第5章 热电偶传感器

5.1 热电偶工作原理 5.1.1 热电偶工作原理 1．热电效应 将两种不同成分的导体组成一个闭合回路，当闭合回路的两个接点分别置于不同温度场中时，回路中将产生一个电动势。这种现象被称为“热电效应”。两种导体组成的回路被称为“热电偶”，这两种导体被称为“热电极”，产生的电动势则被称为“热电动势”。热电偶的两个工作端分别被称为热端和冷端。 图5.1 热电偶回路 第5章 热电偶传感器

2．接触电动势 当A和B两种不同材料的导体接触时，在A与B两导体的接触处产生的电位差，称为接触电动势。 eAB(t) =UA(t)-UB(t) eAB(t0) =UA(t0)-UB(t0) 接触电动势的大小与接点处温度高低和导体的电子密度有关。温度越高，接触电动势越大；两种导体电子密度的比值越大，接触电动势越大。 3．温差电动势 ， 若将导体A或B的两端分别置于不同的温度场t、t0中（t > t0），在导体两端便产生了电位差，将该电位差称为温差电动势。 eA (t，t0) =UA(t)-UA(t0) eB(t，t0) =UB(t)-UB(t0) 温差电动势的大小与导体的电子密度及两端温度有关。 第5章 热电偶传感器

EAB(t，t0)=eAB(t)–eAB(t0)–eA(t，t0)–eB(t，t0) 4．热电偶回路的总电势 热电偶回路的总电势为 EAB(t，t0)=eAB(t)–eAB(t0)–eA(t，t0)–eB(t，t0) 一般地，在热电偶回路中接触电动势远远大于温差电动势，所以温差电动势可以忽略不计 EAB(t，t0)=eAB(t)-eAB(t0) 热电偶回路中热电势的大小，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，即 EAB(t，t0)=f(t)-f(t0) 如果使冷端温度t0保持不变，则热电动势便成为热端温度t的单一函数，即 EAB(t，t0)=f(t)-C=φ(t) 用实验方法求取这个函数关系。通常令t0=0℃，然后在不同的温差（t - t0）情况下，精确地测定出回路总热电动势，并将所测得的结果列成表格（称为热电偶分度表），供使用时查阅。 第5章 热电偶传感器

5.1.2 热电偶的基本定律 1．均质导体定律 如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，无论两接点的温度如何，热电势均为零。 2．中间导体定律 5.1.2 热电偶的基本定律 1．均质导体定律 如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，无论两接点的温度如何，热电势均为零。 2．中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体和原导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变。 3．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。 4．中间温度定律 热电偶在两接点温度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时的相应热电动势的代数和。 EAB（t，t0）= EAB（t，tn）+ EAB（tn，t0） 第5章 热电偶传感器

5.2 热电偶的材料、结构及种类 5.2.1 热电偶材料 5.2.2 热电偶结构 根据金属的热电效应原理，组成热电偶的热电极可以是任意的金属材料，但在实际应用中，用作热电极的材料应具备如下几方面的条件： （1）测量范围广。 （2）性能稳定。 （3）化学性能好。 5.2.2 热电偶结构 1．普通工业热电偶的结构 热电极、绝缘管、 保护套管、接线盒 2．铠装热电偶 由金属套管、绝缘材料和热电极经焊 接密封和装配等工艺制成的坚实的组合体。 1—测量端；2—热电极；3—绝缘食管； 4—保护管；5—接线盒 图5.4 普通工业热电偶结构 第5章 热电偶传感器

5.2.3 热电偶种类及分度表 1．标准型热电偶 2．非标准型热电偶 非标准型热电偶包括铂铑系、铱铑系及钨铼系热电偶等。 3．薄膜热电偶 5.2.3 热电偶种类及分度表 1．标准型热电偶 名 称 新（旧）分度号 代号 测温范围（ºC） 铂铑30-铂铑6 B (LL-2) WRR 50～1280 铂铑13-铂 R (PR) — -50～1768 铂铑10-铂 S (LB-3) WRP 镍铬-镍硅 K (EU-2) WRN -270～1370 镍铬硅-镍硅 N 镍铬-铜镍（康铜） E (EA-2) WRK -270～800 铁-铜镍（康铜） J (JC) -210～760 铜-铜镍（康铜） T (CK) WRC -270～400 2．非标准型热电偶 非标准型热电偶包括铂铑系、铱铑系及钨铼系热电偶等。 3．薄膜热电偶 薄膜热电偶是由两种金属薄膜连接而成的一种特殊结构的热电偶。 第5章 热电偶传感器

