热电偶传感器.docx

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热电偶传感器

热电偶传感器

人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。

但是，单靠自身的感觉器官的功能是远远不够的，这时就需要使用传感器。

传感器是人类“五官”的延长。

新技术革命的到来使人类进入信息时代。

在利用信息的过程中，首先要解决的是获取准确可靠的信息。

传感器是获取自然或生产领域中的信息的关键器件，是现代信息系统和各种装备不可缺少的信息采集工具。

传感器技术与通讯技术和计算机技术构成了信息技术的三大支柱产业。

传感器技术的高低不但直接关系到信息技术水平，而且还影响信息技术的发展与应用。

传感器是能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。

通常由敏感组件和转换组件组成。

最广义地说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。

国际电工委员会的定义为：

“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。

传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。

热电偶的定义和原理

不同材料的两根导线相互焊接起来，将此焊点置于被测温度下，两导线的另一端便可出现电动势，其值与被测温度有确定的关系，这种温度传感器就称为“热电偶”。

热电偶的特点是结构简单、动态响应快、电动势信号便于传送，这些都是膨胀式温度传感器无法比拟的优点，所以在工业生产自动化领域得到了普遍的应用。

热电偶测温原理

将两种不同的导体（或半导体）A、B组合成闭合回路，若两结点处温度不同，则回路中将有电流流动，即回路中有热电动势存在。

此电动势的大小除了与材料本身的性质有关以外，还决定于结点处的温差，这种现象称为热电效应或塞贝克效应。

热电效应产生的热电势由接触电势和温差电势两部分组成的。

（1）接触电势当两种导体（或半导体）接触在一起时，由于不同导体的自由电子密度不同，在结点处就会发生电子迁移扩散。

失去电子的导体呈正电位，得到电子的导体呈负电位。

当扩散达到平衡时，在两种金属的接触处形成电位差，此电位差称为接触电势。

其大小与两种导体的性质及结点的温度有关，可表示为：

式中，EAB（T）为A、B两种导体在温度T时的接触电势；K为玻尔兹曼常数；e为电子电荷；NA，NB为导体A、B的自由电子密度；T为结点处的绝对温度。

（2）温差电势也称为汤姆逊电势，产生原因是，金属导体两端的温度不同，则其自由电子的浓度亦不相同，温度高的一端浓度较大，因此高温端的自由电子将向低温端扩散，高温端失去电子带正电，低温端得到多余的电子带负电，从而形成温差电势：

