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热电偶传感器解读

热电偶温度传感器

专业班级：

机械电子工程12-01

姓名：

学号：

日期：

2014/10/8

目录

一概述

二热电偶温度传感器的基本介绍

三热电偶传感器的结构要求四热电偶温度传感器的工作原理

五接线方式

六热电偶温度传感器的分类

七影响热电偶温度传感器测量的四个因素

八热电偶温度传感器的选择

参考资料

一概述

温度传感器（temperaturetransducer），是利用物质各种物理性质随温度变化的规律，把温度转换为电量的传感器。

这些呈现规律性变化的物理性质主要有体。

温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。

按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。

温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。

从17世纪初人们开始利用温度进行测量。

在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。

与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。

温度传感器是五花八门的各种传感器中最为常用的一种，现代的温度传感器外形非常得小，这样更加让它广泛应用在生产实践的各个领域中，也为人们的生活提供了无数的便利和功能。

温度传感器有四种主要类型：

热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器（RTD）和IC温度传感器。

IC温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。

近年来，我国工业现代化的进程和电子信息产业连续的高速增长，带动了传感器市场的快速上升。

温度传感器作为传感器中的重要一类，占整个传感器总需求量的40%以上。

温度传感器是利用NTC的阻值随温度变化的特性，非电学的物理量转换为电学量，从而可以进行温度精确测量与自动控制的半导体器件。

温度传感器用途十分广阔，可用作温度测量与控制、温度补偿、流速、流量和风速测定、液位指示、温度测量、紫外光和红外光测量、微波功率测量等而被广泛的应用于彩电、电脑彩色显示器、切换式电源、热水器、电冰箱、厨房设备、空调、汽车等领域。

近年来汽车电子、消费电子行业的快速增长带动了我国温度传感器需求的快速增长。

本次将详细介绍其中的一种热电偶温度传感器。

二热电偶温度传感器的基本介绍

热电偶是温度测量仪表中常用的测温元件,是由两种不同成分的导体两端接合成回路时，当两接合点热电偶温度不同时，就会在回路内产生热电流。

如果热电偶的工作端与参比端存有温差时，显示仪表将会指示出热电偶产生的热电势所对应的温度值。

热电偶的热电动热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。

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。

热电偶是一种感温元件，是一种仪表。

它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号,通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。

热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过，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（Seebeckeffect）。

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。

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。

在热电偶回路中接入第三种金属材料时，只要该材料两个接点的温度相同，热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。

因此，在热电偶测温时，可接入测量仪表，测得热电动势后，即可知道被测介质的温度。

三热电偶温度传感器的结构要求

①组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；　　

②两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；　　

③补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；　　

④保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。

四热电偶温度传感器的工作原理

两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当两个接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。

热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。

热电偶实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度，对于热电偶的热电势，应注意如下几个问题：

1：

热电偶的热电势是热电偶工作端的两端温度函数的差，而不是热电偶冷端与工作端，两端温度差的函数；

2：

热电偶所产生的热电势的大小，当热电偶的材料是均匀时，与热电偶的长度和直径无关，只与热电偶材料的成份和两端的温差有关；　　

3：

当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后，热电偶热电势的大小，只与热电偶的温度差有关；若热电偶冷端的温度保持一定，这进热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。

将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，如图所示。

当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。

热电偶就是利用这一效应来工作的。

热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件，通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它一次仪表上。

工业用热电阻安装在生产现场，与控制室之间存在一定的距离，因此热电阻的引线对测量结果会有较大的影响。

五接线方式

1二线制：

在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制：

这种引线方法很简单，但由于连接导线必然存在引线电阻r，r大小与导线的材质和长度的因素有关，因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合

2三线制：

在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，这种方式通常与电桥配套使用，可以较好的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常用的。

3四线制：

在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻提供恒定电流I，把R转换成电压信号U，再通过另两根引线把U引至二次仪表。

可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影响，主要用于高精度的温度检测。

　　热电阻采用三线制接法。

采用三线制是为了消除连接导线电阻引起的测量误差。

这是因为测量热电阻的电路一般是不平衡电桥。

热电阻作为电桥的一个桥臂电阻，其连接导线（从热电阻到中控室）也成为桥臂电阻的一部分，这一部分电阻是未知的且随环境温度变化，造成测量误差。

采用三线制，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样消除了导线线路电阻带来的测量误差。

六热电偶温度传感器的分类

常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。

所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。

非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。

标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。

常用热电偶型号热电偶分度号热电极材料使用温度（℃）　　

S铂铑合金（铑含量10%）纯铂0-1600　　R铂铑合金（铑含量13%）纯铂0-1600B铂铑合金（铑含量30%）铂铑合金（铑含量6%）0-1800K镍铬镍硅0-1300T 纯铜铜镍0-350　J铁铜镍0-+500N镍铬硅镍硅0-+800　E镍铬铜镍0-600　　

