本章主要內容：7.1熱電偶傳感器的工作原理7.2熱電偶的種類及結構7.3熱電偶自由端（冷端）溫度的補償7.4熱電偶測溫線路7.5熱電偶的應用第7章熱電偶傳感器2010年10月13日（星期三下午）南區9-1101教室

14：00-15：40本章教學目標及重點、難點一.教學目標：1、了解熱電勢效應，了解熱電偶的結構及種類。2、掌握熱電偶回路的主要性質。3、掌握熱電偶自由端溫度補償的常用方法。4、熟悉熱電偶的應用。二.重點及難點：重點：熱電偶回路的主要性質，熱電偶自由端溫度補償的常用方法，熱電偶的應用；難點：熱電偶自由端溫度補償的常用方法；7.1熱電偶的工作原理

熱電偶傳感器是將溫度轉換成電動勢的一種測溫裝置，它是工業中使用最為普遍的接觸式傳感器。

熱電偶屬于有源傳感器，使用時不需要外加電源，可以方便地測量爐子、管道中的氣體或液體溫度，也可以測量固體表面溫度，具有結構簡單、性能穩定、測溫范圍大、信號可以遠距離傳輸等特點。

熱電偶能夠將熱能直接轉換為電信號，并且輸出直流電壓信號，使得顯示、記錄和傳輸都很容易。一.熱電效應

將兩種不同材料的導體組成一個閉合回路，如圖4.87所示。當兩個結合點溫度T和T0不同時，則在該回路中就會產生電動勢，這種現象稱為熱電效應，相應的電動勢稱為熱電勢。1.兩種不同材料的導體

2.接成閉合回路

3.兩個接點處溫度不同回路中會產生熱電動勢。熱電效應條件：1.兩種不同材料導體的組合稱為熱電偶。2.導體A、B稱為熱電極。3.兩個接點中，一個接點稱為熱端，也稱為測量端或工作端，測溫時它被置于被測介質(溫度場)中；另一個接點稱為冷端，又稱參考端或自由端。

熱電動勢（電荷擴散）溫差電動勢:同一導體上因兩端溫度不同引起。接觸電動勢:兩種不同導體的接觸引起。二.熱電勢組成：溫差電動勢和接觸電動勢接觸電勢：是由于兩種不同導體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動勢。接觸電勢的數值取決于兩種不同導體的性質和接觸點的溫度。兩接點的接觸電勢eAB(t)和eAB(t0)可表示為:式中：k—玻耳茲曼常數，k＝1.38×10-23J/K；e—單位電荷電量，e=1.60×10-19C；nA、nB—A、B兩種材料的自由電子濃度。t、t0——接觸處的絕對溫度。結論：大小與金屬材料、接觸點的溫度有關，而與熱電極的幾何尺寸無關。溫差電動勢：是同一導體的兩端因其溫度不同而產生的一種電動勢，其大小表示為：和。式中，nAt和nBt

分別為A導體和B導體的自由電子密度，是溫度t的函數。結論：大小與A、B兩導體材料的性質有關，材料兩端溫差有關，與熱電極的幾何尺寸無關。熱電偶回路總電動勢熱電偶回路中的溫差電動勢很小，忽略之，可得（t0端以B為正）結論：

熱電偶回路中熱電動勢的大小：（1）取決于兩接點間的溫度差，（2）取決于兩種不同電極的材料。與電路形狀無關。如果冷端溫度t0不變，被測溫度t可通過溫差電動勢獲得。熱電偶回路中總電動勢：三.熱電偶基本定律

由兩種均質導體組成的熱電偶，其熱電動勢的大小只與兩材料及兩接點溫度有關，與熱電偶的尺寸大小、形狀及沿電極各處的溫度分布無關。如果構成熱電偶的兩種材料相同，不會產生熱電動勢。

1.均質導體定律利用該定律，可以檢查兩種熱電極材料是否相同，或一種熱電極材料是否均勻。2.中間導體定律

斷開熱電偶回路，接入第三種導體，只要兩個新接入點等溫，則回路總熱電動勢不變。測量儀表及引線作為第三種導體的熱電偶回路該定律說明在冷端接入放大電路，不會影響結果。在兩端接點溫度tc、t0時的熱電動勢為：則：3.中間溫度定律如熱電偶在兩端接點溫度t、t0時的熱電動勢為：在兩端接點溫度t、tc時的熱電動勢為：（在熱電偶回路中，兩接點溫度為T、T0時的熱電動勢，等于該熱電偶在接點溫度為T、Tc和Tc、T0時熱電動勢的代數和）在熱電偶測溫回路中，tc為熱電極上某一點的溫度，熱電偶AB在接點溫度為t、t0時的熱電勢EAB(t，t0)等于熱電偶AB在接點溫度為t、tc和tc、t0時的熱電勢EAB(t，tC)和EAB(tc，t0)的代數和，如圖4.90所示，即