5.3 热电偶的冷端补偿 1．冷浴法 将热电偶的冷端置于温度为0℃的恒温器内（如冰水混合物），使冷端温度处于0℃。这种装置通常用于实验室或精密的温度测量。 2．补偿导线法 所谓补偿导线，实际上是一对材料的化学成分不同的导线，在0～150℃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。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。 3．计算修正法 EAB（t，0）=EAB（t，t1）+EAB（t1，0） 【例5.2】用镍铬-镍硅热电偶测炉温，当冷端温度为30℃（且为恒定时）， 测出热端温度为t时的热电动势为39.17mV，求炉子的真实温度。 第5章 热电偶传感器

1－热电偶；2－补偿导线；3－铜导线；4－补偿电桥 由镍铬-镍硅热电偶分度表查出E（30，0）=1.20mV，可以计算出 E（t，0）=（39.17+1.20）mV=40.37mV 再通过分度表查出其对应的实际温度为t=977℃。 4．补偿电桥法 补偿电桥法利用不平衡电桥产生的不平衡电势来补偿因冷端温度变化引起的热电动势变化值，可以自动地将冷端温度校正到补偿电桥的平衡点温度上。 5．显示仪表零位调整法 如果热电偶冷端温度已知且恒定，则可预先将有零位调整器的显示仪表的指针从刻度的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温度值。 1－热电偶；2－补偿导线；3－铜导线；4－补偿电桥 图5.5 热电偶冷端补偿电桥 第5章 热电偶传感器

5.4 热电偶测温线路 1．测量某一点的温度 2．测量两点之间的温度差 图5.6 测量某点温度 图5.7 测量两点间温差 图5.7 测量两点间温差 图5.6 测量某点温度 第5章 热电偶传感器

3．热电偶并联线路 4．热电偶串联线路 图5.9 热电偶串联 图5.8 热电偶并联 第5章 热电偶传感器

4—保护用云母片；5—银绑带；6—铂电阻横断面；7—保护套管；8—石英骨架 5.5 热电阻 5.5.1 金属热电阻 大多数金属导体的电阻，都具有随温度变化的特性。 Rt=R0[1+(t-t0)] 1．铂热电阻 铂丝的电阻值与温度之间的关系： 在0～630.755℃范围内为 Rt=R0(1+At+Bt2) 在-190～0℃范围内为 Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3] 2．测量电路 采用三线制或四线制测量电路，可以克服长连接导线的电阻在环境温度变化时造成测量误差 。 （a）截面图 （b）结构图 1—银引出线；2—铂丝；3—锯齿形云母骨架； 4—保护用云母片；5—银绑带；6—铂电阻横断面；7—保护套管；8—石英骨架 图5.10 铂热电阻的构造 第5章 热电偶传感器

在测量过程中，当环境温度发生变化时，导线电阻发生变化。当然，Lg的电阻变化不影响电桥的平衡，L2和L3的电阻变化可以相互平衡而自动抵消。 （1）三线制连接法测量电路 在测量过程中，当环境温度发生变化时，导线电阻发生变化。当然，Lg的电阻变化不影响电桥的平衡，L2和L3的电阻变化可以相互平衡而自动抵消。 （2）四线制连接法测量电路 Rp不仅可调整电桥的平衡，而且其触点的接触电阻的变化是与指示电表串联，接在电桥的对角线内，其不稳定因素也不会影响电桥的平衡。 图5.12 三线制连接法测量电路 图5.13 四线制连接法测量电路 第5章 热电偶传感器

3．铜电阻 铜电阻与温度呈线性关系，可用下式表示： Rt=R0（1+at） 4．其他热电阻 （1）铟电阻。它是一种高精度低温热电阻。铟的熔点约为150℃，在4.2～15K温度域内其灵敏度比铂的高10倍，故可用于不能使用铂的低温范围。其缺点是材料很软，复制性很差。 （2）锰电阻。锰电阻的特点是在2～63K的低温范围内，电阻值随温度变化很大，灵敏度高；在2～16K的温度范围内，电阻率随温度平方变化。磁场对锰电阻的影响不大，且有规律。锰电阻的缺点是脆性很大，难以控制成丝。 图5.14 铜热电阻体 第5章 热电偶传感器

