《電氣測試技術(shù)第5版》 課件 3.5 熱電偶傳感器

02December20243.5熱電偶傳感器3.5.1熱電偶的測溫原理3.5.2有關(guān)熱電偶回路的幾點(diǎn)結(jié)論3.5.3熱電偶冷端溫度補(bǔ)償3.5.4常用熱電偶及其特性3.5.6熱電偶測溫應(yīng)用實(shí)例02December2024熱電偶傳感器熱電偶傳感器簡稱熱電偶。熱電偶能滿足溫度測量的各種要求，具有結(jié)構(gòu)簡單，精度高，范圍寬（-269~2800℃），響應(yīng)較快，具有較好的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性，因此在測溫領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。溫差熱電偶（簡稱熱電偶）是目前溫度測量中使用最普遍的傳感元件之一。它除具有結(jié)構(gòu)簡單，測量范圍寬、準(zhǔn)確度高、熱慣性小，輸出信號(hào)為電信號(hào)便于遠(yuǎn)傳或信號(hào)轉(zhuǎn)換等優(yōu)點(diǎn)外，還能用來測量流體的溫度、測量固體以及固體壁面的溫度。微型熱電偶還可用于快速及動(dòng)態(tài)溫度的測量。02December20243.5.1熱電偶的測溫原理圖3-71熱電偶工作原理把兩種不同的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）接成圖3-71的閉合電路，把它們的兩個(gè)接點(diǎn)分別置于溫度為及（）的熱源中，則在回路中將產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢，稱為熱電動(dòng)勢，或塞貝克電動(dòng)勢。這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)或叫塞貝克效應(yīng)。圖3-71中的兩種導(dǎo)體叫熱電極，兩個(gè)接點(diǎn)，一個(gè)稱為工作端或熱端（），另一個(gè)稱為自由端或冷端。由這兩種導(dǎo)體組成并將溫度轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢的傳感器稱為熱電偶。02December2024賽貝克效應(yīng)這種現(xiàn)象早在1821年首先由賽貝克（See－back）發(fā)現(xiàn),所以又稱賽貝克效應(yīng)。熱電動(dòng)勢由兩種導(dǎo)體接觸電動(dòng)勢（或稱珀?duì)柼妱?dòng)勢）和單一導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢（湯姆遜電動(dòng)勢）組成。熱電動(dòng)勢的大小與兩種導(dǎo)體的材料及接點(diǎn)的溫度有關(guān)。熱電偶原理圖TT0AB熱端冷端02December20243.5.1.1接觸電動(dòng)勢圖3-72接觸電動(dòng)勢的建立在圖3-71中，溫度為的接點(diǎn)，由于A、B兩種導(dǎo)體的電子密度不同（設(shè)），在接觸面上由A導(dǎo)體擴(kuò)散到B導(dǎo)體的電子數(shù)量將比由B導(dǎo)體擴(kuò)散到A導(dǎo)體的電子數(shù)量多。導(dǎo)體A因失去電子而帶正電荷，導(dǎo)體B因得到多余的電子而帶負(fù)電荷。因此在A、B導(dǎo)體的接觸面上建立一個(gè)電場，見圖3-72。在該電場作用下，一方面阻止繼續(xù)由A導(dǎo)體擴(kuò)散到B導(dǎo)體，另一方面加速電子由B導(dǎo)體擴(kuò)散到A導(dǎo)體。當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，在A、B導(dǎo)體的接觸面上便建立了接觸電動(dòng)勢，其值用表示。02December20243.5.1.2溫差電動(dòng)勢溫差電動(dòng)勢是在同一根導(dǎo)體中由于兩端溫度不同（設(shè)）而產(chǎn)生的電動(dòng)勢。在同一導(dǎo)體A中，由于高溫端向低溫端擴(kuò)散的電子數(shù)量比由低溫端向高溫端擴(kuò)散的電子數(shù)量多。高溫端因失去電子而帶正電荷，而低溫端由于得到多余的電子而負(fù)電荷。因此，在導(dǎo)體中建立一個(gè)靜電場，見圖3-73。在該電場作用下，一方面阻止電子繼續(xù)由高溫端向低溫端擴(kuò)散，另一方面加速電子由低溫端向高溫端擴(kuò)散。當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，在導(dǎo)體A的高低溫端便建立了溫差電動(dòng)勢。圖3-73溫差電動(dòng)勢的建立02December20243.5.1.3熱電偶回路的熱電動(dòng)勢由上述可知，圖3-71的熱電偶回路有四個(gè)熱電動(dòng)勢；兩個(gè)接觸電動(dòng)勢、