根據該定律，熱電偶本身的導線如果不夠長，可以用同樣性質（同樣熱電特性）的補償導線加以延長。延長后的熱電動勢與延長線的中間溫度無關，只與延長后的兩端溫度有關。

如果已知兩種導體分別對第三種導體的熱電勢，則前兩種導體之間的熱電動勢可求：4.標準電極定律四.熱電偶的分度表不同金屬組成的熱電偶，溫度與熱電動勢之間有不同的函數關系，一般通過實驗的方法來確定，并將不同溫度下測得的結果列成表格，編制出熱電勢與溫度的對照表，即分度表，供使用時查閱，表中溫度按10℃分檔，其中間值按內插法計算，即S型(鉑銠10-鉑)熱電偶分度表7.2熱電偶材料、結構和種類

對制成熱電偶的材料的要求：（1）溫度測量范圍廣，溫度線性度好，測量精確度高，輸出熱電動勢大。（2）熱電性能穩定。（3）物理化學性能好。不蒸發、抗氧化等。

我國標準熱電偶有六種：（具有統一的分度表）

銅-康銅鎳鉻-康銅（E型）鎳鉻-鎳硅（K型）鎳鉻-鎳鋁鉑銠10-鉑（S型）鉑銠30-鉑銠6（B型）

非標準熱電偶：鉑銠13-鉑鉑銠-銥等

發展中產品：鎳鉻-康銅鐵-康銅

一、熱電偶材料

1.普通工業熱電偶的結構（1）熱電極（2）絕緣管（3）保護套管

(4)接線盒

二、熱電偶結構2.鎧裝熱電偶的結構（1）露端型（2）接殼型（3）絕緣型

(4)圓變截面型

(5)扁變截面型熱電極絕緣管保護套管接線盒三、熱電偶種類1.標準型熱電偶（1）鉑銠30-鉑銠6分度號B0—1700度（2）鉑銠10-鉑分度號S0--1600度（3）鎳鉻-鎳硅分度號K-200--1200度

(4)鎳鉻-康銅分度號E-200--900度

(5)鐵-康銅分度號J-200--750度

(6)銅-康銅分度號T-200--350度標準熱電偶的熱電動勢見表7-1。2.非標準型熱電偶

鉑銠系、銥銠系、鎢錸系熱電偶，用于高溫測量，可達2500度。7.3熱電偶的冷端補償一、冷端恒溫法

標準熱電偶的熱電動勢表是以冷端溫度為0度的情況下給出的。只有在冷端溫度不變時，熱端溫度才能通過熱電動勢檢測出來。如果冷端溫度因環境而變化，會嚴重影響溫度測量數據的精度。因此冷端溫度變化必須進行修正和補償。1.采用0度恒溫器，保持冷端溫度為0度。2.采用其他恒溫器，保持冷端溫度一定。

二、補償導線法利用與熱電偶熱電特性一致的補償導線，將熱電偶延伸到恒溫的冷端，如儀表室。冷端溫度為t1不為t0(0度)時，可以通過計算獲得冷端為t0(0度)時的熱電動勢：三、冷端溫度修正法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，但只要冷端溫度t0不等于0℃，eAB(t，0)=eAB(t，t0)＋eAB(t0，0)(4-137)由此可見，測量電勢值eAB(t，t0)的修正值為eAB(t0，0)。eAB(t0，0)是參考端溫度t0的函數，經修正后的熱電勢為eAB(t，0)，可由分度表中查出被測實際溫度值t。需要對熱電偶回路的測量電勢值eAB(t，t0)加以修正。當工作端溫度為t時，分度表所對應的熱電勢eAB(t，0)與熱電偶實際產生的熱電勢eAB(t，t0)之間的關系可根據中間溫度定律得到下式：四、電橋補償法冷端熱端漆包銅電阻當溫度升高阻值增大+---+++-恒定電阻冷端升溫不變變大變小補償條件：

