第七章 热电偶传感器

第七章 热电偶传感器

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介绍：介绍： 热电偶属电量传感器热电偶属电量传感器 (( 将非电量将非电量

转换为电量转换为电量 T——mV) T——mV) ，有源传感器。，有源传感器。一一 .. 热电偶测温的基本原理 1 、热电效应：将两种不同的导体或半将两种不同的导体或半

导体连接成闭合回路导体连接成闭合回路 ,, 如果将两个接点如果将两个接点分别置于温度各为分别置于温度各为 TT 及及 TTO O （（ T>TT>TOO）的）的热源中，则在该回路内就会产生热电动热源中，则在该回路内就会产生热电动势（接触电势和温差电势）。势（接触电势和温差电势）。

t0t

热端 冷端

T>TT>TOO

2 、接触热电势

BT

AT

BT

AT

NN

eKT

AB

NN

eKT

AB

TE

TE

ln)(

ln)(

00

A B

由于两种材料电子密度不同（如 NA>NB），其电子在两个方向上的扩散速度就不同，在 A、 B的接触面上便形成了一个从 A到 B的静电场 E。 静电场 E的大小取决于 A、 B的性质（电子密度）及接触点的温度，而与其形状尺寸无关。 热端从 A扩散到 B的电子数目多，冷端少。因此：

NA>NB

ee

t0t

)(TEAB )( 0TEAB

E

)(TEAB )( 0TEAB>

T

T ANTTA tNde

KE

A0

0)(1

),(

0TT

3 、 温差电动势

温差电动势是在同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势 .高温侧电子受热能运动加剧失去电子而带正电 ,低温侧得到电子带负电，形成一个从高温侧到低温侧的静电场。

E

),( 0TTEA

),( 0TTEB

44 、回路总电势：、回路总电势：

),()(),()(),( 0000 TTETETTETETTE AABBABAB

)( 0TEAB)(TEAB

),( 0TTEA

),( 0TTEB

AA

BB

CTfTTEAB )(),( 0固定 T0 后有：

由于接触电势远大于温差电势，由于接触电势远大于温差电势，忽略温差电势后有：忽略温差电势后有：

)()(),( 00 TETETTE ABABAB

55 、结论：回路总电势与、结论：回路总电势与 NNA A 、、 NNBB 和和 TT 、、 TTOO 有关，当有关，当材料一定时， 成为材料一定时， 成为 TT 、、 TTOO 的函数。的函数。),( 0TTEAB

回路总电势为回路总电势为 TT 的单值函数。的单值函数。

二二 . . 热电偶的几点结论热电偶的几点结论：：

11 、若组成热电偶回路的两种导体相同（均质、若组成热电偶回路的两种导体相同（均质导体）导体） ,, 则无论两接点温度如何则无论两接点温度如何 ,, 热电偶回热电偶回路内的总电动势为零。路内的总电动势为零。

22 、如热电偶两接点温度相同、如热电偶两接点温度相同 ,, 即即 T=T0,T=T0, 尽管尽管导体导体 AA 、、 BB 的材料不同，热电偶回路内的总的材料不同，热电偶回路内的总热电动势为零。热电动势为零。

33 、热电偶、热电偶 ABAB 的热电动势与的热电动势与 AA 、、 BB 材料的中材料的中间温度无关，只与接触点温度有关。间温度无关，只与接触点温度有关。

000)()(),( 00 TETETTE AAAAAA

A

0)()(),( TETETTE ABABAB

三、热电偶的重要定律：1. 中间温度定律：

1t2t 3t

1t 3t

),(),(),( 322131 ttEttEttE ABABAB

热电偶 AB在接点温度为 T1、 T3 时的热电动势，等于热电偶在接点温度为 T1、 T2 和 T2、 T3 时的热电动势总和。

),()()(

)()()()(),(),(

3131

32213221

ttEtEtE

tEtEtEtEttEttE

ABABAB

ABABABABABAB

AA

BB

1t

2t

2. 中间导体定律 : 在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要这第三种材料的导体两端温度相同，第三种材料导线的引入不会影响热电偶的热电动势，这一性质称为中间温度定律。

AA

BB CC

mVAA

BB

tt11

tt22

tt22

)()()()()(

)()()()()(

)()()(),(

21221

22221

22121

tEtEtEtEtE

tEtEtEtEtE

tEtEtEttE

ABABBAAB

ACCBAB

CABCABAB

CC

3. 标准电极定律 : 当温度为 T1 、 T2 时，用导体 A、 B组成的热电偶的热电动势等于 AC热电偶和 CB 热电偶的热电动势的代数和。 EAB（ T1,T2） =EAC（ T1,T2 ） +ECB（ T1,T2）

