热电偶基本原理和使用方法.docx

1、热电偶基本原理和使用方法热电偶基本原理和使用方法常用热电偶分度号有S、B、K、E、T、J等，这些都是标准化热电偶。其中K型也即镍铬镍硅热电偶，它是一种能测量较高温度的廉价热偶。由于这种 合金具有较好的高温抗氧化性，可适用于氧化性或中性介质中。它可长期测量1000度的高温，短期可测到1200度。它不能用于还原性介质中，否则，很快腐 蚀，在此情况下只能用于500度以下的测量。它比S型热偶要便宜很多，它的重复性很好，产生的热电势大，因而灵敏度很高，而且它的线性很好。虽然其测量精 度略低，但完全能满足工业测温要求，所以它是工业上最常用的热电偶。概述：作为工业测温中最广泛使用的温度传感器之一热电偶，与铂

2、热电阻一起，约占整个温度传感器总量的60%，热电偶通常和显示仪表等配套使用，直接测量各种生产过程中-401800范围内的液体、蒸气和气体介质以及固体的表面温度。热电偶工作原理：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

3、度，对于热电偶的热电势，应注意如下几个问题：（）热电偶的热电势是热电偶两端温度函数的差，而不是热电偶两端温度差的函数；（）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；（）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。热电偶的基本构造：工业测温用的热电偶，其基本构造包括热电偶丝材、绝缘管、保护管和接线盒等。一、常用热电偶丝材及其性能、铂铑10铂热电偶（分度号为，也称为单铂铑热电偶）该热电偶的正极成份为含铑10%的铂铑合

4、金，负极为纯铂；它的特点是：（）热电性能稳定、抗氧化性强、宜在氧化性气氛中连续使用、长期使用温度可达1300，超达1400时，即使在空气中、纯铂丝也将会再结晶，使晶粒粗大而断裂；（）精度高，它是在所有热电偶中，准确度等级最高的，通常用作标准或测量较高的温度；（）使用范围较广，均匀性及互换性好；（）主要缺点有：微分热电势较小，因而灵敏度较低；价格较贵，机械强度低，不适宜在还原性气氛或有金属蒸汽的条件下使用。、铂铑13铂热电偶（分度号为，也称为单铂铑热电偶）该热电偶的正极为含13%的铂铑合金，负极为纯铂，同S型相比，它的电势率大15%左右，其它性能几乎相同，该种热电偶在日本产业界，作为高温热电偶用

5、得最多，而在中国，则用得较少；、铂铑30铂铑6热电偶（分度号为，也称为双铂铑热电偶）该热电偶的正极是含铑30%的铂铑合金，负极为含铑6%的铂铑合金，在室温下，其热电势很小，故在测量时一般不用补偿导线，可忽略冷端温度变化的影响；长期使用温度为1600，短期为1800，因热电势较小，故需配用灵敏度较高的显示仪表。型热电偶适宜在氧化性或中性气氛中使用，也可以在真空气氛中的短期使用；即使在还原气氛下，其寿命也是或型的1020倍；由于其电极均由铂 铑合金制成，故不存在铂铑铂热电偶负极上所有的缺点、在高温时很少有大结晶化的趋势，且具有较大的机械强度；同时由于它对于杂质的吸收或铑的迁移的影响 较少，因此经过

6、长期使用后其热电势变化并不严重、缺点价格昂贵（相对于单铂铑而言）。、镍铬镍硅（镍铝）热电偶（分度号为）该热电偶的正极为含铬10%的镍铬合金，负极为含硅3%的镍硅合金（有些国家的产品负极为纯镍）。可测量01300的介质温度，适宜在氧化性及 惰性气体中连续使用，短期使用温度为1200，长期使用温度为1000，其热电势与温度的关系近似线性，价格便宜，是目前用量最大的热电偶。型热电偶是抗氧化性较强的贱金属热电偶，不适宜在真空、含硫、含碳气氛及氧化还原交替的气氛下裸丝使用；当氧分压较低时，镍铬极中的铬将择优氧化，使热电势发生很大变化，但金属气体对其影响较小，因此，多采用金属制保护管。型热电偶的缺点：（1

7、）热电势的高温稳定性较型热电偶及贵重金属热电偶差，在较高温度下（例如超过1000）往往因氧化而损坏；（2）在250500范围内短期热循环稳定性不好，即在同一温度点，在升温降温过程中，其热电势示值不一样，其差值可达23；（3）其负极在150200范围内要发生磁性转变，致使在室温至230范围内分度值往往偏离分度表，尤其是在磁场中使用时往往出现与时间无关的热电势干扰；（）长期处于高通量中系统辐照环境下，由于负极中的锰（n）、钴（o）等元素发生蜕变，使其稳定性欠佳，致使热电势发生较大变化。、镍铬硅镍硅热电偶（分度号为）该热电偶的主要特点是：在1300以下调温抗氧化能力强，长期稳定性及短期热循环复现性好