例如在冷端溫度變化范圍0—50度情況下，鉑銠10-鉑熱電偶的△e=0.299,電流I1=0.5mA，補償電阻的溫度系數a=0.00391/度，補償電阻大小可按補償條件選擇：7.4熱電偶測溫線路

一、測量單點溫度熱端熱端冷端冷端補償導線補償導線（在表內）（在表外）二、測量兩點間溫度差

熱電動勢1熱電動勢2補償導線三、測量多點平均溫度-----熱電偶并聯四、熱電偶串聯-----增加測量靈敏度7.5熱電偶應用

常用爐溫測量控制系統如圖所示。毫伏定值器給出給定溫度的相應毫伏值，熱電偶的熱電勢與定值器的毫伏值相比較，若有偏差則表示爐溫偏離給定值，此偏差經放大器送入調節器，再經過晶閘管觸發器推動晶閘管執行器來調整電爐絲的加熱功率，直到偏差被消除，從而實現控制溫度。END五、采用PN結溫度傳感器作冷端補償

圖中，熱電偶產生的熱電動勢經A1放大后通過R9加到A3的反相端，二極管D作為PN結溫度傳感器，與R4、R5、W1構成直流電橋，置于熱電偶的冷端處，當冷端不為零時，橋路有一個不平衡電勢輸出，經A2放大后通過R10加到A3的同相端，A3的增益為1，其輸出VO為熱電偶的熱電勢與補償電勢之和，從而達到了冷端溫度自動補償的目的。六、采用集成溫度傳感器作冷端補償

圖中冷端補償采用TMP35，這是一種高精度的電壓型集成溫度傳感器，其主要特點是：工作電壓低，僅為2.7～5.5V；靜態電流小于50mA；外圍元件少，使用相當方便。TMP35的測溫范圍為+10～+125°C，正處于熱電偶的冷端變化范圍內，它的靈敏度為10mV/°C,在0°C時輸出電壓為0V，當溫度為25°C時，輸出電壓為250mV。

TMP35的輸出經R1與R2的分壓，R2上得到的壓降V2為冷端補償電壓，V1為熱電勢，Vo=V1+V2為經補償后的輸出。

這是采用該補償器的熱電偶測量電路，測溫范圍為0～250°C，用運放OP193作為放大器，相應的輸出電壓為0～2.5V（靈敏度為10mV/C）。圖中，經TMP35補償后的輸出加到OP193的同相端，調節電位器RP1，改變放大器的增益，使溫度在250°C時，輸出2.5V即可。給出一個帶冷端補償及非線性校正的熱電偶測溫基本電路。冷端補償:

采用電流型集成溫度傳感器AD592,其輸出電流與絕對溫度成正比。在0℃時，AD592輸出電流為273.2μA，靈敏度為1μA/℃。對于K型熱電偶，在25℃中心范圍，具有40.44μV/℃的溫度系數.。

AD592輸出電流在電阻Ra上轉換為補償電壓。當環境溫度為T時，適當調整Rw2，使得Ra上的壓降為（273.2+T）μA╳40.44Ω，其中TμA╳40.44Ω提供40.44μV/℃的冷端補償。另一項（273.2μA╳40.44Ω）使熱電偶正極對地存在11.05mV的誤差電壓即,解決的方法是在運算放大器OP07的反相輸入部分加偏置電壓抵償。在電路中，通過AD538的4腳引出10V電壓，經R1及R2分壓，由于R1=1.1Ω，R2=10k，故R1上的壓降為11mV,從而引入了抵償電壓。非線性校正:

測溫電路配用K型熱電偶;

測溫范圍:0℃--600℃;

要求相應的輸出電壓為0V—6V(6000mV)K型熱電偶0℃和600℃時的熱電勢分別為0mV和24.902mV,測溫電路放大倍數應為:6000mV/24.902mv≈240.94

若電路為線性,被測溫度為300℃時,測溫電路的輸出電壓為:12.207mV×240.94≈2941.15mV≠3000mV,儀表的指示并不是300℃.這是由熱電偶本身的非線性造成的.

利用高次多項式實現線性化。熱電偶的溫差電勢可近似表示為：

溫差電勢的近似表達式，可由切比雪夫(Chebyshev)展開式求得。(取到2次冪)

將600℃時的溫差電勢Uin=24.902mV代入上式，得到輸出Uout=600mV，要得到滿量程時6V的輸出，將上式擴大10倍后得到：

由上式可驗證，300℃時，E=12.207mV，Uout=2991.6mV（相當于299.2℃）；600℃時，E=24.902mV，Uout=6001.2mV（相