第03讲 热电偶温度传感器

传感器与检测技术第五讲热电偶温度传感器ThermocoupleSensor2传感器与检测技术目录•单击添加文字内容•单击添加文字内容•单击添加文字内容3传感器与检测技术4传感器与检测技术5传感器与检测技术一、热电偶测温原理温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。它除具有结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号便于远传或信号转换等优点外，还能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。6传感器与检测技术一、热电偶的特点温度测量范围宽性能稳定、准确可靠信号可以远传和纪录7传感器与检测技术二、热电偶的分类1按材料分类–廉价金属•铁－康铜、铜－康铜、镍铬－考铜、……–贵重金属•铂铑10－铂、铂铑10－铂铑6–难熔金属•钨铼系、钨钼系、……–非金属•二碳化钨－二碳化钼、石墨＝碳化物……8传感器与检测技术2按用途和结构分类–普通工业类•直形、角形、锥形–专用类9传感器与检测技术三、工作原理两种不同的导体或半导体A和B组合成如图所示闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同(设T＞T0)，则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在。这种现象叫做热电效应(ThermoelectricEffect)在1821年首先由西拜克（See-back）发现，所以又称西拜克效应。10传感器与检测技术回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即温差电势和接触电势。冷端热端11传感器与检测技术1.接触电势Peltier电势接触电势原理图12传感器与检测技术()()ln()AABBNTkTETeNTＥAB(T)——导体A、B结点在温度T时形成的接触电动势；E——单位电荷，e=1.6×10-19C；k——波尔兹曼常数，k=1.38×10-23J/K；NA、NB——导体A、B在温度为T时的自由电子密度。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。13传感器与检测技术2.温差电势Thomson电势TAT0ＥA(T)温差电势原理图14传感器与检测技术ＥA(T，T0)—导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势；T，T0—高低端的绝对温度；σA—汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1℃时所产生的温差电动势，例如在0℃时，铜的σ=2μV/℃。00(,)TAATETTdT15传感器与检测技术由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0,如果T＞T0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：3.回路总电势16传感器与检测技术0000000(,)()()(,)(,)lnln()ABABABABTATATABTBTBTETTETETETTETTNNkTkTdTeNeNNAT——导体A在结点温度为T时的电子密度；NAT0——导体A在结点温度为T0时的电子密度；NBT——导体B在结点温度为T时的电子密度；NBT0——导体B在结点温度为T0时的电子密度；A——导体A的汤姆逊系数；B——导体B的汤姆逊系数。17传感器与检测技术温差电势比接触电势小，根据电磁场理论得00(,)lnTAABTBNkETTdTeN由于NA、NB是温度的单值函数00(,)()()()()ABABABETTETETfTCT18传感器与检测技术在工程应用中，常用实验的方法得出温度与热电势的关系并做成表格，以供备查。由公式可得：热电偶的热电势，等于两端温度分别为T和零度以及T0和零度的热电势之差。0000(,)()()()(0)[()(0)](,0)(,0)ABABABABABABABABABETTETETETEETEETET19传感器与检测技术★热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。★只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热电偶；相同材料不会产生热电势，因为当A、B两种导体是同一种材料时，ln(NA/NB)=0也即EAB(T，T0)=0四点结论：20传感器与检测技术★导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使EAB(T0)=常数，则回路热电势EAB(T，T0)就只与温度T有关，而且是T的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。★只有当热电偶两端温度不同，热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生。21传感器与检测技术对于有几种不同材料串联组成的闭合回路，接点温度分别为T1、T2、…、Tn，冷端温度为零度的热电势。其热电势为E=EAB（T1）+EBC（T2）+…+ENA（Tn）22传感器与检测技术由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体是否存在温度梯度，回路中没有电流(即不产生电动势)；反之，如果有电流流动，此材料则一定是非均质的，即热电偶必须采用两种不同材料作为电极。1.均质导体定律四、热电偶回路的性质（基本定律）23传感器与检测技术E总=EAB（T）+EBC（T）+ECA（T）=0三种不同导体组成的热电偶回路TABCTT一个由几种不同导体材料连接成的闭合回路，只要它们彼此连接的接点温度相同，则此回路各接点产生的热电势的代数和为零。如图，由A、B、C三种材料组成的闭合回路，则2.