3.4 热电偶式温度传感器

 3.4.1 工作原理

1. 热电效应两种不同成分的导体两端接合成回路时，当两接合点温度不同时，就会在回路内产生热电流。此时两端之间就存在电动势——热电动势，这就是所谓的塞贝克效应(Seebeck effect)。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。热电偶的热电动势将随着测量端温度升高而增长，它的大小只与热电偶材料和两端的温度有关，与热电极的长度、直径无关。根据热电动势与温度的函数关系, 制成热电偶分度表，分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。

2. 热电动势的组成

1）两种导体的接触电动势

2）单一导体的温差电动势

3. 几大定理

1) 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。只要测得各种金属与纯铂组成的热电偶的热电动势，则各种金属之间相互组合而成的热电偶的热电动势可直接计算出来。

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  2) 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。中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据。
  

  
  

• 3) 中间导体定律：在热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变。它使我们可以方便地在回路中直接接入各种类型的显示仪表或调节器，也可以将热电偶的两端不焊接而直接插入液态金属中或直接焊在金属表面进行温度测量。
  

  
  

• 4) 匀质导体定律：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，热电动势为零。根据这个定律，可以检验两个热电极材料成分是否相同，也可以检查热电极材料的均匀性。

 

3.4.2 热电极的材料及常用热电偶

S/铂铑 10,纯铂
R/铂铑 13,纯铂
B/铂铑 30, 铂铑 6
K/镍铬,镍硅
T/纯铜,铜镍
J/铁,铜镍
N/镍铬硅,镍硅 
E/镍铬,铜镍

3.4.3 热电偶传感器的结构

各种热电偶的外形常因需要而极不相同，但是它们的基本结构却大致相同，通常由热电极、绝缘套保护管和接线盒等主要部分组成，通常和显示仪表，记录仪表和电子调节器配套使用。

1. 普通型热电偶

2. 铠装热电偶

3. 薄膜热电偶

4. 其他结构形状

3.4.4 热电偶冷端温度补偿

1. 0 °c冷端恒温法

冰点槽法就是把热电偶的冷端放入冰水混合物容器里，使T0=0℃。这种办法仅限于在科学实验中使用。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。

2. 计算修正法

计算修正法就是用普通室温计算出冷端实际温度TH，利用公式计算：

　　EAB（T，T0）=EAB（T，TH）+EAB（TH，T0）

3.  补偿导线法

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。根据中间温度定律，只要热电偶和补偿导线的两个接点温度一致，是不会影响热电动势输出的。

这种方法由人工来调正冷端温度，即把仪表零点调至室温,，或由仪表内电路进行自动补偿。

对于贵金属热电偶把热电偶延长也是不可能的，因为价格太高，就用热电特性相近的贱金属来做延长导线，中间温度定理是应用补偿导线的理论基础。

补偿导线并不能自动补偿热电偶冷端温度的变化，仅只是将热电偶冷端引至温度较稳定的地方而已，补偿还要由人工和仪表来进行。因此补偿导线应该叫做热电偶延长线，这样才不会给人造成错误的理解。

4. 电桥补偿法

利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶冷端温度变化所引起的热电势变化值。补偿电桥有单独产品，也有做在仪表内的。

3.4.5 热电偶测温电路

1. 1. 测量某一点温度

   2. 测量两点间温差的电路

   
   

2. 3. 测量多点温度之和的电路

   
   

3. 4. 测量几点的平均温度

4. 5. 多点温度测量电路
   

 

3.4.6 应用

1. 测金属表面温度

2. 测控应用

作业：

1. 热电偶温度传感器的工作原理是什么？热电动势的组成有哪几种？

2. 热电偶的基本定律有哪些？其含义是什么？各定律的意义何在？

3. 为什么要对热电偶进行冷端温度补偿？常用的补偿方法有哪几种？补偿导线的作用是什么？

4. 热电偶测温电路有哪几种？