热电偶基础知识介绍

2020/4/26第四章非电量的电测技术1热电偶传感器介绍在工业生产过程中，温度是需要测量和控制的重要参数之一。在温度测量中，热电偶的应用极为广泛，它具有结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯性小和输出信号便于远传等许多优点,在温度测量中占有重要的地位。其测温范围较宽，一般为-50～1600℃，最高的可达到3000℃。另外，由于热电偶是一种有源传感器，测量时不需外加电源，使用十分方便，所以常被用作测量炉子、管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度。2020/4/26第四章非电量的电测技术2一、热电偶的测温原理先看一个实验——热电偶工作原理演示结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。热电极A右端称为：自由端（参考端、冷端）左端称为：测量端（工作端、热端）热电极B热电势AB2020/4/26第四章非电量的电测技术3从实验到理论：热电效应1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在回路中的指南针发生偏转（说明什么？），如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转角反而减小（又说明什么？）。显然，指南针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。2020/4/26第四章非电量的电测技术4通过以上演示得出结论——有关热电偶热电势的讨论将两种不同的导体（或半导体）A、B组合成闭合回路。若两结点处温度不同，则回路中将有电流流动，即回路中有热电动势存在。此电动势的大小除了与材料本身的性质有关以外,还决定于结点处的温差，这种现象称为热电效应或塞贝克效应。热电偶就是根据此原理设计制作的将温差转换为电势量的热电式传感器。热电效应产生的热电势是由接触电势和温差电势两部分组成的。2020/4/26第四章非电量的电测技术5（一）接触电势产生原因：两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，从而产生接触电势：自由电子＋ABeAB(T)TBtAtABNNekttEln)(k：波尔兹曼常数；e：单位电荷电量；NAT、NBT：温度为T时,导体A、B的自由电子密度。2020/4/26第四章非电量的电测技术6（二）温差电动势温度标志着物质内部大量分子无规则运动的剧烈程度。温度越高，表示物体内部分子热运动越剧烈。模拟图：在一个密闭的空间里，气体分子在高温时的运动速度比低温时快！温度的影响2020/4/26第四章非电量的电测技术7定义：同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势——温差电动势同一导体的两端温度不同时,高温端的电子能量要比低温端的电子能量大,因而从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多,结果高温端因失去电子而带正电,低温端因获得多余的电子而带负电,形成一个静电场，该静电场阻止电子继续向低温端迁移，最后达到动态平衡。因此，在导体两端便形成温差电势，公式：EA（t，t0）=UAt-UAt0dTdttNdNekUUttEAtAtAttAA),(1),(tt000考虑：如果同一导体各点温度相同，即t＝t0，则回路总电动势必为零？2020/4/26第四章非电量的电测技术8（三）热电偶回路的热电势热电偶回路中总的热电势应是接触电势与温差电势之和。A(+)B(-)EA(t,t0),EAB(t0)EAB(t)t0ttt0,NANBEB(t,t0)EAB（t，t0）=EAB（t）+EB（t，t0）-EAB（t0）-EA（t，t0）经实践证明，在热电偶中起主要作用的是接触电动势，温差电动势只占极小部分。可以忽略不计：EAB（t，t0）=EAB（t）-EAB（t0）dTNNekBtAtlntt02020/4/26第四章非电量的电测技术9综上所述，如下结论：1.热电偶回路中热电动势的大小，与组成热电偶的导体材料和两接点的温度有关，而与热电偶的形状尺寸无关。当热电偶两电极材料固定后，热电动势便是两接点温度为t和t0时的函数差：2.对于已选定的热电偶,当参考端温度t0恒定时,EAB(t0)为常数,则总的热电动势就只与温度t成单值函数关系,即ＥAB(t,t0)=EAB(t)-C=φ(t)EAB（t，t0）=EAB（t）-EAB（t0）)f(t-f(t))t(t,E00AB2020/4/26第四章非电量的电测技术10（四）实际应用我国从1991年开始采用国际计量委员会规定的“1990年国际温标”（简称ITS-90）的新标准。按此标准，制定了相应的分度表，并且有相应的线性化集成电路与之对应。目前热电偶统一规定在T0=0℃的条件下，给出测量端温度与热电势的数值对照表，即分度表自由端（约束条件：冷端温度必须为0℃）。实际测温时，根据测出的热电势可通过查对应的分度表，查得所测的温度值。本教材p366的附录列出了工业中常用的分度表2020/4/26第四章非电量的电测技术11二、有关热电偶的几点结论规定：ＥAB(t,t0)的含义，按位置顺序A表示热电偶正极；B表示负极t表示测量端温度；t0表示冷端温度；符号变化，位置规定的含义不变。ＥAB(t,t0)=-EBA(t,t0)=-EAB(t0,t)解释：当NANB,A为正极，B为负极。脚注AB的顺序表示电动势的方向。当脚注顺序改变时，电动势前面的符号（＋、－）随之改变。利用热电偶作为传感器来检测温度时，必须在热电偶回路中引入显示或记录仪表，并用连接导线将它们连接起来，因此必须掌握下面的基本定律，以保证能够正确的选择和使用热电偶。2020/4/26第四章非电量的电测技术121）热电势的大小仅与材料的性质及其两端点的温度有关，而与热电偶的形状、大小无关。烧断的热电偶可重新焊接，用于测温。2）如果构成热电偶的两个热电极为材料相同的均质导体，则无论两结点温度如何，热电偶回路内的总热电势为零——均质导体定律必须采用两种不同的材料作为热电极。