1、 15.1.3 熱電偶傳感器熱電偶傳感器 1. 熱電偶測溫原理熱電偶測溫原理 兩種兩種不同材料不同材料的導體（或半導體）的導體（或半導體）組成一個閉合回路組成一個閉合回路(如圖如圖158所示所示)。 熱電偶回路 TT0AB 當兩接點溫度當兩接點溫度 T 和和 T0 不同時，在回不同時，在回路中就會產生電動勢，路中就會產生電動勢， 這種現象稱為這種現象稱為熱電效應熱電效應, 該電動勢稱為該電動勢稱為熱電勢熱電勢。 兩種不同材料的導體或半導體的組兩種不同材料的導體或半導體的組合稱為合稱為熱電偶熱電偶， 導體導體A、B稱為稱為熱電極熱電極。 熱電偶測溫系統簡圖 TT0AB 兩個接點，一個稱兩個接點，

2、一個稱熱端熱端，又稱測量端，又稱測量端或工作端，測溫時或工作端，測溫時將它置于被測介質中將它置于被測介質中; 另一個稱另一個稱冷端冷端，又稱參考端或自由，又稱參考端或自由端，它通過導線與顯示儀表相連。端，它通過導線與顯示儀表相連。 圖圖15-9是最簡單的熱電偶溫度傳感器測溫是最簡單的熱電偶溫度傳感器測溫系統示意圖。系統示意圖。 熱電偶回路 TT0AB 1. 接觸電勢接觸電勢 兩種不同導體在接觸處形成的電動勢。兩種不同導體在接觸處形成的電動勢。 產生的原因：產生的原因： 兩種不同導體的自由電子密度不同。兩種不同導體的自由電子密度不同。熱電勢由兩部分組成：接觸電勢、熱電勢由兩部分組成：接觸電勢、溫

3、差電勢溫差電勢 自由電子由密度大的導體向密度小自由電子由密度大的導體向密度小的導體擴散，在接觸處失去電子的一側的導體擴散，在接觸處失去電子的一側帶正電，得到電子的一側帶負電，帶正電，得到電子的一側帶負電， 擴散達到動態平衡時，在接觸面的擴散達到動態平衡時，在接觸面的兩側就形成兩側就形成穩定穩定的接觸電勢。的接觸電勢。 接觸電勢的數值取決于接觸電勢的數值取決于兩種不同導兩種不同導體的性質體的性質和和接觸點的溫度接觸點的溫度。 兩接點的接觸電勢兩接點的接觸電勢eAB(T)和和eAB（T0）可表示為可表示為 ()1ATABBTNKTeTneN0000()1ATABBTNKTeTneN K波爾茲曼常數

4、；波爾茲曼常數； e單位電荷電量；單位電荷電量； NAT、NBT和和NAT0、NBT0 溫度分別溫度分別為為T和和T0時，時，A、B兩種材料的電子密度。兩種材料的電子密度。 2. 溫差電勢溫差電勢 同一導體的兩端同一導體的兩端因其溫度不同而產因其溫度不同而產生的一種電動勢。生的一種電動勢。 產生的原因：產生的原因： 高溫端的電子能量要比低溫端的電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，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，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

5、而帶負電，低溫端因獲得多余的電子而帶負電， 在導體兩端便形成溫差電勢。在導體兩端便形成溫差電勢。 其大小由下面公式給出：其大小由下面公式給出： 0t0()1( ,)TAATAtd N tKe T TdteNdt 00()1( ,)TBtBTBtd N tKe T TdteNdt NAt 和和 NBt 分別為導體分別為導體A和導體和導體B的的電子密度，是溫度的函數。電子密度，是溫度的函數。 熱電偶回路中產生的總熱電勢：熱電偶回路中產生的總熱電勢： eAB(T, T0)=eAB(T)+eB(T,T0)eAB(T0)eA(T,T0) 熱電偶回路 TT0AB 在總熱電勢中，在總熱電勢中，溫差電勢比接觸

6、電溫差電勢比接觸電勢小很多，可忽略不計勢小很多，可忽略不計，則熱電偶的，則熱電偶的熱熱電勢電勢可表示為可表示為 eAB(T,T0)=eAB(T)eAB(T0) 對于已選定的熱電偶，當對于已選定的熱電偶，當T0恒定時，恒定時，eAB(T0)=c為常數，則總的熱電動勢就只為常數，則總的熱電動勢就只與溫度與溫度 T 成單值函數關系，即成單值函數關系，即 eAB(T,T0)=eAB(T)c=f(T) 這一關系式在實際測量中很有用。這一關系式在實際測量中很有用。 只要測出只要測出eAB（T， T0）的大小，就）的大小，就能得到被測溫度能得到被測溫度T，這就是利用熱電偶，這就是利用熱電偶測溫的原理。測溫的

