偶产生的热电势 为：
二、热电偶的基本定律
4. 连接导体定律 在热电偶回路中，如果热电极A和B分别 与连接导体A’和B’相连，其结点温度分别 为T，Tn和T0，则回路的热电势等于热电 偶的热电势 EAB（T, Tn）与连接导体的热电势 EA’B’（Tn, T0 ）之代数和。
热电偶传感器 2
2020年4月28日星期二
实验----热电偶工作原理演示
热电极A
左端称为： 测量端（工
A
作端、热端
）
B
热电势
热电极B
右端称为 ：自由端 （参考端 、冷端）
6.3 热电偶传感器
热电效应
1821年，德国物理学家西拜克（See－back）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，指针的偏转角反而减小 （又说明什么？）。 指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。
二、热电偶的基本定律
二、热电偶的基本定律
5. 中间温度定律 当导体A和A’，导体B和B’分别相同时，
二、热电偶的基本定律
连接导体定律为工业测量温度中使用补偿导线提供了理论依据 。 选择在100℃以下与热电偶热电特性相同的补偿导线，可使热电 偶的参比端延长，使之远离热源到达一个温度相对稳定的地方 而不会影响EA测B（温T的, T准n,确T0性）。=EAB（T, Tn）+EAB（Tn, T0）
四、标准化热电偶
3. 镍铬-镍硅热电偶（K型） 使用量最大的廉价金属热电偶 正极（KP）的名义化学成分为：Ni:Cr=90:10， 负极（KN）的名义化学化学成分为Ni:Si=97:3。 其使用温度为-200～1300℃。 优点：线性度好，热电势较大，灵敏度较高，稳定性和复 现性均好，抗氧化性强，价格便宜。能用于氧化性和惰性 气氛中。 K型热电偶不能在高温下直接用于硫、还原性或还原、氧 化交替的气氛中，也不能用于真空中。
A eA(T,T0)
eAB(T0)
T
T0
3. 热电偶回路的总电势
B eB(T,T0)
由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0,
如果T＞T0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路
总电势：
NAT、NAT0——导体A在结点温度为T和T0时的电子密度； NBT、NBT0——导体B在结点温度为T和T0时的电子密度； σA 、 σB——导体A和B的汤姆逊系数。
四、标准化热电偶
4. 镍铬-铜镍热电偶（E型） 廉价金属热电偶。 正极（EP）为镍铬10合金，化学成分与KP相同 负极（EN）为铜镍合金，名义化学成分为55%的铜、 45%的镍以及少量的钴、锰、铁等元素。 该热电偶电动势之大，灵敏度之高属所有标准热电偶 之最，宜测量微小温度变化。 E型热电偶可用于湿度较大的环境里，具有稳定性好， 抗氧化性能高，价格便宜等优点。但不能在高温下用 于硫、还原性气氛中。
三、热电偶的冷端处理和补偿
冷端处理方法： （1）冰点槽法 （2）计算修正法 （3）冷端补偿电桥法
三、热电偶的冷端处理和补偿
1. 冰点槽法
把热电偶的冷端置于冰水混合物容器里，使T0=0℃。这种办
法仅限于科学实验中使用。为了避免冰水导电引起两个连接
点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一
B
T0 电势。热电势由两种材料的接
热端
冷端 触电势和单一材料的温差电势
热电偶原理图
组成。
一、热电偶测温原理
1. 接触电势
由于不同的金属材料内部的自由电子密度不同，当两种金属材料A和
B接触时，自由电子从密度大的金属材料扩散到密度小的金属材料中
去，产生自由电子的扩散现象。
A
+
-B
eAB(T )
接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。
6.3 热电偶传感器
温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最普遍的传 感元件之一。它除具有结构简单，测量范围宽、准确度高、热 惯性小，输出信号为电信号便于远传或信号转换等优点外，还 能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微型 热电偶还可用于快速及动态温度的测量。
★ 热电偶测温原理 ★ 热电偶的基本定律 ★ 热电偶的冷端处理及补偿