和兩個(gè)溫差電動(dòng)勢、，熱電動(dòng)勢的等效電路見圖3-74。四個(gè)電動(dòng)勢中，由于，

的量值最大，以的方向?yàn)檎?，則回路熱電動(dòng)勢為：圖3-74熱電動(dòng)勢等效電路02December2024由于溫差電動(dòng)勢很小，而且與的極性相反，兩者互相抵消，可忽略不計(jì)。因此，熱電偶回路的熱電動(dòng)勢為：由上式可見，熱電偶回路的熱電動(dòng)勢與熱點(diǎn)偶電極材料的電子密度、和兩接點(diǎn)的溫度、有關(guān)。當(dāng)電極材料一定時(shí)，熱電偶回路的熱電動(dòng)勢成為溫度和的函數(shù)之差，即若保持冷端溫度恒定，常數(shù)，則上式可寫成：由上式可見，熱電偶回路的熱電動(dòng)勢與熱端溫度具有單值函數(shù)關(guān)系。此即為熱電偶測溫的工作原理。02December2024熱電偶分度表由于電極材料的電子密度與溫度有關(guān)，溫度變化，電子密度并非常數(shù)，因此式（3-91）的單值函數(shù)關(guān)系很難用計(jì)算方法準(zhǔn)確得到，而是通過實(shí)驗(yàn)方法獲得。規(guī)定在℃（273.15K），將測得的與的對應(yīng)關(guān)系制成表格，稱為各種熱電偶的分度表。熱電動(dòng)勢中，下標(biāo)A、B表示熱電極，規(guī)定寫在前面的熱電極A為正極，寫在后面的熱電極B為負(fù)極，表示測量溫度，表示冷端溫度。若符號(hào)有變化，而其相應(yīng)的位置的規(guī)定含義不變，因此有：02December20243.5.2有關(guān)熱電偶回路的幾點(diǎn)結(jié)論熱電偶回路的熱電動(dòng)勢僅與熱電偶電極的熱電性質(zhì)及兩端溫度有關(guān)，而與熱電極的幾何尺寸（長短、粗細(xì)）無關(guān)。由于這一結(jié)論，使用中燒斷的熱電偶可重新焊接，經(jīng)過校驗(yàn)合格后，再用于測溫。若組成熱電偶的兩電極的材料相同，即A=B，，則無論兩接點(diǎn)的溫度如何，熱電偶回路的熱電動(dòng)勢總是等于零，即：若熱電偶兩接點(diǎn)的溫度相同，即，則盡管熱電極材料A、B不同，熱電偶回路的熱電動(dòng)勢總是等于零。即：02December2024熱電偶回路的熱電動(dòng)勢

僅與兩端溫度t和t0有關(guān)，而與熱電偶中間溫度無關(guān)。在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只要第三種材料導(dǎo)體兩端的溫度相同，第三種導(dǎo)體的接入不會(huì)影響熱電偶回路的熱電動(dòng)勢。當(dāng)兩接點(diǎn)的溫度為t和t0時(shí)，利用A、B導(dǎo)體組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢等于A、C導(dǎo)體組成的熱電偶和C、B導(dǎo)體組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢的代數(shù)和，即：

這一結(jié)論稱為標(biāo)準(zhǔn)熱電極定律。上式中導(dǎo)體C稱為標(biāo)準(zhǔn)熱電極。金屬鉑常用作標(biāo)準(zhǔn)熱電極。02December20243.5.3熱電偶冷端溫度補(bǔ)償熱電偶的冷端溫度必須保持恒定，熱電偶的熱電動(dòng)勢才與被測溫度具有單值函數(shù)關(guān)系。由于熱電偶的分度表和顯示儀表是在熱電偶冷端溫度t=0℃刻度的，利用熱電偶測溫時(shí)，若其冷端溫度t≠0℃，必須對儀表示值進(jìn)行修正，否則會(huì)引起較大誤差。因此，熱電偶的冷端必須妥善處理。3.5.3.1冷端溫度修正法3.5.3.2補(bǔ)償導(dǎo)線法3.5.3.3冷端恒溫法3.5.3.4補(bǔ)償電橋法02December20243.5.3.1冷端溫度修正法由于熱電偶的分度表和與之配套的顯示儀表是在t=0℃時(shí)刻度的，若顯示儀表內(nèi)部沒有冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償器和冷端溫度t≠0℃時(shí)，必須對儀表的示值進(jìn)行修正，否則會(huì)引起較大誤差。修正公式為：