7、原理。 均質導體定律均質導體定律 由兩種均質導體組成的熱電偶，其由兩種均質導體組成的熱電偶，其熱電動勢的大小熱電動勢的大小只只與兩材料及兩與兩材料及兩接點溫接點溫度度有關，有關， 與熱電偶的大小尺寸、形狀及沿電與熱電偶的大小尺寸、形狀及沿電極各處的溫度分布無關。極各處的溫度分布無關。 2. 熱電偶基本定律熱電偶基本定律 即如果材料不均勻，當導體上存在即如果材料不均勻，當導體上存在溫度梯度溫度梯度時，將會有時，將會有附加電動勢附加電動勢產生。產生。 這條定理說明，熱電偶必須由兩種這條定理說明，熱電偶必須由兩種不同性質的均質材料構成。不同性質的均質材料構成。 中間導體定律中間導體定律 利用熱電偶進

8、行測溫，必須在回路利用熱電偶進行測溫，必須在回路中引入中引入連接導線連接導線和和儀表儀表，接入導線和儀，接入導線和儀表后會不會影響回路中的熱電勢呢？表后會不會影響回路中的熱電勢呢？ 中間導體定律說明，在熱電偶測溫中間導體定律說明，在熱電偶測溫回路內，接入第三種導體時，只要第三回路內，接入第三種導體時，只要第三種導體的兩端種導體的兩端溫度相同溫度相同，則對回路的總，則對回路的總熱電勢沒有影響。熱電勢沒有影響。 圖15-10 具有三種導體的熱電偶回路 tABt0t0CCBt1t1AACCtt0(a)(b) 圖圖15-10為接入第三種導體熱電偶回為接入第三種導體熱電偶回路的兩種形式。路的兩種形式。

9、tABt0t0CCBt1t1AACCtt0(a)(b) tABt0t0CCBt1t1AACCtt0(a )(b ) tABt0t0CCBt1t1AACCtt0(a)(b) 在圖在圖15-10（a）所示的回路中，由）所示的回路中，由于溫差電勢可忽略不計，則回路中的總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，熱電勢等于各接點的接觸電勢之和， 即即 EABC(t,t0)=eAB(t)+eBC(t0)+eCA(t0) 當當t=t0時，有時，有 eBC(t0)+eCA(t0)= - eAB(t0) 最后，得最后，得 EABC(t,t0)=eAB(t) - eAB(t0)=EAB(

10、t,t0) tABt0t0CCBt1t1AACCtt0(a)(b) 中間溫度定律中間溫度定律 在熱電偶測溫回路中，在熱電偶測溫回路中，tc為為熱電極熱電極上某一點的溫度，熱電偶上某一點的溫度，熱電偶AB在接點溫度在接點溫度為為t、t0時的熱電勢時的熱電勢eAB(t, t0)等于熱電偶等于熱電偶AB在接點溫度在接點溫度t、tc和和tc、t0時的熱電勢時的熱電勢eAB(t, tc)和和eAB(tc, t0)的代數和（見圖的代數和（見圖15-11），）， 中間溫度定律 tt0ABtctc)(AA)(BB eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0) 該定律是參考端溫度計算修正法的該定

11、律是參考端溫度計算修正法的理論依據，在實際熱電偶測溫回路中理論依據，在實際熱電偶測溫回路中, 利利用熱電偶這一性質用熱電偶這一性質, 可對參考端溫度不為可對參考端溫度不為0的熱電勢進行修正。的熱電勢進行修正。 另外根據這個定律，可以連接與另外根據這個定律，可以連接與熱電偶熱電特性相近的導體熱電偶熱電特性相近的導體A和和B(見見圖圖15-11)，將熱電偶冷端延伸到溫度恒，將熱電偶冷端延伸到溫度恒定的地方，這就為熱電偶回路中應用定的地方，這就為熱電偶回路中應用補償導線提供了理論依據。補償導線提供了理論依據。 3. 熱電偶的類型熱電偶的類型 理論上講，任何兩種不同材料的導理論上講，任何兩種不同材料的