热电偶的种类:

装配热电偶，铠装热电偶，端面热电偶，压簧固定热电偶，高温热电偶，铂铑热电偶，防腐热电偶，耐磨热电偶，高压热电偶，特殊热电偶，手持式热电偶，微型热电偶，贵金属热电偶,快速热电偶,钨铼热电偶，单芯铠装热电偶等等。

从理论上讲，任何两种不同导体（或半导体）都可以配制成热电偶，但是作为实用的测温元件，对它的要求是多方面的。

为了保证工程技术中的可靠性，以及足够的测量精度，并不是所有材料都能组成热电偶，一般对热电偶的电极材料，基本要求是：

（1）在测温范围内，热电性质稳定，不随时间而变化，有足够的物理化学稳定性，不易氧化或腐蚀；

（2）电阻温度系数小，导电率高，比热小；（3）测温中产生热电势要大，并且热电势与温度之间呈线性或接近线性的单值函数关系；（4）材料复制性好，机械强度高，制造工艺简单，价格便宜。

七影响热电偶温度传感器测量的四个因素

（1）插入深度

热电偶测温点的选择是最重要的。

测温点的位置，对于生产工艺过程而言，一定要具有典型性、代表性，否则将失去测量与控制的意义。

热电偶插入被测场所时，沿着传感器的长度方向将产生热流。

当环境温度低时就会有热损失。

致使热电偶温度传感器与被测对象的温度不一致而产生测温误差。

总之，由热传导而引起的误差，与插入深度有关。

而插入深度又与保护管材质有关。

金属保护管因其导热性能好，其插入深度应该深一些，陶瓷材料绝热性能好，可插入浅一些。

对于工程测温，其插入深度还与测量对象是静止或流动等状态有关，如流动的液体或高速气流温度的测量，将不受上述限制，插入深度可以浅一些，具体数值应由实验确定。

（2）热阻抗增加

在高温下使用的热电偶温度传感器，如果被测介质为气态，那么保护管表面沉积的灰尘等将烧熔在表面上，使保护管的热阻抗增大；如果被测介质是熔体，在使用过程中将有炉渣沉积，不仅增加了热电偶的响应时间，而且还使指示温度偏低。

（3）响应时间

接触法测温的基本原理是测温元件要与被测对象达到热平衡。

因此，在测温时需要保持一定时间，才能使两者达到热平衡。

而保持时间的长短，同测温元件的热响应时间有关。

而热响应时间主要取决于传感器的结构及测量条件，差别极大。

对于气体介质，尤其是静止气体，至少应保持30min以上才能达到平衡；对于液体而言，最快也要在5min以上。

对于温度不断变化的被测场所，尤其是瞬间变化过程，全过程仅1秒钟，则要求传感器的响应时间在毫秒级。

因此，普通的温度传感器不仅跟不上被测对象的温度变化速度出现滞后，而且也会因达不到热平衡而产生测量误差。

最好选择响应快的传感器。

对热电偶而言除保护管影响外，热电偶的测量端直径也是其主要因素，即偶丝越细，测量端直径越小，其热响应时间越短。

（4）热辐射

以上就是影响热电偶温度传感器测量的四个因素，在使用的时候我们应当注意，根据实际情况，保证最佳的测量的效果。

八热电偶温度传感器的选择

选择热电偶要根据使用温度范围、所需精度、使用气氛、测定对象的性能、响应时间和经济效益等综合考虑。

（1）、测量精度和温度测量范围的选择　　

使用温度在1300~1800℃，要求精度又比较高时，一般选用B型热电偶；要求精度不高，气氛又允许可用钨铼热电偶，高于1800℃一般选用钨铼热电偶；使用温度在1000~1300℃要求精度又比较高可用S型热电偶和N型热电偶；在1000℃以下一般用K型热电偶和N型热电偶，低于400℃一般用E型热电偶；250℃下以及负温测量一般用T型电偶，在低温时T型热电偶稳定而且精度高。

（2）使用气氛的选择　　

S型、B型、K型热电偶适合于强的氧化和弱的还原气氛中使用，J型和T型热电偶适合于弱氧化和还原气氛，若使用气密性比较好的保护管，对气氛的要求就不太严格。

（3）耐久性及热响应性的选择　　

线径大的热电偶耐久性好，但响应较慢一些，对于热容量