熱電偶基礎知識介紹

2023/2/4第四章非電量的電測技術1

熱電偶傳感器介紹在工業(yè)生產過程中，溫度是需要測量和控制的重要參數之一。在溫度測量中，熱電偶的應用極為廣泛，它具有結構簡單、制造方便、測量范圍廣、精度高、慣性小和輸出信號便于遠傳等許多優(yōu)點,在溫度測量中占有重要的地位。其測溫范圍較寬，一般為-50～1600℃，最高的可達到3000℃。另外，由于熱電偶是一種有源傳感器，測量時不需外加電源，使用十分方便，所以常被用作測量爐子、管道內的氣體或液體的溫度及固體的表面溫度。2023/2/4第四章非電量的電測技術2一、熱電偶的測溫原理先看一個實驗——熱電偶工作原理演示結論：當兩個結點溫度不相同時，回路中將產生電動勢。熱電極A右端稱為：自由端（參考端、冷端）左端稱為：測量端（工作端、熱端）熱電極B熱電勢AB2023/2/4第四章非電量的電測技術3從實驗到理論：熱電效應

1821年，德國物理學家賽貝克用兩種不同金屬組成閉合回路，并用酒精燈加熱其中一個接觸點（稱為結點），發(fā)現(xiàn)放在回路中的指南針發(fā)生偏轉（說明什么？），如果用兩盞酒精燈對兩個結點同時加熱，指南針的偏轉角反而減小（又說明什么？）。顯然，指南針的偏轉說明回路中有電動勢產生并有電流在回路中流動，電流的強弱與兩個結點的溫差有關。2023/2/4第四章非電量的電測技術4通過以上演示得出結論——有關熱電偶熱電勢的討論將兩種不同的導體（或半導體）A、B組合成閉合回路。若兩結點處溫度不同，則回路中將有電流流動，即回路中有熱電動勢存在。此電動勢的大小除了與材料本身的性質有關以外,還決定于結點處的溫差，這種現(xiàn)象稱為熱電效應或塞貝克效應。熱電偶就是根據此原理設計制作的將溫差轉換為電勢量的熱電式傳感器。熱電效應產生的熱電勢是由接觸電勢和溫差電勢兩部分組成的。2023/2/4第四章非電量的電測技術5（一）接觸電勢產生原因：兩種不同的金屬互相接觸時，由于不同金屬內自由電子的密度不同，在兩金屬A和B的接觸點處會發(fā)生自由電子的擴散現(xiàn)象。自由電子將從密度大的金屬A擴散到密度小的金屬B，使A失去電子帶正電，B得到電子帶負電，從而產生接觸電勢：自由電子＋ABeAB(T)Tk：波爾茲曼常數；e：單位電荷電量；NAT、NBT：溫度為T時,導體A、B的自由電子密度。2023/2/4第四章非電量的電測技術6（二）溫差電動勢溫度標志著物質內部大量分子無規(guī)則運動的劇烈程度。溫度越高，表示物體內部分子熱運動越劇烈。模擬圖：在一個密閉的空間里，氣體分子在高溫時的運動速度比低溫時快！溫度的影響2023/2/4第四章非電量的電測技術7定義：同一導體的兩端因其溫度不同而產生的一種熱電勢——溫差電動勢同一導體的兩端溫度不同時,高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大,因而從高溫端跑到低溫端的電子數比從低溫端跑到高溫端的要多,結果高溫端因失去電子而帶正電,低溫端因獲得多余的電子而帶負電,形成一個靜電場，該靜電場阻止電子繼續(xù)向低溫端遷移，最后達到動態(tài)平衡。因此，在導體兩端便形成溫差電勢，公式：EA（t，t0）=UAt-UAt0考慮：如果同一導體各點溫度相同，即t＝t0，則回路總電動勢必為零？2023/2/4第四章非電量的電測技術8（三）熱電偶回路的熱電勢熱電偶回路中總的熱電勢應是接觸電勢與溫差電勢之和。EAB（t，t0）=EAB（t）+EB（t，t0）-EAB（t0）-EA（t，t0）經實踐證明，在熱電偶中起主要作用的是接觸電動勢，溫差電動勢只占極小部分?？梢院雎圆挥嫞篍AB（t，t0）=EAB（t）-EAB（t0）2023/2/4第四章非電量的電測技術9綜上所述，如下結論：熱電偶回路中熱電動勢的大小，與組成熱電偶的導體材料和兩接點的溫度有關，而與熱電偶的形狀尺寸無關。當熱電偶兩電極材料固定后，熱電動勢便是兩接點溫度為t和t0時的函數差：對于已選定的熱電偶,當參考端溫度t0恒定時,EAB(t0)為常數,則總的熱電動勢就只與溫度t成單值函數關系,即