导体 C称为标准电极（一般由铂组成），故把这一性质称为标准电极定律。

T1 T1 T1

T2 T2 T2

A AB BC C

EAB（ T1,T2） =EAC（ T1,T2 ） -EBC（ T1,T2）

解：解：

例例

EAB （ T1,T2 ） ＝ 2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV

T1 T1

T2 T2 T2

A AB BC C

100℃100℃ 100℃100℃ 100℃100℃

镍铬合金镍铬合金 考铜考铜

2.95mV2.95mV 4.0mV4.0mV

镍铬镍铬 考铜考铜纯铂纯铂

求：镍铬和考铜热电偶的热电动势求：镍铬和考铜热电偶的热电动势

EAB（ T1,T2） =EAC（ T1,T2 ） － EBC（ T1,T2）

从从 19881988 年年 11 月月 11 日起，我国热电偶和热电日起，我国热电偶和热电阻的生产全部按国际电工委员会（阻的生产全部按国际电工委员会（ IECIEC ））的标准，并指定的标准，并指定 SS 、、 BB 、、 EE 、、 KK 、、 RR 、、JJ 、、 TT 七种标准化热电偶为我国统一设计七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。但其中的型热电偶。但其中的 RR 型（铂铑型（铂铑 1313-- 铂）铂）热电偶，因其温度范围与热电偶，因其温度范围与 SS 型（铂铑型（铂铑 1010-- 铂铂）重合）重合 ,, 我国没有生产和使用。我国没有生产和使用。

四、热电偶的种类四、热电偶的种类1. 1. 标准型热电偶标准型热电偶

热电偶类别热电偶类别 代号代号 分度号分度号 测温测温范围范围 允许误差允许误差

铂铑铂铑 3030-- 铂铑铂铑66

WRWRRR

LL-2LL-2或或 BB

00 ～～ 1801800℃0℃

≤≤800℃800℃，， ±4.0±4.0

℃℃>800℃>800℃

±0.5%t±0.5%t

铂铑铂铑 10-10- 铂铂 WRWRPP

LB-3LB-3或或 SS

00 ～～ 1601600℃0℃

≤≤600℃600℃，， ±3.0±3.0

℃℃>600℃>600℃

±0.5%t±0.5%t

镍铬镍铬 -- 镍硅镍硅 WRWRNN

EU-2EU-2或或 KK

00 ～～ 1301300℃0℃

≤≤400℃400℃，， ±3.0±3.0

℃℃>400℃>400℃

±0.75%t±0.75%t

镍铬镍铬 -- 考铜考铜镍铬镍铬 -- 铜镍铜镍

WRWRKK

WRWRE E

EA-2EA-2或或 EE

00 ～～ 800800℃℃

00 ～～ 1001000℃ 0℃

≤≤300℃300℃，， ±3.0±3.0

℃℃>300℃>300℃

±1.0%t±1.0%t

几种常用热电偶的测温范围及精确度几种常用热电偶的测温范围及精确度

铂铑铂（铂铑铂（ S/RS/R ））

温度范围最广，温度范围最广， 30030000CC 以以上精度最高上精度最高

铜康铜（铜康铜（ TT ））

在在 -160-160 ～～ 25025000CC 精度最高精度最高

镍铬镍硅镍铬镍硅 // 铝（铝（ KK ））

在廉金属中上限温度最高在廉金属中上限温度最高

五、常用热电偶

10/1310/13

分度号分度号

1 1 普通工业用装配式热电偶普通工业用装配式热电偶

工业用装配式热电偶结构示意图工业用装配式热电偶结构示意图

接线盒接线盒 保险套管保险套管 绝缘套管绝缘套管 热电偶丝热电偶丝

(a)(a) 接壳式接壳式 (b)(b) 绝缘式绝缘式

11

33

22

22 ．铠装（或套管式）热电偶的结构．铠装（或套管式）热电偶的结构由热电偶丝、绝缘材料，金属套管三者拉由热电偶丝、绝缘材料，金属套管三者拉细组合而成一体。又由于它的热端形状不细组合而成一体。又由于它的热端形状不同，可分为四种型式如图。同，可分为四种型式如图。

铠装热电偶断面结构示意铠装热电偶断面结构示意图图1— 1— 金属套管金属套管 ; 2—; 2— 绝缘绝缘材料材料 ; 3—; 3— 热电极 热电极

接壳式与绝缘式热电接壳式与绝缘式热电偶断面结构示意图偶断面结构示意图

优点：测温端热容量小，动态响应快；机械优点：测温端热容量小，动态响应快；机械

强度高，挠性好，可安装在结构复杂的装置上。 强度高，挠性好，可安装在结构复杂的装置上。

接线盒 固定装置

B-B金属导管 绝缘材料

热电极A放大

A

B B

33 ．快速反应薄膜热电偶．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。其热接到绝缘板上而形成薄膜装热电偶。其热接点极薄点极薄 (0.01(0.01 ～～ 0.lμm) 0.lμm) ．． 44