0ln),(tt00dTNNekttEAtAtAB∵温差电动势只占极小部分2020/4/26第四章非电量的电测技术133）如果热电偶两结点温度相等t=t0，热电偶回路内的总电势亦为零。4）热电偶AB的热电势与A、B材料的中间温度无关，只与结点温度有关。5）中间导体定律利用热电偶进行测温,必须在回路中引入连接导线和仪表,接入导线和仪表后会不会影响回路中的热电势呢？0ln),(tt00dTNNekttEBtAtAB中间导体定律：在热电偶测温回路内,接入第三种导体C,只要其两端温度相同,则对回路的总热电势没有影响。+ABCtt0t02020/4/26第四章非电量的电测技术14证明:中间导体定律由于温差电势可忽略不计,则回路中的总热电势等于EABC(T,T0)=eAB(T)+eBC(T0)+eCA(T0)（*）当T=T0时,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、第五种导体后,只要加入的导体两端温度相等,同样不影响回路中的总热电势。2020/4/26第四章非电量的电测技术15利用热电偶测温时，连接导线和显示仪表等均可看成中间导体。根据中间导体定律只要保证连接导线和显示仪表各自两端的温度相同，则对热电偶的热电势没有影响。因此中间导体定律对热电偶的实际应用有十分重要的意义。图利用中间导体定律制成开路电偶测量金属和金属壁面的温度。根据此定律，除可在热电偶测温回路中接入各种类型的显示仪表或调节器外，也可以推广到对液态金属材料和固态金属材料表面的温度测量，如图所示。有时为了提高测量精度，或者为了使用上的方便，将热电极A和B直接插入液态金属或焊在固体金属表面上。例如，用热电偶连续测量铁水的温度就是这样的。在连续测量过程中，热电极不断地被铁水熔掉，而根据这个定律，就不需要先焊接了。T0ABT金属壁面MM连接管热电偶液态金属2020/4/26第四章非电量的电测技术166）标准电极定律当结点温度为t,t0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。)t(t,E-)t(t,E)t(t,E0BC0AC0AB+Att0+tt0+tt0CCBBA)(tE-(t)E)t(t,E0ACAC0AC)(tE-(t)E)t(t,E0BCBC0BC如图，导体A、B分别与标准电极C组成热电偶，若它们所产生的热电动势为已知，即那么，导体A与B组成的热电偶，其热电动势可由下式求得：2020/4/26第四章非电量的电测技术17应用：标准电极定律是一个极为实用的定律。纯金属的种类很多，合金类型更多。要得出这些金属之间组合而成热电偶的热电动势，工作量极大。由于铂的物理、化学性质稳定，熔点高，易提纯，所以，通常选用高纯铂丝作为标准电极，只要测得各种金属与纯铂组成的热电偶的热电动势表4-2，则各种金属之间相互组合而成的热电偶的热电动势可直接计算。例如：热端为100℃，冷端为0℃时，镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为2.95mV，考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为-4.0mV；则镍铬和考铜组合成的热电偶所产生的热电动势：2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV用于制造铂热电偶的各种铂热电偶丝2020/4/26第四章非电量的电测技术18三、热电偶冷端温度补偿热电效应的原理可知，热电偶产生的热电动势与两端温度有关。只有将冷端的温度恒定，热电动势才是热端温度的单值函数。必要性：1、用热电偶的分度表查毫伏数-温度时，必须满足t0=0C的条件。在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化，这样t0不但不是0C，而且也不恒定，因此将产生误差。2、一般情况下，冷端温度均高于0C，热电势总是偏小。应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失。2020/4/26第四章非电量的电测技术19（一）补偿导线法采用相对廉价的补偿导线，可延长热电偶的冷端，使之远离高温区；可节约大量贵金属；易弯曲，便于敷设。所谓补偿导线：实际上是一对材料化学成分不同的导线，在0～100℃温度范围内与配接的热电偶有一致的热电特性，但价格相对要便宜。若利用补偿导线，将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所(如仪表室)，其实质是相当于将热电极延长。2020/4/26第四章非电量的电测技术20补偿导线型号书p70表4－32020/4/26第四章非电量的电测技术21补偿导线外形A’B’屏蔽层保护层2020/4/26第四章非电量的电测技术22在使用延长线时的应注意以下几方面：①各种延长线只能与相应型号的热电偶配用，而且必须在规定的温度范围内使用；②注意极性，不能接反，否则会造成更大的误差；③延长线与热电偶连接的两个结点，其温度必须相同。2020/4/26第四章非电量的电测技术23例:采用镍铬-镍硅热电偶测量炉温。热端温度为800℃，冷端温度为50℃。为了进行炉温的调节及显示，必须将热电偶产生的热电动势信号送到仪表室，仪表室的环境温度恒为20℃。由镍铬-镍硅热电偶分度表查出它在冷端温度为0℃，热端温度为800℃时的热电动势为E(800，0)=33.275mV；热端温度为50℃时的热电动势为E(50，0)=2.023mV；热端温度为20℃时的热电动势为E(20，0)=0.798mV。如果热电偶与仪表之间直接用铜导线连接，根据中间导体定律，输入仪表的热电动势为：E(800，50)=E(800，0)-E(50，0)=(33.277-2.022)mV=31.255mV(相当于751℃)。如果热电偶与仪表之间用补偿导线连接，相当于将热电偶延伸到仪表室，输入仪表的热电动势为：E(800，20)=E(800，0)-E(20，0)=(33.277-0.798)mV=32.479mV(相当于781℃)。与炉内的真实温度相差分