Transcript 热电偶

第七章
热电偶传感器
电气信息学院
介绍：
热电偶属电量传感器(将非电量转
换为电量T——mV) ，有源传感器。
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
导体连接成闭合回路,如果将两个接点
分别置于温度各为T及TO （T>TO）的热
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）。
t
热端
t0
冷端
T>TO
2、接触热电势
E AB (T ) 
E AB (T0 ) 
KT
e
ln
KT0
e
A
N AT
N BT
ln
N AT
N BT
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：
E AB (T )
e
> E AB (T0 )
E
NA>NB
t
E AB (T )
t0
E AB (T0 )
3、 温差电动势
E A (T , T0 )
T0
T
E
E A(T ,T0 )
K

e

T
T0
1
NA
EB (T , T0 )
d ( N At )
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。
4、回路总电势：
E A (T , T0 )
A
E AB (T0 )
EAB (T )
B
EB (T , T0 )
E AB (T , T0 )  E AB (T )  EB (T , T0 )  E AB (T0 )  E A (T , T0 )
由于接触电势远大于温差电势，
忽略温差电势后有：
E AB (T , T0 )  E AB (T )  E AB (T0 )
5、结论：回路总电势与NA 、NB和T、TO有关，当材料
一定时，E AB (T , T0 ) 成为T、TO的函数。
固定T0后有： E AB (T , T0 )  f (T )  C
回路总电势为T的单值函数。
二. 热电偶的几点结论：
1、若组成热电偶回路的两种导体相同（均质
导体）,则无论两接点温度如何,热电偶回路
内的总电动势为零。
E AA (T , T0 )  E AA (T )  E AA (T0 )  0  0  0
A
2、如热电偶两接点温度相同,即T=T0,尽管导
体A、B的材料不同，热电偶回路内的总热电
动势为零。 E AB (T , T )  E AB (T )  E AB (T )  0
3、热电偶AB的热电动势与A、B材料的中间温
度无关，只与接触点温度有关。
三、热电偶的重要定律：
1.中间温度定律：
A
t1
B
t2
t1
t3
t3
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。
E AB (t1 , t3 )  E AB (t1 , t2 )  E AB (t2 , t3 )
E AB (t1 , t2 )  E AB (t2 , t3 )  E AB (t1 )  E AB (t2 )  E AB (t2 )  E AB (t3 )
 E AB (t1 )  E AB (t3 )  E AB (t1 , t3 )
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。
A
A
t1
C
B
t2
t2
mV
t1
B
t2
E AB (t1 , t2 )  E AB (t1 )  EBC (t2 )  ECA (t2 )
 E AB (t1 )  EB (t2 )  EC (t2 )  EC (t2 )  E A (t2 )
 E AB (t1 )  E A (t2 )  EB (t2 )  E AB (t1 )  E AB (t2 )
C
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）
EAB（ T1,T2）=EAC（ T1,T2 ） -EBC（ T1,T2）
T1
A
B
T2
T1
A
T2
T1
C
C
B
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。
例
求：镍铬和考铜热电偶的热电动势
100℃
解：
A
B
镍铬
T2
考铜
100℃
2.95mV T1
A
C
100℃
T1 4.0mV
C
B
纯铂
T2
T2
镍铬合金
考铜
EAB（ T1,T2）=EAC（ T1,T2 ） －EBC（ T1,T2）
EAB（ T1,T2） ＝2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV
四、热电偶的种类
1. 标准型热电偶
从1988年1月1日起，我国热电偶和热电阻
的生产全部按国际电工委员会（IEC）的
标准，并指定S、B、E、K、R、J、T七
种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。
但其中的R型（铂铑 13-铂）热电偶，因其
温度范围与S型（铂铑 10-铂）重合,我国没
有生产和使用。
几种常用热电偶的测温范围及精确度
热电偶类别
代号 分度号
测温
范围
允许误差
铂铑30-铂铑6