ＥAB(t,t0)=EAB(t)-C=φ(t)EAB（t，t0）=EAB（t）-EAB（t0）2023/2/4第四章非電量的電測技術10（四）實際應用我國從1991年開始采用國際計量委員會規(guī)定的“1990年國際溫標”（簡稱ITS-90）的新標準。按此標準，制定了相應的分度表，并且有相應的線性化集成電路與之對應。目前熱電偶統(tǒng)一規(guī)定在T0=0℃的條件下，給出測量端溫度與熱電勢的數值對照表，即分度表自由端（約束條件：冷端溫度必須為0℃）。實際測溫時，根據測出的熱電勢可通過查對應的分度表，查得所測的溫度值。本教材p366的附錄列出了工業(yè)中常用的分度表

2023/2/4第四章非電量的電測技術11二、有關熱電偶的幾點結論規(guī)定：ＥAB(t,t0)的含義，按位置順序A表示熱電偶正極；B表示負極t表示測量端溫度；t0表示冷端溫度；符號變化，位置規(guī)定的含義不變。ＥAB(t,t0)=-EBA(t,t0)=-EAB(t0,t)解釋：當NA>NB,A為正極，B為負極。腳注AB的順序表示電動勢的方向。當腳注順序改變時，電動勢前面的符號（＋、－）隨之改變。利用熱電偶作為傳感器來檢測溫度時，必須在熱電偶回路中引入顯示或記錄儀表，并用連接導線將它們連接起來，因此必須掌握下面的基本定律，以保證能夠正確的選擇和使用熱電偶。2023/2/4第四章非電量的電測技術121）熱電勢的大小僅與材料的性質及其兩端點的溫度有關，而與熱電偶的形狀、大小無關。燒斷的熱電偶可重新焊接，用于測溫。2）如果構成熱電偶的兩個熱電極為材料相同的均質導體，則無論兩結點溫度如何，熱電偶回路內的總熱電勢為零——均質導體定律必須采用兩種不同的材料作為熱電極。∵溫差電動勢只占極小部分2023/2/4第四章非電量的電測技術133）如果熱電偶兩結點溫度相等t=t0，熱電偶回路內的總電勢亦為零。4）熱電偶AB的熱電勢與A、B材料的中間溫度無關，只與結點溫度有關。5）中間導體定律利用熱電偶進行測溫,必須在回路中引入連接導線和儀表,接入導線和儀表后會不會影響回路中的熱電勢呢？中間導體定律：在熱電偶測溫回路內,接入第三種導體C,只要其兩端溫度相同,則對回路的總熱電勢沒有影響。2023/2/4第四章非電量的電測技術14證明:中間導體定律由于溫差電勢可忽略不計,則回路中的總熱電勢等于各接點的接觸電勢之和。即EABC(T,T0)=eAB(T)+eBC(T0)+eCA(T0)（*）當T=T0時,有EABC(T0)=eAB(T0)+eBC(T0)+eCA(T0)=0由此得eAB(T0)＝-eBC(T0)-eCA(T0)=0代入（*）式ＥABC(T,T0)=eAB(T)-eAB(T0)=eAB(T,T0)

