第八章 热电式传感器

动势，叫热电势。
热电势由两部分组
热端
冷端
成，即温差电势和
接触电势。
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1. 接触电势
A
+
-B
eAB (T )

kT e
ln
NA NB
eAB(T)
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。
方法 冰点槽法 计算修正法 补正系数法 零点迁移法 冷端补偿器法 软件处理法
四、冷端处理及补偿
1. 冰点槽法
把热电偶的参比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，浸入同一冰点槽，使
EAB（T, T0）= EAC（T, T0）+ ECB（T, T0）
用途：纯金属很多，合金更多，如果要得出它们之间的热电动势很困难。铂的物理化学性质稳定， 熔点高、易提纯。通常选用高纯铂丝作为标准电极。
4 连接导体定律与中间温度定律
在热电偶回路中，若导体A、B分别于连接导线A’ 、B’相接，接点温度 分别为T、Tn、T0，
交流接 触器
热电偶输出端
三相
电炉
空气开关
接零
接大地铜排 黄 L1 绿L2 L3 红
380V线圈的 “3”端接何处
交流接触器 连接过程
热电偶
当温
度控制器 测得的温 度达到设 定值时， 5-6两端开 路，交流 接触器失 电，电炉 回路被切 断。
接零
电炉
接大地铜排 黄 L1 绿L2 L3 红
常用热电偶的结构类型 1．工业用热电偶
1 2 34 5 7 6 8 9 10 11
快速消耗微型
1—刚帽； 2—石英； 3—纸环； 4—绝热泥；5—冷端； 6—棉花； 7—绝缘纸管； 8—补偿导线；9—套管； 10—塑料插座； 11—簧片与引出线
四、冷端处理及补偿
原因 热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输出 热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定； 热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0℃为依据，否则会产 生误差。
陶瓷片、玻璃及酚醛塑料纸等； 测温范围在300℃以下；反应时间 仅为几ms。
4
1
2
3
快速反应薄膜热电偶
1—热电极; 2—热接点; 3—绝缘基板; 4—引出线
4．快速消耗微型热电偶
下图为一种测量钢水温度的热电偶。它是用直径为Φ0.05～ 0.lmm的铂铑10一铂铑30热电偶装在U型石英管中，再铸以高温绝 缘水泥，外面再用保护钢帽所组成。这种热电偶使用一次就焚化 ，但它的优点是热惯性小，只要注意它的动态标定，测量精度可 达土5～7℃。
下图为典型工业用热电偶结构示意图。它由热电偶 丝、绝缘套管、保护套管以及接线盒等部分组成。实验 室用时，也可不装保护套管，以减小热惯性。
1 23
4
工业热电偶结构示意图
1－接线盒；2－保险套管3―绝缘套管4―热电偶丝
2．铠装式热电偶（又称套管式热电偶）
断面如图所示。它是由热电偶丝、绝缘材料，金属套管三者
Tn
A
A’
T
Tn B
T0 B’
E ABB 'A'(T ,Tn ,T0 ) E AB(T ,Tn ) E A'B '(Tn ,T0 )
当导体A与A’，B与B’材料分别相同时（中间温度定律）
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E AB(T ,Tn ,T0 ) E AB(T ,Tn ) E AB(Tn ,T0 )
如果不同的两种导体材料组成热电偶回路,其接点温度分别为T1、T2(如图 所示)时,则其热电势为EAB(T1, T2)；当接点温度为T2、T3时，其热电势为 EAB(T2, T3)；当接点温度为T1、T3时，其热电势为EAB(T1, T3)，则
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拉细组合而成一体。又由于它的热端形状不同，可分为四种型式
如图。
1
优点是小型化（直径从
2
12mm到0.25mm）、寿命、
3
热惯性小，使用方便。
测 温 范 围 在 1100℃ 以 下
的有：镍铬—镍硅、镍
(a) (b) (c) (d)
铬—考铜铠装式热电偶。
图3.2-12 铠装式热电偶断面结构示意图 1— 金属套管; 2—绝缘材料; 3—热电极 (a)—碰底型; (b)—不碰底型; (c)—露头型; (d)—帽型
3. 回路总电势
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：
E AB (T ,T0 ) eAB (T ) eAB (T0 ) eA (T ,T0 ) eB (T ,T0 )