5.5.2 半导体热敏电阻 1．负温度系数热敏电阻（NTC） 2．正温度系数热敏电阻（PTC） 5.5.2 半导体热敏电阻 1．负温度系数热敏电阻（NTC） 2．正温度系数热敏电阻（PTC） 热敏电阻按结构形式可分为体型、薄膜型、厚膜型三种；按工作方式可分为直热式、旁热式、延迟电路三种；按工作温区可分为常温区（-60～200℃）、高温区（>200℃）、低温区热敏电阻三种。热敏电阻可根据使用要求，封装加工成各种形状的探头，如珠状、片状及杆状、锥状、针状等，如图5.16所示。 1—突变型NTC；2—负指数型NTC； 3—线性型PTC；4—突变型PTC 图5.15 热敏电阻的特性曲线 1—热敏电阻；2—玻璃外壳；3—引出线 图5.16 热敏电阻的结构外形与符号 第5章 热电偶传感器

5.5.3 集成温度传感器 集成温度传感器就是在一块极小的半导体芯片上集成了包括敏感器件、信号放大电路、温度补偿电路、基准电源电路等在内的各个单元，它使传感器与集成电路融为一体。 1．AD590系列集成温度传感器 图5.18 AD590特性曲线 图5.17 AD590外形和电路符号 第5章 热电偶传感器

2．其他类型的国产集成温度传感器 （1）SL134M集成温度传感器 SL134M是一种电流型三端器件，它是利用晶体管的电流密度差来工作的。 图5.19 U-I转换电路 图5.20 基准点可调整电路 2．其他类型的国产集成温度传感器 （1）SL134M集成温度传感器 SL134M是一种电流型三端器件，它是利用晶体管的电流密度差来工作的。 （2）SL616ET集成温度传感器 SL616ET是一种电压输出型四端器件，由基准电压、温度传感器、运算放大器三部分电路组成，整个电路可在7V以上的电源电压范围内工作。 第5章 热电偶传感器

（1）温度控制电路：如图5.22所示为用AD590做可变温度控制电路的原理图，此图如同一个闭环电路。 3．典型应用 （1）温度控制电路：如图5.22所示为用AD590做可变温度控制电路的原理图，此图如同一个闭环电路。 图5.22 温度控制电路 第5章 热电偶传感器

（2）数字温控电路：图5.23所示为AD590与一个8位D/A的组合电路。 图5.23 数字温控电路 第5章 热电偶传感器

（3）采用集成温度传感器的数字式温度计。由集成温度传感器AD590及A/D转换器7106等组成的数字式温度计。 图5.24 集成温度传感器的数字式温度计 第5章 热电偶传感器

（4）温度上下限报警。如图5.25所示，此电路中要用运放构成迟滞电压比较器，晶体管VT1和VT2根据运放输入状态而导通或截止，RT、R1、R2、R3构成一个输入电桥 。 图5.25 温度上下限报警电路 第5章 热电偶传感器

（5）电动机保护器。电动机往往由于超负荷、缺相及机械传动部分发生故障等原因造成绕组发热，利用PTR热敏电阻具有正温度系数这一特性可实现电机的过热保护。如图5.26所示为电动机保护器电路。 图5.26 电动机测温电路 第5章 热电偶传感器

小 结 热电偶结构简单，可用于测小空间的温度，动态响应快，电动势信号便于传送，在工业生产自动化领域得到普遍应用。热电偶属于自发电式温度传感器，应用时注意自由端温度补偿问题。目前常被用于测量100～1 500℃范围内的温度。 热电阻与热电偶相比，在相同的温度下输出信号较大，易于测量；热电阻的变化一般要经过电桥转换成电压输出。为了避免或减少导线电阻对测温的影响，工业热电阻一般采用三线制接法，其测量温度范围是-200～+650℃。 热敏电阻是半导体测温元件，具有灵敏度高，体积小，反应快的优点，广泛应用于温度测量、电路的温度补偿及温度控制。最常用的是电桥线路。存在的缺陷主要是互换性和稳定性不够理想，其次是非线性严重，因而限制了其应用领域。其工作温度范围是-50～+300℃。 集成温度传感器最大优点在于小型化、使用方便和成本低廉，广泛应用于温度监测、控制和补偿。其典型工作温度范围是-50～+150℃。 返回目录 第5章 热电偶传感器