同理,加入第四、第五種導體后,只要加入的導體兩端溫度相等,同樣不影響回路中的總熱電勢。2023/2/4第四章非電量的電測技術15利用熱電偶測溫時，連接導線和顯示儀表等均可看成中間導體。根據中間導體定律只要保證連接導線和顯示儀表各自兩端的溫度相同，則對熱電偶的熱電勢沒有影響。因此中間導體定律對熱電偶的實際應用有十分重要的意義。圖利用中間導體定律制成開路電偶測量金屬和金屬壁面的溫度。根據此定律，除可在熱電偶測溫回路中接入各種類型的顯示儀表或調節(jié)器外，也可以推廣到對液態(tài)金屬材料和固態(tài)金屬材料表面的溫度測量，如圖所示。有時為了提高測量精度，或者為了使用上的方便，將熱電極A和B直接插入液態(tài)金屬或焊在固體金屬表面上。例如，用熱電偶連續(xù)測量鐵水的溫度就是這樣的。在連續(xù)測量過程中，熱電極不斷地被鐵水熔掉，而根據這個定律，就不需要先焊接了。2023/2/4第四章非電量的電測技術166）標準電極定律當結點溫度為t,t0時，用導體A，B組成的熱電偶的熱電動勢等于AC熱電偶和CB熱電偶的熱電動勢的代數和。如圖，導體A、B分別與標準電極C組成熱電偶，若它們所產生的熱電動勢為已知，即那么，導體A與B組成的熱電偶，其熱電動勢可由下式求得：2023/2/4第四章非電量的電測技術17應用：標準電極定律是一個極為實用的定律。純金屬的種類很多，合金類型更多。要得出這些金屬之間組合而成熱電偶的熱電動勢，工作量極大。由于鉑的物理、化學性質穩(wěn)定，熔點高，易提純，所以，通常選用高純鉑絲作為標準電極，只要測得各種金屬與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢表4-2，則各種金屬之間相互組合而成的熱電偶的熱電動勢可直接計算。例如：熱端為100℃，冷端為0℃時，鎳鉻合金與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為2.95mV，考銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為-4.0mV；則鎳鉻和考銅組合成的熱電偶所產生的熱電動勢：2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV用于制造鉑熱電偶的各種鉑熱電偶絲2023/2/4第四章非電量的電測技術18三、熱電偶冷端溫度補償熱電效應的原理可知，熱電偶產生的熱電動勢與兩端溫度有關。只有將冷端的溫度恒定，熱電動勢才是熱端溫度的單值函數。必要性：1、用熱電偶的分度表查毫伏數-溫度時，必須滿足t0=0C的條件。在實際測溫中，冷端溫度常隨環(huán)境溫度而變化，這樣t0不但不是0C，而且也不恒定，因此將產生誤差。2、一般情況下，冷端溫度均高于0C，熱電勢總是偏小。應想辦法消除或補償熱電偶的冷端損失。2023/2/4第四章非電量的電測技術19（一）補償導線法采用相對廉價的補償導線，可延長熱電偶的冷端，使之遠離高溫區(qū)；可節(jié)約大量貴金屬；易彎曲，便于敷設。所謂補償導線：實際上是一對材料化學成分不同的導線，在0～100℃溫度范圍內與配接的熱電偶有一致的熱電特性，但價格相對要便宜。若利用補償導線，將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的場所(如儀表室)，其實質是相當于將熱電極延長。2023/2/4第四章非電量的電測技術20補償導線型號書p70表4－32023/2/4第四章非電量的電測技術21補償導線外形A’B’屏蔽層保護層2023/2/4第四章非電量的電測技術22在使用延長線時的應注意以下幾方面：

①各種延長線只能與相應型號的熱電偶配用，而且必須在規(guī)定的溫度范圍內使用；②注意極性，不能接反，否則會造成更大的誤差；③延長線與熱電偶連接的兩個結點，其溫度必須相同。2023/2/4第四章非電量的電測技術23例:采用鎳鉻-鎳硅熱電偶測量爐溫。熱端溫度為800℃，冷端溫度為50℃。為了進行爐溫的調節(jié)及顯示，必須將熱電偶產生的熱電動勢信號送到儀表室，儀表室的環(huán)境溫度恒為20℃。由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表查出它在冷端溫度為0℃，熱端溫度為800℃時的熱電動勢為E(800，0)=33.275mV；熱端溫度為50℃時的熱電動勢為E(50，0)=2.023mV；熱端溫度為20℃時的熱電動勢為E(20，0)=0.798mV。如果熱電偶與儀表之間直接用銅導線連接，根據中間導體定律，輸入儀表的熱電動勢為：E(800，50)=E(800，0)-E(50，0)=(33.277-2.022)mV=31.255mV(相當于751℃)。如果熱電偶與儀表之間用補償導線連接，相當于將熱電偶延伸到儀表室，輸入儀表的熱電動勢為：E(800，20)=E(800，0)-E(20，0)=(33.277-0.798)mV=32.479mV(相當于781℃)。與爐內的真實溫度相差分別為：

751℃-800℃=-49℃781℃-800℃=-19℃

可見，補償導線的作用是很明顯的。2023/2/4第四章非電量的電測技術24例4-82023/2/4第四章非電量的電測技術25（二）冷端恒溫法

A、0℃恒溫器將熱電偶的冷端置于溫度為0℃的恒溫器內(如冰水混合物)，使冷端溫度處于0℃。這種裝置通常用于實驗室或精密的溫度測量。在冰杯中，冰水混合物的溫度能較長時間地保持在0C不變。冰浴法，它消除了t0不等于0℃而引入的誤差，由于冰融化較快，所以一般只適用于實驗室中。2023/2/4第四章非電量的電測技術26B、其他恒溫器將熱電偶的冷端置于各種恒溫器內，使之保持溫度恒定，避免由于環(huán)境溫度的波動而引入誤差。這類恒溫器可以是盛有變壓器油的容器，利用變壓器油的熱惰性恒溫；也可以是電加熱的恒溫器。這類恒溫器的溫度不為0℃，故最后還需對熱電偶進行冷端溫度修正。1—被測流體管道

