1、电气测试技术 电气测试技术（第电气测试技术（第4版）版）万频 林德杰 李学聪电气测试技术 3.5 热电偶传感器热电偶传感器 3.5.1 热电偶的测温原理 3.5.2 有关热电偶回路的几点结论 3.5.3 热电偶冷端温度补偿 3.5.4 常用热电偶及其特性 3.5.6 热电偶测温应用实例电气测试技术 热电偶传感器热电偶传感器 热电偶传感器简称热电偶。热电偶能满足温度测量的各种要求，具有结构简单，精度高，范围宽（-2692800），响应较快，具有较好的稳定性和复现性，因此在测温领域中应用广泛。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、
2、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。电气测试技术 3.5.1 热电偶的测温原理图3-71 热电偶工作原理 把两种不同的导体（或半导体）接成图3-71的闭合电路，把它们的两个接点分别置于温度为 及 （）的热源中，则在回路中将产生一个电动势，称为热电动势，或塞贝克电动势。这种现象称为热电效应或叫塞贝克效应。图3-71中的两种导体叫热电极，两个接点，一个称为工作端或热端（），另一个称为自由端或冷端。由这两种导体组成并将温度转换成热电动势的传感器称为热电偶。0tt 0ttt电气测试技术 赛贝克
3、效应 这种现象早在1821年首先由赛贝克（Seeback）发现,所以又称赛贝克效应。热电动势由两种导体接触电动势（或称珀尔帖电动势）和单一导体的温差电动势（汤姆逊电动势）组成。热电动势的大小与两种导体的材料及接点的温度有关。热电偶原理图TT0AB热端冷端电气测试技术 3.5.1.1 接触电动势图3-72 接触电动势的建立 在图3-71中，温度为 的接点，由于A、B两种导体的电子密度不同（设 ），在接触面上由A导体扩散到B导体的电子数量将比由B导体扩散到A导体的电子数量多。导体A因失去电子而带正电荷，导体B因得到多余的电子而带负电荷。因此在A、B导体的接触面上建立一个电场 ，见图3-72。在该电
4、场作用下，一方面阻止继续由A导体扩散到B导体，另一方面加速电子由B导体扩散到A导体。当达到动态平衡时，在A、B导体的接触面上便建立了接触电动势，其值用 表示。BANNt)(tEAB)(tEAB电气测试技术 3.5.1.2 温差电动势 温差电动势是在同一根导体中由于两端温度不同（设 ）而产生的电动势。在同一导体A中，由于高温端向低温端扩散的电子数量比由低温端向高温端扩散的电子数量多。高温端因失去电子而带正电荷，而低温端由于得到多余的电子而负电荷。因此，在导体中建立一个静电场，见图3-73。在该电场作用下，一方面阻止电子继续由高温端向低温端扩散，另一方面加速电子由低温端向高温端扩散。当达到动态平衡
5、时，在导体A的高低温端便建立了温差电动势。0tt 图3-73 温差电动势的建立电气测试技术 3.5.1.3 热电偶回路的热电动势 由上述可知，图3-71的热电偶回路有四个热电动势；两个接触电动势 、和两个温差电动 势 、，热电动势的等效电路见图3-74。四个电动势中，由于 ，的量值最大，以 的方向为正，则回路热电动势为：)(tEAB)(0tEAB),(0ttEA),(0ttEB0tt)(tEAB)(tEAB),()(),()(),(0000ttEtEttEtEttEAABBABAB图3-74 热电动势等效电路电气测试技术 由于温差电动势很小，而且 与 的极性相反，两者互相抵消，可忽略不计。因此
6、，热电偶回路的热电动势为：由上式可见，热电偶回路的热电动势 与热点偶电极材料的电子密度 、和两接点的温度 、有关。当电极材料一定时，热电偶回路的热电动势 成为温度 和 的函数之差，即 若保持冷端温度 恒定，常数，则上式可写成：由上式可见，热电偶回路的热电动势 与热端温度具有单值函数关系。此即为热电偶测温的工作原理。),(0ttEB),(0ttEA)()(),(00tEtEttEABABAB),(0ttEABANBNt0t),(0ttEABt0t)()(),(00tftfttEAB)()(),(0tctfttEAB0t ctf)(0),(0ttEABt电气测试技术 热电偶分度表 由于电极材料的电
7、子密度与温度有关，温度变化，电子密度并非常数，因此式（3-91）的单值函数关系很难用计算方法准确得到，而是通过实验方法获得。规定在 （273.15K），将测得的 与 的对应关系制成表格，称为各种热电偶的分度表。热电动势 中，下标A、B表示热电极，规定写在前面的热电极A为正极，写在后面的热电极B为负极，表示测量温度，表示冷端温度。若符号有变化，而其相应的位置的规定含义不变，因此有：00t0T),(0ttEABt),(0ttEABt0t),(),(),(000ttEttEttEABBAAB电气测试技术 3.5.2 有关热电偶回路的几点结论1.热电偶回路的热电动势仅与热电偶电极的热电性质及两端温度有
