热电偶传感器的种类和特点

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热电偶传感器的种类和特点/热电偶传感器是一种自发电式传感器，测量时不需要外加电源，直接将被测量转换成电势输出。使用十分方便，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。它的测温范围很广：－270℃～2500℃。

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。

§3-1-1 热电偶的外形结构、种类和特性

一、常用热电偶的外形：

　接线盒　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

引出线套管

不锈钢保护套管

固定螺纹

热电偶工作端

图3-1　各种普通装配型热电偶

图3-2　各种铠装型热电偶

图3-3　各种防爆型热电偶

二、热电偶的结构：（见图3-4所示）

图3-4　热电偶的结构

三、热电偶的分类：

1．热电偶的结构分类：

（1）普通装配式热电偶：

一般由热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒等几部分组成。

（2）铠装式热电偶（缆式热电偶）：

此种热电偶是将热电极、绝缘材料连同保护管一起拉制成型，经焊接密封和装配等工艺制成的坚实的组合体。

2．热电偶的种类：

（1）标准型热电偶：它具有互换性好、统一的分度表、配套的显示仪表。

国际电工委员会在1975年推荐了七种标准型热电偶，表3-1是它们的基本特性。我国生产其中的前六种。

表3-1　　常用热电偶及其基本特性

热电偶名称	分度号	测温范围	特点	应用
铂铑₃₀-铂铑₆	B	0~1700℃	测温上限高，性能稳定。	冶金等高温领域，在（1200℃~1600℃）可用作标准温度计使用。
铂铑₁₀-铂	S	0~1600℃	性能稳定，抗氧化，准确度高，输出热电势小	适于氧化性、惰性气体中工作，在（419.58℃~1084.88℃）用作标准标准温度计使用。
镍铬-镍硅	K	-200~1200℃	测温范围宽，热电势大且近似为线性，价格便宜，稳定性较差，负极有导磁性	应用*广
镍铬-康铜	E	-200~900℃	热电势*大	适于氧化性、惰性气体中工作
铁-康铜	J	-200~750℃	价格便宜，热电势较大，极易氧化
铜-康铜	T	-200~400℃	精度高，在0~-200℃范围内，可制成标准热电偶	一般用于实验室和科研中进行低温测量
铂铑₃₀-铂	R	同2

（2）非标准型热电偶：

铂铑系——性能稳定、适用于各种高温测量

铱铑系——热电动势与温度线性关系好，长期使用温度2000℃以下

钨铼系——可以使用到2800℃

§3-1-2 热电偶工作原理

一、热电效应（又称温差电效应）：

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的温度场图3-5　热电偶回路

中，回路中产生一个方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关的电动势，这种效应称为“热电效应”。

二、几个概念：

1．热电偶：导体A、B组成的回路。

2．热电极：两种导体A、B。

3．热电势：闭合回路中的电势。

4．测量端（工作端、热端）：置于被测温度（t）中。

5．参考端（自由端、冷端）：置于恒定温度（t₀）中。

三、热电势的组成：

由两种导体的接触电动势和单一导体的温差电动势两部分组成。

1．接触电动势：是两种不同材料的导体A、B接触时，由于导体的自由电子密度不同，电子在两个方向上扩散的速率不一样所造成的电位差。

2．温差电动势：导体A、B，其两端分别置于不同的温度t、t₀时，在导体内部，有较大动能的热端自由电子

向冷端移动，从而在热端和冷端间产生的电位差。

§3-1-3 热电偶的基本定律

一、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，热电偶回路内的总热电动势均为零。

应用：由于两相同的热电极材料间无自由电子的扩散运动，总电动势为零。因此，可用于检查热电极成分是否相同。

二、中间导体定律：

在热电偶A、B回路中接入第三种导体C，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路中总的电动势不变。

（3-1）

应用：在回路中接入各种仪表，不影响回路的电动势。

三、标准电极定律：

如果两种导体A、B分别与第三种导体C组成的热电偶的热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶的热电动势也就已知。

（3-2）

应用：测得各种金属与纯铂组成的热电动势，则各种金属相互组成的热电偶的热电动势也可知了。

四、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、t_n和t_、₀时的相应热电动势

的代数和。

（3-3）

应用：为补偿导线的使用提供了理论依据。

§3-1-4热电偶冷端温度补偿

一、为什么要对热电偶进行冷端温度补偿？

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。为此必须采用一些措施进行补偿或者修正。

二、热电偶冷端补偿方法：

1．0℃恒温法：

将热电偶冷端置于0℃恒温容器中，从而保证冷端温度恒为0℃。这种方法精度较高，适用于实验室或精密测量中。

2．补偿导线法：

热电偶一般做得较短，约为350～2000mm。当测温仪表与测量点距离较远时，为节省热电偶的材料，通常使用补偿导线。

补偿导线：由两种不同性质的廉价金属材料制成，在0~150℃范围内与配接的热电偶具有一致的热电特性，起着延长热电偶冷端的作用。

1．计算修正法：

假设热电偶冷端温度为恒温t₀，被测温度为t，由于冷端温度t₀不是0℃，需要对热电偶回路的测量电势值E_AB(t,t₀)加以修正。当工作端温度为t时，由分度表可查得E_AB(t,0)与E_AB(t_0,0)。

根据中间温度定律：E_AB(t,0) =E_AB(t,t₀)+E_AB(t₀,0)

当热电偶输出热电势E(t,t₀)时，利用冷端温度对应热电势E(t₀,0)修正后，就可以根据分度表得到被测温度t了。

例题：用镍铬-镍硅热电偶测量加热炉温度。已知冷端温度t₀=30℃，测得热电势E_AB（t，t₀）为33.29mV，求加热炉的温度？

解：先由镍铬-镍硅热电偶分度表查得E_AB（30，0）1.203mV。根据中间温度定律可得：E_AB（t，0）=E_AB(t，t₀)+E_AB(t₀，0)=33.29+1.203=34.493mV

再查镍铬-镍硅热电偶分度表得t=829.8℃。

4．电桥补偿法：

电桥补偿法可以在冷端温度无法恒定时对热电偶进行冷端补偿。

补偿电桥（冷端补偿器）的作用：在冷端温度变化时，提供一个与热电偶冷端变化引起的热电势变化大小相等，但极性相反补偿电势，使得测量电路输出热电势不随冷端温度变化。

5．仪表机械零点调整法：

显示仪表的机械零位预先调整到已知的冷端温度值上。如补偿器是按t₀=20℃时电桥平衡设计的，则仪表机械零位应调整到20℃处。

§3-1-5　热电偶的测温电路

一、测量一点温度的几种电路：

图3-6　热电偶测温电路

(a)普通测温线路；(b)带有补偿器的测温线路；

(c)具有温度变送器的测温线路；(d)具有一体化温度变送器的测温线路

二、测量两点间的温差：

两个相同型号热电偶并配有相同的补偿导线，如图3-7连接，它们的电势差就反映了热电偶热端的温差。

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2007-03-17