2—熱電偶

3—接線盒

4—補償導線

5—銅質導線

6—毫伏表

7—恒溫器8—混合物

9—試管

10—新冷端2023/2/4第四章非電量的電測技術27（三）冷端溫度的修正計算當熱電偶的冷端溫度t0≠0℃時，由于熱端與冷端的溫差隨冷端的變化而變化，所以測得的熱電勢EAB（t，t0）與冷端為0℃時所測得的熱電勢EAB（t，0℃）不等。若冷端溫度高于0℃，則EAB（t，t0）<EAB（t，0℃）。下式計算并修正測量誤差：EAB（t，0）=EAB（t，t0）+EAB（t0，0）EAB(t，0)為熱電偶熱端溫度為t，冷端溫度為0℃時的熱電動勢；EAB(t，t0)為熱電偶熱端溫度為t，冷端溫度為t0時的熱電動勢；EAB(t0，0)為熱電偶熱端溫度為t0，冷端溫度為0℃時的熱電動勢。2023/2/4第四章非電量的電測技術28例：用鎳鉻-鎳硅熱電偶測爐溫，當冷端溫度為30℃(且為恒定時)，測出熱端溫度為t時的熱電動勢為39.17mV，求爐子的真實溫度。由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表查出E(30，0)=1.203mV根據公式計算出再通過分度表查出其對應的實際溫度為：t=977℃2023/2/4第四章非電量的電測技術29（四）電橋補償法電橋補償法是利用不平衡電橋產生的不平衡電壓來自動補償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢變化值，可購買與被補償熱電偶對應型號的補償電橋。XT-WBC熱電偶端補償器2023/2/4第四章非電量的電測技術30四、常用熱電偶及其特性

國際電工委員會1975年向世界各國推薦七種標準型熱電偶。我國生產的符合IEC標準的熱電偶有六種，書上介紹：鉑銠10-鉑熱電偶這種熱電偶分度號為“S”。它的正極是鉑銠絲(鉑90%，銠l0%)，負極是純鉑絲。測溫范圍為0~1700℃。其特點是熱電性能穩(wěn)定，抗氧化性強，宜在氧化性、惰性氣氛中工作。由于精度高，故國際溫標中規(guī)定它為630.74~1064.43℃溫度范圍內復現(xiàn)溫標的標準儀器。常用作標準熱電偶或用于高溫測量。鎳鉻-鎳硅熱電偶

這種熱電偶分度號為“K”。它的正極是鎳鉻合金(鎳90.5%，鉻9.5%)，負極為鎳硅(鎳97.5%，硅2.5%)。測溫范圍為-200~+1300℃。其特點是測溫范圍很寬、熱電動勢與溫度關系近似線性、熱電動勢大及價格低。缺點是熱電動勢的穩(wěn)定性較B型或S型熱電偶差，且負極有明顯的導磁性。鎳鉻-錳白銅熱電偶這種熱電偶分度號為“E”。它的正極是鎳鉻合金，負極是銅鎳合金(銅55%，鎳45%)。測溫范圍為-200~+1000℃。其特點是熱電動勢較其他常用熱電偶大。適宜在氧化性或惰性氣氛中工作。鉑銠30-鉑銠6熱電偶

這種熱電偶分度號為“B”。它的正極是鉑銠絲(鉑70%，銠30%)，負極也是鉑銠絲(鉑94%，銠6%)，故俗稱雙鉑銠。測溫范圍為0~1700℃。其特點是測溫上限高。在冶金反應、鋼水測量等高溫領域中得到了廣泛的應用。2023/2/4第四章非電量的電測技術31K熱電偶的分度表比較查出的三個熱電勢，熱電勢是否線性？2023/2/4第四章非電量的電測技術32如何由熱電偶的熱電勢查熱端溫度值？設冷端為0C，根據以下電路中的毫伏表的示值及K熱電偶的分度表，查出熱端的溫度tx。2023/2/4第四章非電量的電測技術33五、熱電偶常用測量電路熱電偶測溫時,它可以直接與顯示儀表（如電子電位差計、數字表等）配套使用,