式中，

為修正值，它是冷端t≠0℃時(shí)對0℃的熱電動(dòng)勢。02December20243.5.3.2補(bǔ)償導(dǎo)線法熱電偶的電極材料大多數(shù)是貴金屬合金，不可能做得很長，若用戶不提出要求，最常用的長度是350mm。使用時(shí)，其冷端接近被測溫度場，并暴露于空氣中，受環(huán)境溫度的影響，其冷端溫度是不可能穩(wěn)定的。因此，必須設(shè)法將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的場合，就得利用補(bǔ)償導(dǎo)線法。表3-1常用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的特性配用熱電偶正－負(fù)補(bǔ)償導(dǎo)線正－負(fù)導(dǎo)線外皮顏色補(bǔ)償溫度范圍/℃電動(dòng)勢/mV熱電動(dòng)勢/mV正負(fù)鉑銠10－鉑銅－銅鎳①紅綠0～1500.643±0.0231.025±0.0240.055鎳鉻－鎳硅鋁銅－錳白銅(鐵－錳白銅)紅藍(lán)－20～100(－20～150)4.10±0.156.13±0.20鎳鉻－錳白銅鎳鉻－錳白銅紅黃－6.95±0.3010.69±0.38銅－錳白銅銅－錳白銅紅藍(lán)－4.10±0.156.13±0.20鎢錸5－鎢錸銅－銅鎳②紅藍(lán)0～1001.337±0.045－鉑銠30－鉑銠6銅－銅0～150±0.034±0.09202December2024補(bǔ)償導(dǎo)線是指在一定溫度范圍內(nèi)（0～100℃），其熱電特性與其所連接的熱電偶的熱電特性相同或相近的一種廉價(jià)的導(dǎo)線。其作用是利用廉價(jià)、線徑較粗的補(bǔ)償導(dǎo)線作為貴金屬熱電偶的延伸線，以節(jié)約貴金屬，將熱電偶的冷端延伸至遠(yuǎn)離被測溫度場而且溫度較恒定的場合，便于冷端溫度的修正和減小測量誤差。使用補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)必須注意：熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線只能與相應(yīng)型號(hào)的熱電偶配合使用，且必須同極性連接，見表3-1，否則會(huì)引起較大的誤差。熱電偶與補(bǔ)償導(dǎo)線連接處的溫度不應(yīng)超過100℃，否則由于熱電特性不同帶來新的誤差。只有新延伸的冷端溫度恒定或所配顯示儀表內(nèi)具有冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償器時(shí)，使用補(bǔ)償導(dǎo)線才有意義。02December20243.5.3.3冷端恒溫法利用補(bǔ)償導(dǎo)線將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的地方。圖中A、B為熱電偶，C、D為其補(bǔ)償導(dǎo)線。E、F為銅連接線，P為顯示儀表，K為恒溫槽或冰點(diǎn)槽，用以保持熱電偶冷端溫度穩(wěn)定在t0。熱電偶測量溫度為t，當(dāng)測出熱電動(dòng)勢

數(shù)值后，可以根據(jù)t0的大小加以修正。必須注意測量時(shí)保證接點(diǎn)3、4（冷端）真正恒溫外，還得保證1、2點(diǎn)溫度一致，且其溫度tn不得超過補(bǔ)償導(dǎo)線規(guī)定的使用溫度。圖3-79冷端恒定法02December20243.5.3.4補(bǔ)償電橋法圖3-80補(bǔ)償電橋法原理線路（1）由于電橋是在20℃時(shí)平衡的，采用這種補(bǔ)償電橋時(shí)需把顯示儀表的機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整到20℃。（2）冷端補(bǔ)償器只能與相應(yīng)型號(hào)的熱電偶配合使用，不能配錯(cuò)冷端補(bǔ)償器型號(hào)，否則會(huì)引起較大誤差。（3）不能接錯(cuò)冷端補(bǔ)償器的極性，否則不但起不到補(bǔ)償作用，而且會(huì)引起更大誤差。（4）有一些顯示儀表（例如自動(dòng)電子電位差計(jì)、DDZ-II和DDZ-III溫度變送器等）內(nèi)部已含有冷端補(bǔ)償器。