中间导体定律24传感器与检测技术（1）将第三种材料C接入由A、B组成的热电偶回路，如图，则图a中的A、C接点2与C、A的接点3，均处于相同温度T0之中，此回路的总电势不变，即EAB(T1,T2)=EAB(T1)–EAB(T2)同理，图b中C、A接点2与C、B的接点3，同处于温度T0之中，此回路的电势也为：EAB（T1,T2）=EAB（T1）-EAB（T2）两点结论：25传感器与检测技术AACB23CAB23T2T1T0T0T0T0T2T1EABEAB(a)(b)第三种材料接入热电偶回路图26传感器与检测技术根据上述原理，可以在热电偶回路中接入电位计E，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，就不会影响回路中原来的热电势，接入的方式见下图所示。ET0T0TET0T1T1T27传感器与检测技术EAB（T,T0）=EAC（T,T0）+ECB（T,T0）（2）如果任意两种导体材料的热电势是已知的，它们的冷端和热端的温度又分别相等，如图所示，它们相互间热电势的关系为：28传感器与检测技术如果不同的两种导体材料组成热电偶回路,其接点温度分别为T1、T2(如图所示)时,则其热电势为EAB(T1,T2)；当接点温度为T2、T3时，其热电势为EAB(T2,T3)；当接点温度为T1、T3时，其热电势为EAB(T1,T3)，则BBAT2T1T3AABEAB（T1,T3）=EAB（T1,T2）+EAB（T2,T3）3.中间温度定律29传感器与检测技术EAB（T1,T3）=EAB（T1,0）+EAB（0,T3）=EAB（T1,0）－EAB（T3,0）=EAB（T1）－EAB（T3）对于冷端温度不是零度时，热电偶如何分度表的问题提供了依据。如当T2=0℃时，则：30传感器与检测技术ABT1T2A’T0热电偶补偿导线接线图E只要T1、T0不变，接入AˊBˊ后不管接点温度T2如何变化，都不影响总热电势。这便是引入补偿导线原理。EAB=EAB(T1)–EAB(T0)说明：当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A、B同样热电特性的材料A′、B′(如图)即引入所谓补偿导线时，当EAA΄(T2)=EBB΄(T2)，则回路总电动势为T2B’T031传感器与检测技术热电偶材料应满足：物理性能稳定，热电特性不随时间改变；化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐蚀；热电势高，导电率高，且电阻温度系数小；便于制造；复现性好，便于成批生产。2.4.2热电偶的常用材料与结构32传感器与检测技术1．铂铑10—铂热电偶（S型）分度号LB—3工业用热电偶丝：Φ0.5mm，实验室用可更细些。正极：铂铑合金丝,用90％铂和10％铑(重量比)冶炼而成。负极：铂丝。测量温度：长期：1300℃、短期：1600℃。特点：材料性能稳定，测量准确度较高；可做成标准热电偶或基准热电偶。用途：实验室或校验其它热电偶。测量温度较高，一般用来测量1000℃以上高温。在高温还原性气体中（如气体中含CO、H2等）易被侵蚀，需要用保护套管。材料属贵金属，成本较高。热电势较弱。一、热电偶常用材料33传感器与检测技术工业用热电偶丝：Φ1.2~2.5mm，实验室用可细些。正极：镍铬合金(用88.4～89.7％镍、9～10％铬，0.6％硅，0.3％锰，0.4～0.7％钴冶炼而成)。负极：镍硅合金(用95.7～97％镍,2～3％硅,0.4～0.7％钴冶炼而成)。测量温度：长期1000℃，短期1300℃。特点：价格比较便宜，在工业上广泛应用。高温下抗氧化能力强，在还原性气体和含有SO2，H2S等气体中易被侵蚀。复现性好，热电势大，但精度不如WRLB。2．镍铬—镍硅(镍铝)热电偶（K型）分度号EU—234传感器与检测技术工业用热电偶丝：Ф1.2～2mm，实验室用可更细些。正极：镍铬合金负极：考铜合金（用56％铜，44％镍冶炼而成）。测量温度：长期600℃，短期800℃。特点：价格比较便宜，工业上广泛应用。在常用热电偶中它产生的热电势最大。气体硫化物对热电偶有腐蚀作用。考铜易氧化变质，适于在还原性或中性介质中使用。3．镍铬—考铜热电偶（E型）分度号为EA—235传感器与检测技术正极：铂铑合金（用70％铂，30％铑冶炼而成）。负极：铂铑合金（用94％铂，6％铑冶炼而成）。测量温度：长期可到1600℃，短期可达1800℃。特点：材料性能稳定，测量精度高。还原性气体中易被侵蚀。低温热电势极小，冷端温度在50℃以下可不加补偿。成本高。4．铂铑30—铂铑6热电偶（B型）分度号为LL—236传感器与检测技术（1）铱和铱合金热电偶如铱50铑—铱10钌热电偶它能在氧化气氛中测量高达2100℃的高温。（2）钨铼热电偶是60年代发展起来的，是目前一种较好的高温热电偶，可使用在真空惰性气体介质或氢气介质中，但高温抗氧能力差。国产钨铼-钨铼20热电偶使用温度范围300～2000℃分度精度为1％。几种持殊用途的热电偶37传感器与检测技术（3）金铁—镍铬热电偶主要用在低温测量，可在2～273K范围内使用，灵敏度约为10μV／℃。（4）钯—铂铱15热电偶是一种高输出性能的热电偶，在1398℃时的热电势为47.255mV，比铂—铂铑10热电偶在同样温度下的热电势高出3倍，因而可配用灵敏度较低的指示仪表，常应用于航空工业。38传感器与检测技术（6）铜—康铜热电偶，分度号MK热电偶的热电势略高于镍铬-镍硅热电偶，约为43μV/℃。复现性好，稳定性好，精度高，价格便宜。缺点是铜易氧化，广泛用于20K～473K的低温实验室测量中。（5）铁—康铜热电偶，分度号TK灵敏度高，约为53μV/℃，线性度好，价格便宜，可在800℃以下的还原介质中使用。主要缺点是铁极易氧化，采用发蓝处理后可提高抗锈蚀能力。39传感器与检测技术常用的热电偶材料热电偶分度号热电极材料正极负极S铂铑10纯铂R铂铑13纯铂B铂铑30铂铑6K镍铬镍硅T纯铜铜镍J铁铜镍N镍铬硅镍硅E镍铬铜镍40传感器与检测技术1．工业用热电偶下图为典型工业用热电偶结构示意图。它由热电偶丝、绝缘套管、保护套管以及接线盒等部分组成。实验室用时，也可不装保护套管，以减小热惯性。工业热电偶结构示意图1－接线盒；2－保险套管3―绝缘套管4―热电偶丝12342.4.3常用热电偶的结构类型41传感器与检测技术各种热电偶42传感器与检测技术热电偶结构43传感器与检测技术铠装热电偶44传感器与检测技术断面如图所示。它是由热电偶丝、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。优点是小型化（直径从12mm到0.25mm）、寿命、热惯性小，使用方便。测温范围在1100℃以下的有：镍铬—镍硅、镍铬—考铜铠装式热电偶。2．铠装式热电偶（又称套管式热电偶）45传感器与检测技术铠装式热电偶断面结构示意图