8、，耐核辐射及耐低温性能好，另外，在4001300 范围内，型热电偶的热电特性的线性比型偶要好；但在低温范围内（-200400）的非线性误差较大，同时，材料较硬难于加工。、铜铜镍热电偶（分度号为）T型热电电偶,该热电偶的正极为纯铜，负极为铜镍合金（也称康铜），其主要特点是：在贱金属热电偶中，它的准确度最高、热电极的均匀性好；它的使用 温度是-200350，因铜热电极易氧化，并且氧化膜易脱落，故在氧化性气氛中使用时，一般不能超过300，在-200300范围内，它们灵敏 度比较高，铜康铜热电偶还有一个特点是价格便宜，是常用几种定型产品中最便宜的一种。、铁康铜热电偶（分度号为）J型热电偶,该热电偶的正

9、极为纯铁，负极为康铜（铜镍合金），具特点是价格便宜,适用于真空氧化的还原或惰性气氛中，温度范围从 -200800，但常用温度只是500以下，因为超过这个温度后，铁热电极的氧化速率加快，如采用粗线径的丝材，尚可在高温中使用且有较长的寿命； 该热电偶能耐氢气（2）及一氧化碳（）气体腐蚀，但不能在高温（例如500）含硫（）的气氛中使用。、镍铬铜镍（康铜）热电偶（分度号为）型热电偶是一种较新的产品，它的正极是镍铬合金，负极是铜镍合金（康铜），其最大特点是在常用的热电偶中，其热电势最大，即灵敏度最高；它的应用 范围虽不及型偶广泛，但在要求灵敏度高、热导率低、可容许大电阻的条件下，常常被选用；使用中的限制

10、条件与型相同，但对于含有较高湿度气氛的腐蚀不很 敏感。除了以上8种常用的热电偶外，作为非标准化的热电偶还有钨铼热电偶，铂铑系热电偶，铱锗系热电偶，铂钼系热电偶和非金属材料热电偶等。二、绝缘管该热电偶的工作端被牢固地焊接在一起，热电极之间需要用绝缘管保护。热电偶的绝缘材料很多，大体上可分为有机和无机绝缘两类，处于高温端的绝缘物必须采用无机物，通常在1000以下选用粘土质绝缘管，在1300以下选用高铝管，在1600以下选用刚玉管。三、保护管保护管的作用在于使用热电偶电极不直接与被测介质接触，它不仅可延长热电偶的寿命，还可起到支撑和固定热电极增加其强度的作用；因此，热电偶保护管及绝缘选择是否合适，将

11、直接影响到热电偶的使用寿命和测量的准确度，被采用做保护管的材料主要分金属和非金属两大类。热电偶冷端补偿摘要：温度测量应用中，热电偶因其坚固性、可靠性以及较快的响应速度得到了普遍应用。本应用笔记讨论了热电偶的基本工作原理，包括参考端(冷端)的定义和功能。本文还给出了按照具体应用选择冷端温度测量器件的注意事项，并给出了三个设计范例。 概述温度测量应用中有多种类型的变送器，热电偶是最常用的一种，可广泛用于汽车、家庭等领域。与RTD、电热调节器、温度检测集成电路(IC)相比，热电偶能够检测更宽的温度范围，具有较高的性价比。另外，热电偶的牢固、可靠性和快速响应时间使其成为各种工作环境下的首要选择。当然，

12、热电偶在温度测量中也存在一些缺陷，例如，线性特性较差。虽然它们与RTD、温度传感器IC相比可以测量更宽的温度范围，但线性度却大打折扣。除此之外，RTD和温度传感器IC可以提供更高的灵敏度和精度，可理想用于精确测量系统。热电偶信号电平很低，常常需要放大或高分辨率数据转换器进行处理。如果排除上述问题，热电偶的低价位、易使用、宽温度范围使其得到广泛使用。热电偶基础热电偶是差分温度测量器件，由两段不同的金属/合金线构成，一段用作正端，另一段用作负端。表1列出了四种最常用的热电偶类型、所用金属以及对应的温度测量范围。每种热电偶在其规定的温度范围内具有独特的热电特性。表1. 常用的热电偶类型 类型 正端金

13、属/合金负端金属/合金温度范围(C)T铜镍铜合金-200至+350J铁镍铜合金0至+750K镍铬合金镍基热电偶合金-200至+1250E镍铬合金镍铜合金-200至+900两种不同类型的金属接(焊接)在一起后形成两个结点，如图1a所示，环路电压是两个结点温差的函数。这种现象称为Seebeck效应，用于解释热能转换为电能的过程。Seebeck效应相对于Peltier效应，Peltier效应用于解释电能转换成热能的过程，典型应用有电热致冷器。图1a所示，测量电压VOUT是检测端(热端)结电压与参考端(冷端)结电压之差。因为VH和VC是由两个结的温度差产生的，VOUT也是温差的函数。定标因数，对应于电