11

22 33快速反应薄膜热电偶快速反应薄膜热电偶

1—1— 热电极热电极 ; 2—; 2— 热接点热接点 ;;

3—3— 绝缘基板绝缘基板 ; 4—; 4— 引出引出线线

特别适用于对特别适用于对壁面温度壁面温度的快的快速测量。安装时速测量。安装时 ,, 用粘结剂用粘结剂将它粘结在被测物体壁面上将它粘结在被测物体壁面上。尺寸为 。尺寸为 60×6×0.2mm60×6×0.2mm; ; 测温范围在测温范围在 300℃300℃ 以下；反以下；反应时间仅为几应时间仅为几 msms 。 。

热电偶热电偶铜铜――康热电偶分度（自由端温度康热电偶分度（自由端温度 0℃0℃ ） ）

mVmV

AA

BBTT

铜导线铜导线

铜导线

铜导线

试试管管

热电偶热电偶

冰点槽冰点槽

冰水溶液冰水溶液

TT00

仪表仪表

冰点槽法冰点槽法

1 、 提供冷端

六、 热电偶的冷端补偿方法 六、 热电偶的冷端补偿方法

22 、（冷端恒温法）、（冷端恒温法） 当冷端不为 时但稳定时，查表补偿C00

)()()()(

),(),(),(

01

0101

tEtEtEtE

ttEttEttE

ABnABnABAB

nABnABAB

例如： E 型实际温度 300 度 ,环境温度 30 度时 ,问仪表显示的温度值是多少 ?

mvttEAB 033.21),( 01

当冷端 为 仪表显示 ? C030nt查： mvttEAB 801.1),( 030

则： mvttE nAB 232.19801.1033.21),( 1

Ctb0280

)()(),( 0101 tEtEttE ABABAB )()(),( 101 nABABAB tEtEttE

n增大时电势减小

当冷端不为 时但稳定时，查表补偿C00

),(),(),( 0101 ttEttEttE nABnABAB

mvttE nAB 232.19),( 0

当冷端 为 仪表显示 280 度

C030nt

查：查： mvttEAB 801.1),( 030

则： mvttEAB 033.21801.1232.19),( 01

Ct 01 300 实际温度查表实际温度查表

查表查表

例如： E 型显示温度 280 度 ,环境温度 30 度时 ,问测温端实际的温度值是多少 ?

mVmV

AA

BBTT

铜导线铜导线

铜导线

铜导线

试试管管

补偿导线补偿导线

热电偶热电偶

冰点槽冰点槽

冰水溶液冰水溶液

TT00

仪表仪表

补偿导线补偿导线

冰点槽法冰点槽法

1 、 提供冷端

六、 热电偶的冷端补偿方法 六、 热电偶的冷端补偿方法

3 、冷端变化时，加补偿导线（用（用廉金属替廉金属替代贵金属，将冷端延长到控制室代贵金属，将冷端延长到控制室））

)()(),( 0101 tEtEttE ABABAB

A

B1t

2t

2t

0t

0t

'A

'B

不论 如何变化，只要 不变不论 如何变化，只要 不变

则 即不变则 即不变

2t 01, tt

),( 01 ttEAB

但两种材料的热电特性一定要相同但两种材料的热电特性一定要相同

电桥补偿（又称冷端补偿器）法电桥补偿（又称冷端补偿器）法

补偿电桥补偿电桥

TT00

II22II11

++

EE

RRSS

RRcucu RR33

RR11RR22

－－

AA

TT

TT00

BB

回路输出电压为回路输出电压为 : : UU== E E （（ TT ，， TT00 ）） +(+(UUTT －－ UU33))

只要能满足下式即可只要能满足下式即可达到自动补偿的目的 达到自动补偿的目的

TRIUE TT 1

UU

作业作业

11 、试比较热电阻、热敏电阻、热电偶、试比较热电阻、热敏电阻、热电偶三种测温传感器的特点及其对测温电路三种测温传感器的特点及其对测温电路的要求。的要求。

22 、如粮仓测温（每、如粮仓测温（每 0.50.5 米装一个温度米装一个温度传感器，共须传感器，共须 2020 个），选择何种温度传个），选择何种温度传感器？感器？

补充： 集成温度传感器：集成温度传感器： 8080 年代出，线性好，灵敏，精度适中年代出，线性好，灵敏，精度适中 电流型： 电流型： 11μμA/0K A/0K ；电压型： ；电压型： 11μμV/0KV/0K LM134LM134 ： 电流型 ： 电流型 11μμA/0K -55A/0K -55 ～～ 1250C1250C

集成温度传感器用于集成温度传感器用于冷端补偿电路

。