式中，EA（T,T0）为导体A的两端温度分别为T与T0时的温差电势；sA为温度系数（又叫汤姆逊系数），它表示单一导体的两端温差为1℃时所产生的温差电势。

热电偶的热电势

热电偶的基本定律

（1）匀质导体定律由同一种匀质（电子密度处处相同）导体或半导体组成的闭合回路中，不论其截面积和长度如何，不论其各处的温度分布如何，都不能产生热电势。

（2）中间导体定律在热电偶回路中接入第三种金属导体，如图所示，只要该金属导体C与金属导体A、B的两个结点处在同一温度，则此导体对于回路总的热电势没有影响。

此定律具有特别重要的实用意义，因为用热电偶测温时必须接入仪表（第三种材料），根据此定律，只要仪表两接入点的温度保持一致，仪表的接入就不会影响热电势。

（3）连接导体定律和中间温度定律

在热电偶回路中，如果热电极A与B分别连接导线a、b，其结点温度分别为T、Tn和T0，如图所示。

则回路的总热电势EABba（T,Tn,T0）等于热电偶的热电势EAB（T,Tn）与连接导线的热电势Eab（Tn,T0）之和，这就是连接导体定律，可用下式表示：

当A和a，B和b的材料分别相同时，其各结点的温度仍为T，Tn和T0时，总热电势由上式可得：

这就是中间温度定律。

它表明结点温度为T和T0的热电偶，其热电势等于结点温度分别为T和Tn（中间温度），以及Tn和T0两支同性质热电偶热电势的代数和。

（4）参考电极定律（标准电极定律）如果两种导体A、B分别与第三种导体C所组成的热电偶所产生的热电势是已知的，则这两种导体所组成的热电偶的热电势也是已知的，且

根据此定律，可以给出所有热电偶材料与标准电极的热电势，方便热电偶电极的选配。

热电偶材料和种类

热电偶的热电极材料应满足以下要求：

①物理、化学性能稳定；②测温范围宽；③热电性能好；④电阻温度系数小；⑤热容量小；⑥有良好的机械加工性能等。

完全满足上述条件的材料很难找到，故一般只根据被测温度的范围，选择适当的热电极材料。

目前热电极材料有金属、非金属和半导体几大类。

金属中又有廉价金属、贵金属和难熔金属等。

常见的热电偶材料有：

康铜、Cu、Fe、W、NiCr、NiAl、Ni、Pt、PtRh、Ag等。

标准化热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度关系及允许误差，并有统一标准分度表的热电偶。

目前在国际上被公认比较好的热电偶的材料只有几种。

国际电工委员会（IEC）向世界各国推荐8种标准化热电偶。

我国已采用IEC标准生产热电偶，并按标准分度表生产与之相配的显示仪表。

①PtRh10-Pt热电偶。

这是一种贵金属热电偶，正极是由质量分数为90%的Pt和10%的Rh制成的合金丝，负极为纯Pt丝。

可用于较高的温度，能长时间在0~1300℃中工作，短时间可测到1600℃。

它的物理化学性能稳定，因此具有较好的复制性、精确性、稳定性和可靠性，易于在氧化性和中性气氛中使用。

缺点是热电势小、热电特性的非线性较大，不宜在还原性气体、金属蒸气、金属氧化物、氧化硅和氧化硫等气氛中使用。

否则会很快受到玷污而变质。

在上述气氛中使用时，必须加保护套管。

另外，它的价格贵，热电偶金属丝的直径在0.5mm以下，机械强度低。

②NiCr-NiSi（NiCr-NiAl）热电偶这是一种廉价的金属热电偶，工业上应用最广泛。

正极是NiCr合金，其成分为Ni（89%），Cr（10%），Fe（1%）；负极是NiSi合金，其成分为Si（2.5~3）%，Cr（≤0.69%），其余为Ni。

因为热电极中含有大量的Ni，故这种热电偶在高温下抗氧化能力及抗腐蚀能力都很强。

另外热电势与温度的线性关系好，热电势也较大，复制性好，价格低廉，可长时间在900℃使用，短时间可以用到1200℃，因此应用广泛。

③铜-康铜热电偶它在低温下使用较普遍。

其正极为纯Cu，负极为CuNi合金（Cu60%，Ni40%）。

铜-康铜价格低廉，且在低温下有较好的稳定性，可测-200℃的低温。

是常用的低温热电偶。

目前在0~100℃范围内，铜-康铜热电偶被选定为三级标准热电偶，用来检测低温测量仪表。

因为铜极易氧化，故一般测量上限≤300℃。

热电偶的结构

（1）普通型热电偶普通型结构热电偶工业上使用最多，它一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成，如图所示。

主要用于测量气体，蒸气和液体等介质的温度。

其结构如下图所示。

（2）铠装热电偶铠装热电偶是20世纪60年代兴起的新型结构热电偶。

它是把热电偶丝、绝缘材料和金属保护套管三者组成一个整体，并经复合拉伸而成的组合热电偶。

其外径可拉得很细，一般直径为1mm~8mm，最小可达0.2mm，长度1m~20m。

其特点是：

动态响应快，热容量小，强度高，可挠性好，便于安装。

（3）薄膜热电偶薄膜热电偶的形状可分片状、针状等形式，它是利用真空镀膜、化学涂层和电泳等方法，将两种热电极材料直接蒸镀（或沉积）于绝缘的基片上而制成，如图所示是片状薄膜热电偶。

其特点是热容量小，动态响应快，可直接贴附于被测表面，测量方便。

（4）表面热电偶表面热电偶是一种专门用来测量各种固体表面温度的热电偶。

它可根据需要自行设计，加工和安装使用。

（5）快速热电偶这种热电偶又称为消耗热电偶，它是专为测量钢水，铝水，铜水及熔融合金的温度而设计的，其主要特点是可以直接插入液态金属中进行测量。

热电偶冷端补偿方法

在实际使用中若冷端不能保持在0℃或冷端温度随环境变化，将引入测量误差。

这就必须对热电偶的冷端（参比端）进行温度补偿。

（1）冰浴法在实验条件下，把冷端放在盛有绝缘油的试管中，然后再将其放入装满冰水混合物的保温容器中，可使冷端T0保持在0℃，如图所示。

现在已研制出一种能使温度恒定在0℃的半导体制冷器件。

（2）计算修正法当热电偶冷端温度T0≠0℃时，可用下面公式对热电势进行修正。

式中，EAB（T,0）为测量端温度为T℃，冷端温度0℃时经修正后的热电势；EAB（T,T0）为测量端温度为T℃，冷端温度T0℃（≠0）时实际测量得到的热电势；EAB（T0,0）为测量端温度为T0℃，冷端温度为0℃时的热电势，它即为冷端温度不为0℃时的热电势修正值。

（3）仪表机械零点调整法现场测量中，如不需要很精确，或热电偶冷端温度T0较为稳定，则可将显示仪表的机械零点预先调整到T0（按温度刻度的），或者EAB（T0,0）（按毫伏刻度的）。

热电偶的优点和缺点

热电偶传感器有自己的优点和缺陷，它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置放大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变化。

由于热电偶温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关，用非常细的材料也能够做成温度传感器。

也由于制作热电偶的金属材料具有很好的延展性，这种细微的测温元件有极高的响应速度，可以测量快速变化的过程。

参考文献

1.刘灿军编著.实用传感器.国防工业出版社，2004

2.强锡富.传感器（第3版）.机械工业出版社，2001

3.金发庆.传感器技术与应用.机械工业出版社，2002