12、導體都可以組成熱電偶，體都可以組成熱電偶， 但為了準確可靠地測量溫度，對組但為了準確可靠地測量溫度，對組成熱電偶的材料必須經過嚴格的選擇。成熱電偶的材料必須經過嚴格的選擇。 工程上用于熱電偶的材料應滿足以工程上用于熱電偶的材料應滿足以下條件：下條件： 熱電勢變化盡量大，熱電勢與溫度熱電勢變化盡量大，熱電勢與溫度關系盡量接近線性關系，物理、化學性關系盡量接近線性關系，物理、化學性能穩定，易加工，復現性好，便于批量能穩定，易加工，復現性好，便于批量生產，有良好的互換性。生產，有良好的互換性。 國際電工委員會（國際電工委員會（IEC）向世界各）向世界各國推薦國推薦 8 種標準化熱電偶。種標準化熱電偶

13、。 我國已采用我國已采用IEC標準生產熱電偶。標準生產熱電偶。 表表15-2為我國采用的幾種熱電偶為我國采用的幾種熱電偶的主要性能和特點。的主要性能和特點。 標準化熱電偶的主要性能和特點標準化熱電偶的主要性能和特點 標準化熱電偶的主要性能和特點標準化熱電偶的主要性能和特點 表表15-3 S型型(鉑銠鉑銠10-鉑鉑)熱電偶分度表熱電偶分度表 表表 15-4 B型型(鉑銠鉑銠30鉑銠鉑銠6)熱電偶分度表熱電偶分度表 表表15-5 K型型(鎳鉻鎳鉻鎳硅鎳硅)熱電偶分度表熱電偶分度表 表表 15-6 E型型(鎳鉻鎳鉻銅鎳銅鎳)熱電偶分度表熱電偶分度表 還有一些特殊用途的熱電偶，以滿還有一些特殊用途的熱

14、電偶，以滿足特殊測溫的需要。足特殊測溫的需要。 測量測量3800超高溫的超高溫的鎢鎳鎢鎳系列熱電偶，系列熱電偶， 測量測量2273K的超低溫的的超低溫的鎳鉻金鎳鉻金鐵鐵熱電偶等。熱電偶等。 4. 熱電偶的結構形式熱電偶的結構形式 為了適應不同生產對象的測溫要為了適應不同生產對象的測溫要求和條件，熱電偶的結構形式有三種：求和條件，熱電偶的結構形式有三種： 普通型普通型 鎧裝型鎧裝型 薄膜型薄膜型 (1) 普通型熱電偶普通型熱電偶 普通型結構熱電偶工業上使用最多，普通型結構熱電偶工業上使用最多，它一般由熱電極、絕緣套管、保護管和它一般由熱電極、絕緣套管、保護管和接線盒組成，其結構如圖接線盒組成，其

15、結構如圖15-12 所示。所示。圖15-12 普通型熱電偶結構 接線盒熱電極熱端絕緣管保護管 普通型熱電偶按其安裝時的連接形普通型熱電偶按其安裝時的連接形式可分為：式可分為： 固定螺紋連接固定螺紋連接 固定固定法蘭法蘭連接連接 活動法蘭連接活動法蘭連接 無固定裝置無固定裝置 法蘭：法蘭： 又叫法蘭盤。又叫法蘭盤。 使管子與管子相互連接的零件。使管子與管子相互連接的零件。 (2) 鎧裝型熱電偶鎧裝型熱電偶 鎧裝熱電偶又稱鎧裝熱電偶又稱套管套管熱電偶。熱電偶。 它是由熱電偶絲、絕緣材料和金屬它是由熱電偶絲、絕緣材料和金屬套管三者經拉伸加工而成的堅實組合體，套管三者經拉伸加工而成的堅實組合體，如圖如

16、圖15-13所示。所示。 鎧裝型熱電偶 它可以做得很細很長，使用中隨需它可以做得很細很長，使用中隨需要能任意彎曲。要能任意彎曲。 鎧裝熱電偶的主要優點：鎧裝熱電偶的主要優點： 測溫端測溫端熱容量熱容量小，動態響應快，機小，動態響應快，機械強度高，械強度高，撓性撓性好，可安裝在結構復雜好，可安裝在結構復雜的裝置上，被廣泛用在許多工業部門中。的裝置上，被廣泛用在許多工業部門中。 熱容量：熱容量： 系統在某一過程中，溫度升高（或系統在某一過程中，溫度升高（或降低）降低）1所吸收（或放出）的熱量。所吸收（或放出）的熱量。 撓性：撓性： 彎曲性能。彎曲性能。 (3) 薄膜熱電偶薄膜熱電偶 薄膜熱電偶是由

