第七章热电偶传感器

第七章热电偶传感器 将温度的变化转换为电压的变化

第一节热电偶传感器的工作原理 • 热电偶工作原理 • 热电效应 • 将两种不成分的导体组成一个闭合回路，将闭合回路的两个接点分别置于不同的温度场中时，回路中将产生一个电动势。即为热电效应。 • 两种导体组成的回路称为热电偶。 • 两种导体称为热电极。 • 热电效应产生的电动势称为热电势。 • 热电效应与热电极的材料和两接点的温度有关。 • 热电偶的两个接点，一个称为工作端或热端，另一个称为自由端或冷端。 • 热电势由接触电动势和温差电动势两部分组成。

第一节热电偶传感器的工作原理 • 接触电动势 • 当A、B两种不同的材料的导体接触时，由于电子浓度不同而产生电子的扩散，在A、B两导体的接触处就产生了接触电动势。 • 接触电动势的大小与导体的材料、接点的温度有关，与导体的几何尺寸无关。 • 接触电动势用eAB(t)表示导体A、B接点温度为t时的接触电动势。 • 温差电动势 • 当导体两端分别置于不同的温度场中时，导体的两端产生了一个由热端指向冷端的静电场，这样导体两端产生了电位差，即为温差电动势。 • 用eA(t,t0)来表示导体A在两端温度为t、t0时的温差电动势。

第一节热电偶传感器的工作原理 • 热电偶回路的总电动势 • 导体A和B组成的热电偶回路中存在两个接触电动势和两个温差电动势。 • 温差电动势的总电动势为： • EAB(t,t0) = eAB(t) - eAB(t0) +eA(t,t0) - eB(t,t0) • 实践证明，两个温差电动势抵消后可以忽略。在热电偶回路中起主要作用的是接触电动势。 • 故 EAB(t,t0) = eAB(t) - eAB(t0) • 热电偶回路的热电动势的大小，只与组成热电偶的导体材料和两接点的温度有关，而热电偶的形状尺寸无关。 • EAB(t,t0) = f(t) – f(t0) • 如果保持冷端温度不变，只要测量出热电势便可得到势端温度。

第一节热电偶传感器的工作原理 • 热电偶分度表 • 令冷端为温度t0=0,然后在不同的温差情况下，精确地测量出回路的总热电势的表格。 • 热电偶的基本定律 • 均质导体定律 • 如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，无论丙接点的温度如何，热电动势均为零。 • 中间导体定律 • 在热电偶中接入第三种导体，只要两接点的温度相同，则回路中的热电动势不变。 • 根据该定律可知，在热电偶中接入测量仪表后，其总热电动势不变。

第一节热电偶传感器的工作原理 • 标准电极定律 • 如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就已知。 • 中间温度定律 • 热电偶在两接点的温度t、t0时的热电动势等于该热电偶在接点温度为t 、tn和tn、t0时的相应电动势的代数和。 • EAB(t,t0) = EAB(t,tn) + EAB(tn,t0) • 为补偿导线的使用提供了理论依据。 • 若热电偶的两热电极被两根导体延长，只要接入的两根导体组成热电偶的热电特性与被延长的热电偶的热电特性相同，且它们之间连接的两接点的温度相同，则总回路中的热电动势与连接点的温度无关，只与延长后的热电偶两端温度有关。

第二节热电偶的材料、结构及种类 • 热电偶材料 • 用作热电极的材料应具备的条件： • 温度测量范围广 • 性能稳定 • 物理化学性能好 • 共有六个品种 • 铜-康铜镍铬-考铜镍铬-镍硅镍铬-镍铝 • 铂铑10—铂铂铑30 -铂铑6 • 热电偶结构 • 普通工业热电偶的结构 • 热电极 • 普通金属丝：直径0.5—3.2mm, 贵金属丝：0.3—0.6mm • 长度：300mm—2000mm,常用的长度为350mm.