WRR
LL-2
或B
铂铑10-铂
WRP
LB-3
或S
0～
1600℃
≤600℃，
±3.0℃
>600℃
±0.5%t
WRN
EU-2
或K
0～
1300℃
≤400℃，
±3.0℃
>400℃
±0.75%t
EA-2
或E
0～
800℃
0～
1000℃
≤300℃，
±3.0℃
>300℃
±1.0%t
镍铬-镍硅
镍铬-考铜
镍铬-铜镍
WRK
WRE
0～
1800℃
≤800℃，
±4.0℃
>800℃
±0.5%t
五、常用热电偶
铂铑铂（S/R）
温度范围最广，3000C以上
10/13
精度最高
铜康铜（T）
在-160～2500C精度最高
镍铬镍硅/铝（K）
在廉金属中上限温度最高
分度号
1 普通工业用装配式热电偶
接线盒 保险套管 绝缘套管
热电偶丝
工业用装配式热电偶结构示意图
2．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
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
2
3
铠装热电偶断面结构示意
(b)绝缘式
(a)接壳式
图
接壳式与绝缘式热电
1— 金属套管; 2—绝缘 偶断面结构示意图
材料; 3—热电极
接线盒 固定装置
B
金属导管 绝缘材料
B
B-B
A
A放大
热电极
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。
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。其热接
点极薄(0.01～0.lμm) ．
4
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。
尺寸为 60×6×0.2mm; 测温
范围在300℃以下；反应时间
仅为几ms。
1
3
2
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
热电偶铜―康热电偶分度（自由端温度0℃）
六、 热电偶的冷端补偿方法
1、 提供冷端
铜导线
A
T
B
热电偶
试
管
冰点槽
铜
导
线
T0
冰水溶液
冰点槽法
mV 仪表
n增大时电势减小
2、（冷端恒温法）
当冷端不为 0 0 C 时但稳定时，查表补偿
E AB (t1 , t0 )  E AB (t1 )  E AB (tn )
E AB (t1 , t0 )  E AB (t1 )  E AB (t0 )
E AB (t1 , t0 )  E AB (t1 , tn )  E AB (tn , t0 )
 E AB (t1 )  E AB (tn )  E AB (tn )  E AB (t0 )
例如：E型
E AB (t1 , t0 )  21.033mv
实际温度300
度,环境温度
当冷端 t n 为 300C 仪表显示?
30度时,问仪 查：
E AB (t30 , t0 )  1.801mv
表显示的温
E AB (t1 , t n )  21.033  1.801  19.232mv
度值是多少? 则：
tb  280 C
0
当冷端不为
00C
时但稳定时，查表补偿
E AB (t1 , t0 )  E AB (t1 , tn )  E AB (tn , t0 )
当冷端
t n为
300C仪表显示280度
例如：E型
显示温度280 查： E AB (t30 , t0 )  1.801mv
查表
度,环境温度
E AB (tn , t0 )  19.232mv
30度时,问测 则：
E AB (t1 , t0 )  19.232  1.801  21.033mv
温端实际的
0
温度值是多
t1  300 C 实际温度查表
少?
六、 热电偶的冷端补偿方法
1、 提供冷端
T
A
补偿导线
B
补偿导线
热电偶
铜导线
试
管
冰点槽
铜
导
线
T0
冰水溶液
冰点槽法
mV 仪表
3、冷端变化时，加补偿导线（用廉金属替
代贵金属，将冷端延长到控制室）
A t2
A t0
'
t1
'
t
B 2 B t0
E AB (t1 , t0 )  E AB (t1 )  E AB (t0 )
不论 t 2 如何变化，只要 t1 , t0 不变
则 E AB (t1 , t0 ) 即不变
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
回路输出电压为:
U= E（T，T0）+(UT－U3)
RS
只要能满足下式即可
达到自动补偿的目的
A
E
E  U T  I1 RT T
R2
R1
I1
I2
Rcu
B
R3
T0
－
T0
+
T
补偿电桥
U
作业
1、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的
要求。
2、如粮仓测温（每0.5米装一个温度传
感器，共须20个），选择何种温度传感
器？
补充：
集成温度传感器：
80年代出，线性好，灵敏，精度适中
电流型： 1μA/0K ；电压型： 1μV/0K
LM134： 电流型 1μA/0K -55～1250C
集成温度传感器用于冷端补偿电路
。