kT e
ln
N AT N BT
A
T1
T0
B
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。
E
T0
T0
T
T0
E
T1
T1 T
3 标准电极定律
如果任意两种导体材料的热电势是已知的，它们的冷端和热端的温度 又分别相等，如图所示，它们相互间热电势的关系为：
A
T2
A’ T0
T1
E
热电偶补偿 导线接线图
B
T2
B’
T0
三、热电偶的常用材料与结构
热电偶材料应满足： 物理性能稳定，热电特性不随时间改变； 化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐 蚀； 热电势高，导电率高，且电阻温度系数小； 便于制造； 复现性好，便于成批生产。
请将 右图各有 关设备正 确地连接 起来，组 成热电偶 测温、控 温电路。
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第二部分：第八章 热电式传感器
从实验到理论：热电效应
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）
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。
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（或半导体）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或西拜克效应。 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。 热电效应产生的热电势是由接触电势和温差电势两部分组成的。
说明：当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A、B同样热电特性
的材料A′、B′(如图)即引入所谓补偿导线时，当EAA΄(T2)=EBB΄(T2)，则回
路总电动势为
EAB=EAB(T1)–EAB(T0)
只要T1、T0不变，接入AˊBˊ后不管接点温度T2如何变化，都不影响总热 电势。这便是引入补偿导线原理。
EAB (T ,T0 ) eAB (T ) eAB (T0 ) eAB (T ) eBA (T0 )
由于NA、NB是温度的单值函数 EAB(T,T0)=EAB(T )-EAB(T0 )=f(T )-C=g(T )
在工程应用中，常用实验的方法得出温度与热电势的关系并做成表格，以供备 查。由公式可得：
EAB(T1,T2)=EAB(T1)-EAB（T2） 同理，图b中C、A接点2与C、B的接点3，同处于温度T0之中，此
回路的电势也为：
EAB（T1, T2）=EAB（T1）-EAB（T0）
A2
C 3A
(a) T2 a
第三种材料
T0 EAB a
T0 B
T1
接入热电偶
T0
回路图
(b) T2
C
2 3
EAB
相互绝缘。
A
A’
C
T
B 热电偶
B’
补偿导线 试管
C’
铜 导
仪 mV 表
线
冰点槽
T0
冰水溶液
2. 计算修正法
用普通室温计算出参比端E实AB际(T温,T度0)=TEHA，B(利T,T用H)公+E式A计B(T算H,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)=1.999mV，又用室温计测出TH=21℃,查 此种热电偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.832mV，故得
接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。
2. 温差电势
To A
eA(T,To)
T 温差电势原理图
eA (T ,T0 )
T T0

A
dT
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；
σA——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，例如在0℃时，铜的σ =2μV/℃。
kT 0 e
ln
N AT 0 N BT 0

T T0
(
A


B
)dT
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。
由于温度不能显著地改变自由电子浓度，所以，温差电势极小，可以忽略
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2. 中间导体定律
A T
T0 C
B
T0
EABC (T ,T0 ) eAB (T ) eBC (T0 ) eCA (T0 )
T T0
(
A

B
)dT
EABC (T0 ,T0 ) eAB (T0 ) eBC (T0 ) eCA (T0 )
T0 T0
EAB(T, T0)= EAB(T)-EAB(T0) = EAB(T)-EAB(0)-[EAB(T0)-EAB(0)] = EAB(T，0)-EAB(T0，0) 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。
结论(4点)：
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。
( A
B )dT

0
EABC (T ,T0 ) eAB (T ) eAB (T0 )
T T0
(
A

B
)dT
EAB (T ,T0 )
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两点结论： l）将第三种材料C接入由A、B组成的热电偶回路，如图，则图a
中的A、C接点2与C、A的接点3，均处于相同温度T0之中，此回路 的总电势不变，即
EAB（T1, T3）=EAB（T1, T2）+EAB（T2, T3）
A
A
T1
B
T2
B
A
B
T3
用途：制定热电式分度表奠定理论基础，参考温度0度
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对于冷端温度不是零度时，热电偶如何分度表的问题提供了依据。如当 T2=0℃时，则：
EAB（T1,T3）=EAB（T1, 0）+EA B（0, T3） =EAB（T1, 0）-EAB（T3, 0）=EAB（T1）-EAB（T3）
8-1 热电偶温度传感器
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。
★热电偶的工作原理 ★热电偶回路的性质 ★热电偶的常用材料与结构 ★冷端处理及补偿
8.1.2、热电偶回路的性质
对于有几种不同材料串联组成的闭合回路，接点温度分别为T1、 T2 、 …、Tn ，冷端温度为零度的热电势。其热电势为
E= EAB（T1）+ EBC（T2）+…+ENA（Tn）
1. 均质导体定律
由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体是否存在 温度梯度，回路中没有电流(即不产生电动势)；反之， 如果有电流流动，此材料则一定是非均质的，即热电偶 必须采用两种不同材料作为电极。（用途）
2.只有用不同性质的导体(或半导体)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。
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3．快速反应薄膜热电偶
用真空蒸镀等方法使两种热电极材料蒸镀到绝缘板上而形成薄膜 装热电偶。如图，其热接点极薄(0.01～0.lμm)
因此，特别适用于对壁面温度的 快速测量。安装时,用粘结剂将它
粘结在被测物体壁面上。目前我 国试制的有铁—镍、铁—康铜和 铜—康铜三种,尺寸为 60×6×0.2mm;绝缘基板用云母、
都是
8.1.1 热电偶的工作原理
两种不同的导体或半导体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，也就是说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。
回路中所产生的电