使用補(bǔ)償電橋時(shí)必須注意：02December20243.5.4常用熱電偶及其特性標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶是國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其電動(dòng)勢與溫度的關(guān)系和允許誤差，并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶。鉑銠10－鉑熱電偶（S）由直徑為（0.5±0.020）的純鉑絲（負(fù)極）和相同直徑的由含質(zhì)量分?jǐn)?shù)90％的鉑和10％的銠制成的合金絲（正極）組成，其分度號(hào)為S。鎳鉻－鎳硅熱電偶（K）這種熱電偶由鎳鉻、鎳硅制成，分度號(hào)用K表示。鎳鉻為正極，鎳硅為負(fù)極。由于K型熱電偶化學(xué)性能穩(wěn)定，復(fù)制性好，熱電動(dòng)勢大，線性好，價(jià)格便宜，可在1000℃以下長期使用，短期測量可達(dá)1200℃，是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的一種熱電偶。02December2024鎳鉻—錳白銅（原稱考銅）熱電偶（E）其分度號(hào)用E表示。鎳鉻為正極，錳白銅（原稱考銅）為負(fù)極。適用于還原性和中性介質(zhì)，長期使用溫度不可超過600℃，短期測量可達(dá)800℃。E熱電偶特點(diǎn)是熱電特性的線性好，靈敏度高，價(jià)格便宜；缺點(diǎn)是錳白銅（原稱考銅）易受氧化而變質(zhì)，測溫范圍低而且窄。鉑銠—鉑銠熱電偶（B）其分度號(hào)為B，簡稱為雙鉑銠熱電偶。是一種貴金屬熱電偶。其正極含質(zhì)量分?jǐn)?shù)（下同）為30%的銠，負(fù)極含6%的銠。B熱電偶的特點(diǎn)是抗污染能力強(qiáng)，性能穩(wěn)定，精度高，因室溫情況下熱電動(dòng)勢

，

。故使用時(shí)不必進(jìn)行冷端溫度校正與補(bǔ)償。缺點(diǎn)是熱電動(dòng)勢小，價(jià)格昂貴。02December20243.5.5熱電偶常用測溫電路工業(yè)用熱電偶測溫電路測量電路見圖3-81，圖a為與動(dòng)圈表及帶冷端補(bǔ)償器配套使用的電路；圖b為與電位差計(jì)配套使用的電路。圖中t0為熱電偶冷端溫度；C、D為A、B熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線；其余連接導(dǎo)線均為銅導(dǎo)線，使用時(shí)應(yīng)保證各接點(diǎn)接觸良好。圖3-81工業(yè)用熱電偶測溫電路02December2024多點(diǎn)測溫電路當(dāng)有幾支（或更多的）同型號(hào)熱電偶共用一臺(tái)儀表時(shí)，為節(jié)省補(bǔ)償導(dǎo)線和不用特制的大恒溫槽，可用補(bǔ)償熱電偶方法，其電路見3-82。圖3-82多點(diǎn)測溫電路02December2024溫差測量電路見圖3-83，用兩支相同的熱電偶，同極性相連，其輸出電動(dòng)勢為兩支熱電偶電動(dòng)勢之差ΔE，

ΔE的大小反映了兩個(gè)測溫點(diǎn)（t1，t2）溫差的大小。

圖3-83溫差測量電路為了使ΔE值能更好地反映兩點(diǎn)溫差的大小，熱電偶熱電特性的線性要好，兩者的冷端溫度必須相同，且應(yīng)盡量t1和t2處于非線性誤差小于規(guī)定值的溫度范圍內(nèi)，同時(shí)應(yīng)避免測量點(diǎn)接地。02December2024熱電偶的并聯(lián)測量電路設(shè)R1=R2

，則有：圖3-84熱電偶并聯(lián)測量電路由此可見，熱電偶并聯(lián)后得到的是平均熱電動(dòng)勢。如果和處于熱電偶熱電