17、兩種薄膜熱電極材薄膜熱電偶是由兩種薄膜熱電極材料用真空蒸鍍、化學涂層等辦法蒸鍍到料用真空蒸鍍、化學涂層等辦法蒸鍍到絕緣基板上而制成的一種特殊熱電偶，絕緣基板上而制成的一種特殊熱電偶， 如圖如圖15-14所示。所示。 薄膜熱電偶 12347561測量端；2絕緣基板；3、4熱電極；5、6引出線；7接頭夾具 薄膜熱電偶的熱接點可以做得很小薄膜熱電偶的熱接點可以做得很小（可薄到（可薄到0.010.1m），）， 具有熱容量小、反應速度快等特點，具有熱容量小、反應速度快等特點， 熱響應時間達到微秒級，熱響應時間達到微秒級， 適用于微小面積上的表面溫度以及適用于微小面積上的表面溫度以及快速變化的動態溫度測量

18、。快速變化的動態溫度測量。 5. 熱電偶的補償導線及冷端溫度的熱電偶的補償導線及冷端溫度的補償方法補償方法 當熱電偶材料選定以后，熱電動勢當熱電偶材料選定以后，熱電動勢只與熱端和冷端溫度有關。只與熱端和冷端溫度有關。 因此只有當冷端溫度恒定時，熱電因此只有當冷端溫度恒定時，熱電偶的熱電勢和熱端溫度才有單值的函數偶的熱電勢和熱端溫度才有單值的函數關系。關系。 此外熱電偶的分度表是以冷端溫度此外熱電偶的分度表是以冷端溫度0作為基準進行分度的，而在實際使作為基準進行分度的，而在實際使用過程中，冷端溫度往往不為用過程中，冷端溫度往往不為0，所，所以必須對冷端溫度進以必須對冷端溫度進,行處理，消除冷端行

19、處理，消除冷端溫度的影響。溫度的影響。 熱端溫度為熱端溫度為 t 時，分度表所對應的時，分度表所對應的熱電勢熱電勢eAB(t, 0)與熱電偶實際產生的熱電與熱電偶實際產生的熱電勢勢eAB(t,t0)之間的關系可根據中間溫度定之間的關系可根據中間溫度定律得到下式：律得到下式： eAB(t,0)= eAB(t,t0)+eAB(t0，0) 可見，可見，eAB(t0，0)是冷端溫度是冷端溫度t0的函的函數，因此需要對熱電偶冷端溫度進行處數，因此需要對熱電偶冷端溫度進行處理。理。 (1) 熱電偶補償導線熱電偶補償導線 在實際測溫時，需要把熱電偶輸出在實際測溫時，需要把熱電偶輸出的電勢信號傳輸到遠離現場數

20、十米遠的的電勢信號傳輸到遠離現場數十米遠的控制室里的顯示儀表或控制儀表，這樣控制室里的顯示儀表或控制儀表，這樣, 冷端溫度冷端溫度t0比較穩定。比較穩定。 熱電偶做得較短，熱電偶做得較短， 一般為一般為3502000mm， 需要用導線將熱電偶的冷端延伸出來。需要用導線將熱電偶的冷端延伸出來。 工程中采用一種工程中采用一種補償導線補償導線，由，由兩兩種不同性質的廉價金屬導線種不同性質的廉價金屬導線制成，制成， 而且在而且在0100溫度范圍內，要溫度范圍內，要求補償導線和所配熱電偶具有相同的求補償導線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。熱電特性。 表表15-5 常用補償導線常用補償導線 (2) 冷端溫

21、度修正法冷端溫度修正法 采用補償導線可使熱電偶的冷端延采用補償導線可使熱電偶的冷端延伸到溫度比較穩定的地方，伸到溫度比較穩定的地方， 但只要冷端溫度但只要冷端溫度t0不等于不等于0，需要，需要對熱電偶回路的測量電勢值對熱電偶回路的測量電勢值eAB（t，t0）加以修正。加以修正。 當工作端溫度為當工作端溫度為 t 時，分度表所對時，分度表所對應的熱電勢應的熱電勢eAB(t,0)與熱電偶實際產生的與熱電偶實際產生的熱電勢熱電勢eAB(t,t0)之間的關系可根據中間溫之間的關系可根據中間溫度定律得到下式：度定律得到下式： eAB(t,0)= eAB(t,t0)+eAB(t0，0) 由此可見，測量電勢