第二节热电偶的材料、结构及种类 • 绝缘管 • 热电极从绝缘管中穿过，用于热电极之间和热电极与保护套管之间绝缘保护。 • 保护套管 • 接线盒 • 铠装热电偶 • 将热电极、绝缘材料和保护套管一起拉制后加工而成的坚实缆状组合体。 • 热电偶的种类 • 铂铑30 -铂铑6热电偶 • 热电偶的分度号为B。正极为铂铑30，负极为铂铑6。 • 测温范围为0～1700°C • 精度高、价格贵，常用作高温测量。

第二节热电偶的材料、结构及种类 • 铂铑30 -铂铑6热电偶 • 热电偶的分度号为S。正极为铂铑10，负极为铂。 • 测温范围为0～1600°C • 热电性能稳定精度高、价格贵，常用作标准热电偶或高温测量。 • 镍铬-镍硅热电偶 • 热电偶的分度号为K。正极为镍铬，负极为镍硅。 • 测温范围为-200～1200°C • 测温范围宽、热电动势与温度关系近似线性、热电动势大及价格低。 • 热电性能稳定性较B性、S性差。 • 应用最广泛。

第二节热电偶的材料、结构及种类 • 镍铬-康铜热电偶 • 热电偶的分度号为E。正极为镍铬，负极为铜镍合金。 • 测温范围为-200～900°C • 热电势大。 • 铁-康铜热电偶 • 热电偶的分度号为J。正极为铁，负极为铜镍合金。 • 测温范围为-200～750°C • 热电势大。 • 铁极易氧化。 • 铜-康铜热电偶 • 热电偶的分度号为T。正极为铜，负极为铜镍合金。 • 测温范围为-200～350°C • 测温精度高 • 铜在高温时极易氧化，一般用于低温测量。

第二节热电偶的材料、结构及种类 • 非标准型热电偶 • 铂铑系列、铱铑系列、钨铼系列热电偶，主要用于高温测量。

第三节热电偶的冷端补偿 • 热电偶产生的热电势与两端温度有关，为了准确的测量温度，必须将热电偶冷端温度固定。 • 热电偶的分度表中冷端参考温度为0℃，最理想的情况是冷端温度为0℃。 • 实际使用中，热电偶冷端靠近被测对象，其温度不是恒定不变的，因此必须采取相应的措施进行补偿和修正。 • 冷端恒温法 • 0 ℃恒温器 • 将热电偶的冷端置于温度为0℃的恒温器内（冰水混合物）。 • 通常用于实验室。 • 其他恒温器 • 将冷端温度固定，然后对热电偶进行冷端温度修正。 • 补偿导线法 • 补偿导线：与热电偶电极材料不同的导线，但在0～150 ℃温度范围内与配接的热电偶具有一致的热电特性，但价格便宜。

第三节热电偶的冷端补偿 • 利用补偿导线将热电偶的冷端延伸到恒温的场所（仪表室）其实质相当于热电偶的延长。 • 根据中间温度定律，只要热电偶和补偿导线的两个接点的温度相同，输出的热电动势不变。 • 举例说明 • 计算修正法 • 尽管冷端温度保持恒定，但如果冷端温度不为0℃，因此必须对温度进行修正。 • EAB(t, 0℃ ) = EAB(t,t1) + EAB(t1, 0℃ ) • 其中和t热端被测温度，t1为冷端温度， EAB(t,t1)热电偶实际测量到的热端t和冷端t1的热电动势， EAB(t1, 0℃ )为在分度表上查得的热端t1和冷端0℃的热电动势, EAB(t, 0℃ )为修正后的热端t和冷端0℃的热电动势。 • 例

第三节热电偶的冷端补偿 • 电桥补偿法 • 利用不平衡电桥产生的电动势自动补偿热电偶因冷端波动引起的热电动势的变化 • DBW型温度变送器的温度补偿 • 显示仪表零位调整法 • 如果热电偶的冷端温度恒定且已知时，可预先将有零位调整的仪表的指针从刻度初始值调至已知的冷端温度值上，这时显示仪表的示值即为被测量的实际值。

第四节热电偶的测温线路 • 测量某一点的温度 • 测量两点之间的温度差 • 将两支型号相同热电偶反向串联，所得到的热电动势的差值反映了两支热电偶热端的温差。 • 热电偶并联线路 • 测量多点的平均温度 • 热电偶串联线路

第七章 热电偶传感器