8、关，而与热电极的几何尺寸（长短、粗细）无关。由于这一结论，使用中烧断的热电偶可重新焊接，经过校验合格后，再用于测温。2.若组成热电偶的两电极的材料相同，即A=B，则无论两接点的温度如何，热电偶回路的热电动势总是等于零，即：3.若热电偶两接点的温度相同，即 ，则尽管热电极材料A、B不同，热电偶回路的热电动势总是等于零。即：BANN0),(),(),(000ttEttEttEBBAAAB0tt 0),(),(),(000ttEttEttEABABAB电气测试技术 4.热电偶回路的热电动势 仅与两端温度t和t0有关，而与热电偶中间温度无关。5.在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要第三种材料导体两
9、端的温度相同，第三种导体的接入不会影响热电偶回路的热电动势。6.当两接点的温度为t和t0时，利用A、B导体组成的热电偶的热电动势等于A、C导体组成的热电偶和C、B导体组成的热电偶的热电动势的代数和，即：这一结论称为标准热电极定律。上式中导体C称为标准热电极。金属铂常用作标准热电极。),(0ttEAB),(),(),(000ttEttEttECBACAB电气测试技术 3.5.3 热电偶冷端温度补偿 热电偶的冷端温度必须保持恒定，热电偶的热电动势才与被测温度具有单值函数关系。由于热电偶的分度表和显示仪表是在热电偶冷端温度t=0刻度的，利用热电偶测温时，若其冷端温度t0，必须对仪表示值进行修正，否则
10、会引起较大误差。因此，热电偶的冷端必须妥善处理。3.5.3.1 冷端温度修正法3.5.3.2 补偿导线法3.5.3.3 冷端恒温法3.5.3.4 补偿电桥法电气测试技术 3.5.3.1 冷端温度修正法 由于热电偶的分度表和与之配套的显示仪表是在t=0时刻度的，若显示仪表内部没有冷端温度自动补偿器和冷端温度t0 时，必须对仪表的示值进行修正，否则会引起较大误差。修正公式为：式中，为修正值，它是冷端t0时对0的热电动势。)0,(),()0,(00tEttEtEABABAB)0,(0tEAB电气测试技术 3.5.3.2 补偿导线法 热电偶的电极材料大多数是贵金属合金，不可能做得很长，若用户不提出要求
11、，最常用的长度是350mm。使用时，其冷端接近被测温度场，并暴露于空气中，受环境温度的影响，其冷端温度是不可能稳定的。因此，必须设法将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场合，就得利用补偿导线法。表表3-1 常用热电偶补偿导线的特性常用热电偶补偿导线的特性配用热电偶正负补偿导线正负导线外皮颜色补偿温度范围/电动势/mV热电动势/mV正负铂铑10铂铜铜镍红绿01500.6430.0231.0250.0240.055镍铬镍硅铝铜锰白铜(铁锰白铜)红蓝20100(20150)4.100.156.130.20镍铬锰白铜镍铬锰白铜红黄6.950.3010.690.38铜锰白铜铜锰白铜红蓝4.100.156.13
12、0.20钨铼5钨铼铜铜镍红蓝01001.3370.045铂铑30铂铑6铜铜01500.0340.092电气测试技术 补偿导线是指在一定温度范围内（0100），其热电特性与其所连接的热电偶的热电特性相同或相近的一种廉价的导线。其作用是利用廉价、线径较粗的补偿导线作为贵金属热电偶的延伸线，以节约贵金属，将热电偶的冷端延伸至远离被测温度场而且温度较恒定的场合，便于冷端温度的修正和减小测量误差。使用补偿导线时必须注意：a)热电偶的补偿导线只能与相应型号的热电偶配合使用，且必须同极性连接，见表3-1，否则会引起较大的误差。b)热电偶与补偿导线连接处的温度不应超过100，否则由于热电特性不同带来新的误差。
13、c)只有新延伸的冷端温度恒定或所配显示仪表内具有冷端温度自动补偿器时，使用补偿导线才有意义。电气测试技术 3.5.3.3 冷端恒温法冷端恒温法 利用补偿导线将热电偶的冷端延伸到温度恒定的地方。),(0ttEAB图中A、B为热电偶，C、D为其补偿导线。E、F为铜连接线，P为显示仪表，K为恒温槽或冰点槽，用以保持热电偶冷端温度稳定在t0。热电偶测量温度为t，当测出热电动势 数值后，可以根据t0的大小加以修正。必须注意测量时保证接点3、4（冷端）真正恒温外，还得保证1、2点温度一致，且其温度tn不得超过补偿导线规定的使用温度。图3-79 冷端恒定法电气测试技术 3.5.3.4 补偿电桥法图3-80