22、值由此可見，測量電勢值eAB(t, t0)的修的修正值為正值為eAB(t0, 0)。 eAB(t0，0)是參考端溫度是參考端溫度t0的函數，的函數，經修正后的熱電勢為經修正后的熱電勢為eAB（t，0），可由），可由分度表中查出被測實際溫度值分度表中查出被測實際溫度值 t。 例如，用鎳鉻例如，用鎳鉻-鎳硅熱電偶測量加熱鎳硅熱電偶測量加熱爐溫度。已知冷端溫度爐溫度。已知冷端溫度t0=30，測得熱，測得熱電勢電勢eAB（t，t0）為）為33.29mV, 求加熱爐溫求加熱爐溫度。度。 表表15-5 K型型(鎳鉻鎳鉻鎳硅鎳硅)熱電偶分度表熱電偶分度表 解：查鎳鉻解：查鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表得鎳硅熱電偶分

23、度表得eAB（30，0）1.203 mV。 由公式可得由公式可得 eAB（t，0）= eAB(t,t0)+eAB(t0,0)= 33.29+1.203=34.493mV 由鎳鉻由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表得鎳硅熱電偶分度表得t=829.5。 (3) 冷端冷端0恒溫法恒溫法 在實驗室及精密測量中，通常把冷在實驗室及精密測量中，通常把冷端放入端放入0恒溫器或裝滿冰水混合物的容恒溫器或裝滿冰水混合物的容器中，以便冷端溫度保持器中，以便冷端溫度保持0，這種方法，這種方法又稱又稱冰浴法冰浴法。 這是一種理想的補償方法，這是一種理想的補償方法， 但工業中使用極為不便。但工業中使用極為不便。 (4) 冷端溫度自

24、動補償法（補償電冷端溫度自動補償法（補償電橋法）橋法） 原理：利用不平衡電橋產生的不平原理：利用不平衡電橋產生的不平衡電壓衡電壓 Uab作為補償信號，作為補償信號， 來自動補償熱電偶測量過程中因冷來自動補償熱電偶測量過程中因冷端溫度不為端溫度不為0或變化而引起熱電勢的變或變化而引起熱電勢的變化值。化值。 補償電橋如圖補償電橋如圖15-16所示。所示。補償電橋 4 VabRsexr1r2r3rcu 補償電橋的組成：補償電橋的組成： 三個三個電阻溫度系數較小電阻溫度系數較小的的錳銅絲錳銅絲繞繞制的電阻制的電阻r1、r2、r3 電阻溫度系數較大的銅絲電阻溫度系數較大的銅絲繞制的電繞制的電阻阻 rcu

25、 穩壓電源。穩壓電源。 補償電橋與熱電偶冷端處在同一環補償電橋與熱電偶冷端處在同一環境溫度，當冷端溫度變化引起的熱電勢境溫度，當冷端溫度變化引起的熱電勢eAB(t,t0)變化時，由于變化時，由于rcu的阻值隨冷端溫的阻值隨冷端溫度變化而變化，適當選擇橋臂電阻和橋度變化而變化，適當選擇橋臂電阻和橋路電流，就可以使電橋產生的不平衡電路電流，就可以使電橋產生的不平衡電壓壓Uab補償由于冷端溫度補償由于冷端溫度t0變化引起的熱變化引起的熱電勢變化量，從而達到自動補償的目的。電勢變化量，從而達到自動補償的目的。 6. 熱電偶測溫線路熱電偶測溫線路 熱電偶測溫的顯示方法：熱電偶測溫的顯示方法： 熱電偶直接

26、與熱電偶直接與顯示儀表顯示儀表（如電子電（如電子電位差計、數字電壓表等）配套使用，位差計、數字電壓表等）配套使用， 熱電偶與熱電偶與溫度變送器溫度變送器配套，轉換成配套，轉換成標準電流信號。標準電流信號。圖15-17 熱電偶典型測溫線路普通測溫線路； (b) 帶有補償器的測溫線路；(a) (c) 具有溫度變送器的測溫線路； (d) 具有一體化溫度變送器的測溫線路補 償 器溫 度變 送 器溫 度變 送 器顯 示 儀 表顯 示 儀 表顯 示 儀 表顯 示 儀 表tAB補 償 導 線(a)tAB補 償 導 線(c)tAB補 償 導 線(b)tAB銅 導 線(d) 圖圖15-17 為典型的熱電偶測溫線路。為典型的熱電偶測溫線路。(a)普通測溫線路補 償 器溫 度變 送 器溫 度變 送 器顯 示 儀 表顯 示 儀 表顯 示 儀 表顯 示 儀 表tAB補 償 導 線(a)tAB補 償 導 線(c)tAB補 償 導 線(b)tAB銅 導 線(d) (b) 帶有補償器的測溫線路補 償 器溫 度變 送 器溫 度變 送 器顯 示 儀 表顯 示 儀 表顯 示 儀 表顯 示 儀 表tAB補 償 導 線(a)tAB補 償 導 線(c)tAB補 償 導