0~1600
1800
Ⅲ
镍铬-镍硅
正
不亲磁
K
4.096
负
稍亲磁
0~1200
Ⅱ 1300
Ⅲ
镍铬硅-镍硅
N
正
不亲磁
负
稍亲磁
2.774
Ⅰ
-200~1200
1300
Ⅱ
镍铬-康铜
正
暗绿
E
负
亮黄
6.319
Ⅱ
-200~760
850
Ⅲ
铜-康铜 铁-康铜
正
红色
Ⅱ
T
4.279
-200~350
400
负
银白色
Ⅲ
正
亲磁
J
5.269
A
Tn
A
T0
T
E
B
Tn B
T0
热电偶补偿 导线接线图
二、热电偶的基本定律
例题： 用S型热电偶测量某一温度，若参比端温度Tn=30℃，测得的热 电势E(T,Tn)=7.499mV，求测量端的实际温度T。
E（T, T0）=E（T, Tn）+E（Tn, T0） E（Tn, T0） =E（30, 0）=0.173mV
度不同时，两端电子能量不同，温度高的一
A
端电子能量大，则电子从高温端向低温端扩
散的数量多，最后达到平衡。
T
eA(T,To)
温差电势原理图
eA(T，T0)——导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势； T，T0——高低端的绝对温度；
——汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1℃时所产生的温差电动势。
eAB(T)
一、热电偶测温原理
两种不同的导体A和B组合成如图所示闭合回路，若导体A和 B的连接处温度不同（设T＞T0），则在此闭合回路中就有 电流产生，即回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应 。这种现象早在1821年首先由西拜克（See－back）发现,所 以又称西拜克效应。
A
回路中所产生的电动势，叫热
T
二、热电偶的基本定律
1. 匀质导体定律 由一种匀质导体组成的闭合回路，不论导体的截面积如何及 导体的各处温度分布如何，回路中没有电流(即不产生电动势 )。
若热电偶的热电极是非匀质导体，在不均匀温度场中测温时 将造成测量误差。 热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的指标之一
二、热电偶的基本定律
2. 中间导体定律
四、标准化热电偶
表 标准化热电偶技术数据
热电偶名称 铂铑10-铂
分度 号 新
S
热电极识别
极 性
识别
正
亮白较硬
负
亮白柔软
E（100,0 ）
（mV）
0.646
测温范围（℃）
长期
短期
等 级
0~1300
百度文库1600
Ⅲ
铂铑13-铂
正
较硬
R
负
柔软
0.647
0~1300
1600
Ⅱ
正
较硬
铂铑30-铂铑
B
负
稍软
0.033
一、热电偶测温原理
热电势存在必须具备两个条件： （1）两种不同的金属材料组成热电偶 （2）其两端存在温差
热电偶的热电势，等于两端温度分别为T 和零度以及T0和零度 的热电势之差。
一、热电偶测温原理
结论：
1.热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热 电偶的长度、粗细无关。
2.只有用不同性质的导体才能组合成热电偶；相同材料不会产生热 电势，因为当A、B两种导体是同一种材料时，ln(NA/NB)=0，也即 EAB(T，T0)=0。 3.只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材料不同时才能有热 电势产生。 4.导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。如 果使EAB(T0)=常数，则回路热电势EAB(T，T0)就只与温度T有关， 而且是T的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。
-40~750
±2.5℃或±0.75%t
四、标准化热电偶
1. 铂铑10-铂热电偶（S型）
贵金属热电偶 电极线径规定为0.5mm，正极（SP）名义化学成分为铂铑合金 ；负极（SN）为纯铂，故俗称为单铂铑热电偶 长期最高使用温度为1300℃，短期最高使用温度为1600℃ 优点：准确度高，稳定性好，测温温区和使用寿命长，物理化 学性能良好，在高温下抗氧化性能好，适用于氧化和惰性气氛 中。 缺点：热电率较小，灵敏度低，高温下机械强度下降，对污染 敏感，贵金属材料昂贵，因此一次性投资较大。