14、补偿电桥法原理线路（1）由于电桥是在20时平衡的，采用这种补偿电桥时需把显示仪表的机械零点调整到20。（2）冷端补偿器只能与相应型号的热电偶配合使用，不能配错冷端补偿器型号，否则会引起较大误差。（3）不能接错冷端补偿器的极性，否则不但起不到补偿作用，而且会引起更大误差。（4）有一些显示仪表（例如自动电子电位差计、DDZ-II和DDZ-III温度变送器等）内部已含有冷端补偿器。使用补偿电桥时必须注意：使用补偿电桥时必须注意：电气测试技术 3.5.4 常用热电偶及其特性 标准化热电偶是国家标准规定了其电动势与温度的关系和允许误差，并有统一的标准分度表的热电偶。1.铂铑铂铑10铂热电偶（铂热电偶（S
15、）由直径为（0.50.020）的纯铂丝（负极）和相同直径的由含质量分数90的铂和10的铑制成的合金丝（正极）组成，其分度号为S。2.镍铬镍硅热电偶（镍铬镍硅热电偶（K）这种热电偶由镍铬、镍硅制成，分度号用K表示。镍铬为正极，镍硅为负极。由于K型热电偶化学性能稳定，复制性好，热电动势大，线性好，价格便宜，可在1000以下长期使用，短期测量可达1200，是工业生产中最常用的一种热电偶。电气测试技术 3.镍铬镍铬锰白铜（原称考铜）热电偶（锰白铜（原称考铜）热电偶（E）其分度号用E表示。镍铬为正极，锰白铜（原称考铜）为负极。适用于还原性和中性介质，长期使用温度不可超过600，短期测量可达800。E热电
16、偶特点是热电特性的线性好，灵敏度高，价格便宜；缺点是锰白铜（原称考铜）易受氧化而变质，测温范围低而且窄。4.铂铑铂铑铂铑热电偶（铂铑热电偶（B）其分度号为B，简称为双铂铑热电偶。是一种贵金属热电偶。其正极含质量分数（下同）为30%的铑，负极含6%的铑。B热电偶的特点是抗污染能力强，性能稳定，精度高，因室温情况下热电动势 ，。故使用时不必进行冷端温度校正与补偿。缺点是热电动势小，价格昂贵。V2)0,25(EV3)0,50(E电气测试技术 3.5.5 热电偶常用测温电路 工业用热电偶测温电路工业用热电偶测温电路 测量电路见图3-81，图a为与动圈表及带冷端补偿器配套使用的电路；图b为与电位差计配套
17、使用的电路。图中t0为热电偶冷端温度；C、D为A、B热电偶的补偿导线；其余连接导线均为铜导线，使用时应保证各接点接触良好。图3-81 工业用热电偶测温电路电气测试技术 多点测温电路多点测温电路 当有几支（或更多的）同型号热电偶共用一台仪表时，为节省补偿导线和不用特制的大恒温槽，可用补偿热电偶方法，其电路见3-82。图3-82 多点测温电路电气测试技术 温差测量电路温差测量电路 见图3-83，用两支相同的热电偶，同极性相连，其输出电动势为两支热电偶电动势之差E，E的大小反映了两个测温点（t1，t2）温差的大小。图3-83 温差测量电路),(),(),(210201ttEttEttEE为了使E值能
18、更好地反映两点温差的大小，热电偶热电特性的线性要好，两者的冷端温度必须相同，且应尽量t1和t2处于非线性误差小于规定值的温度范围内，同时应避免测量点接地。电气测试技术 热电偶的并联测量电路 设R1=R2，则有：图3-84 热电偶并联测量电路由此可见，热电偶并联后得到的是平均热电动势。如果和处于热电偶热电特性的线性区，可求得两点的平均温度。测量时应保证两支热电偶具有相同的内阻。必须指出，热电偶在是使用前应预先进行较验或检定。热电偶使用一段时间后，由于热电极的高温挥发、外来污染及腐蚀、晶粒结构的变化等，会使其热电性能产生变化，影响测量精度，因此使用中应定期对热电偶作检查与校验，以保证其测量精度。)
19、,(),(210201ttEttEEx电气测试技术 3.5.6 热电偶测温应用实例 热电偶是最常用的测温元件，但它的特性是非线性的。当与数字仪表配合测温时，必须对其特性进行线性化处理。1.高精度高精度K型热电偶数字测温仪型热电偶数字测温仪 K型热电偶的电极材料是镍铬镍硅，其精度等级为0.75级时，温度为01200，其测量温度误差为0.75%。经过本方法的线性化处理后，可将精度提高到0.1%0.2%。零点补偿、放大和非线性校正电路见图3-85。由图可见，它由热电偶的零点补偿、放大和非线性校正两部分组成。图3-85 零点补偿、放大和非线性校正电路电气测试技术 2.高精度高精度J型热电偶测温仪型热电偶测温仪 J型热电偶的电极材料是铁-铜镍（锰白铜）。它的非线性较严重，在0600范围内其三次方以上非线性系数较大，因此分为0300和300600两档。其测温电路见图3-86。由图可见，它与图3-85相似，由零点补偿和非线性校正两部分组成。图3-86 J型热电偶测温电路电气测试技术 Thank you！