14、压差与温差之比，称为Seebeck系数。图1a. 环路电压由热电偶两个结点之间的温差产生，是Seebeck效应的结果。图1b. 常见的热电偶配置由两条线连接在一端，每条线的开路端与铜恒温线连接。 图1b所示是一种最常见的热电偶应用。该配置中引入了第三种金属(中间金属)和两个额外的节点。本例中，每个开路端与铜线电气连接，这些连线为系统增加了两个额外节点，只要这两个节点温度相同，中间金属(铜)不会影响输出电压。这种配置允许热电偶在没有独立参考结点的条件下使用。VOUT仍然是热端与冷端温度之差的函数，与Seebeck系数有关。然而，由于热电偶测量的是温度差，为了确定热端的实际温度，冷端温度必须是已知

15、的。冷端温度为0C (冰点)时是一种最简单的情况，如果TC = 0C，则VOUT = VH。这种情况下，热端测量电压是结点温度的直接转换值。美国国家标准局(NBS)提供了各种类型热电偶的电压特征数据与温度对应关系的查找表。所有数据均基于0C冷端温度。利用冰点作为参考点，通过查找适当表格中的VH可以确定热端温度。在热电偶应用初期，冰点被当作热电偶的标准参考点，但在大多数应用中获得一个冰点参考温度不太现实。如果冷端温度不是0C，那么，为了确定实际热端温度必须已知冷端温度。考虑到非零冷端温度的电压，必需对热电偶输出电压进行补偿，既所谓的冷端补偿。选择冷端温度测量器件如上所述，为了实现冷端补偿，必须确

16、定冷端温度，这可以通过任何类型的温度检测器件实现。在通用的温度传感器IC、电热调节器和RTD中，不同类型的器件具有不同的优、缺点，需根据具体应用进行选择。对于精度要求非常高的器件，经过校准的铂RTD能够在很宽的温度范围内保持较高精度，但其成本很高。精度要求不是很高时，热敏电阻和硅温度传感器IC能够提供较高的性价比，热敏电阻比硅IC具有更宽的测温范围，而传感器IC具有更高的线性度，因而性能指标更好一些。修正热敏电阻的非线性会占用较多的微控制器资源。温度传感器IC具有出色的线性度，但测温范围很窄。总之，必需根据系统的实际需求选择冷端温度测量器件，需要仔细考虑精度、温度范围、成本和线性指标，以便得到

17、最佳的性价比。考虑因素一旦建立了冷端补偿方法，补偿输出电压必须转换成相应的温度。一种简单的方法既是使用NBS提供的查找表，用软件实现查找表需要存储器，但查找表对于连续的重复查询提供了一种快速、精确的测量方案。将热电偶电压转换成温度值的另外两种方案比查找表复杂一些，这两种方法是：1) 利用多项式系数进行线性逼近，2) 对热电偶输出信号进行模拟线性化处理。软件线性逼近只是需要预先确定多项式系数，不需要存储，因而是一种更通用的方案。缺点是需要较长时间解多阶多项式，多项式阶数越高，处理时间越长，特别是在温度范围较宽的情况下。多项式阶数较高时，查找表相对提供了一种精度更高、更有效温度测量方案。出现软件测

18、试方案之前，模拟线性化常被用来将测量电压转换成温度值(除了人工查找表检索外)。这种基于硬件的方法利用模拟电路修正热电偶响应的非线性。其精度取决于修正逼近多项式的阶数，在目前能够测试热电偶信号的万用表中仍采用这种方法。应用电路下面讨论了三种利用硅传感器IC进行冷端补偿的典型应用，三个电路均用来解决温度范围较窄(0C至+70C和-40C至+85C)的冷端温度补偿，精度在几个摄氏度以内。第二个电路包含一个远端二极管温度检测器，由连接成二极管的晶体管为其提供测试信号。第三个电路中的模/数转换器(ADC)内置冷端补偿。所有三个电路均采用K型热电偶(由镍铬合金和镍基热电偶合金组成)进行温度测量。示例#1图

19、2所示电路中，16位- ADC将低电平热电偶电压转换成16位串行数据输出。集成可编程增益放大器有助于改善ADC的分辨率，这对于处理热电偶小信号输出非常必要。温度检测IC靠近热电偶安装，用于测量冷端附近的温度。这种方法假设IC温度近似等于冷端温度。冷端温度传感器输出由ADC的通道2进行数字转换。温度传感器内部的2.56V基准节省了一个外部电压基准IC。 图2. 本地温度检测IC (MAX6610)确定冷端温度。温度检测IC靠近热电偶接点(冷端)放置，热电偶和冷端温度传感器输出电压由16位ADC (MX7705)转换。 工作在双极性模式时，ADC可以转换热电偶的正信号和负信号，并在通道1输出。AD

20、C的通道2将MAX6610的单端输出电压转换成数字信号，提供给微控制器。温度检测IC的输出电压与冷端温度成正比。为了确定热端温度，需首先确定冷端温度。然后通过NBS提供的K型热电偶查找表将冷端温度转换成对应的热电电压。将此电压与经过PGA增益校准的热电偶读数相加，最后再通过查找表将求和结果转换成温度，所得结果即为热端温度。表2列出了温度测量结果，冷端温度变化范围：-40C至+85C，热端保持在+100C。实际测量结果在很大程度上取决于本地温度检测IC的精度和烤箱温度。表2. 图2电路在不同烤箱的冷端和热端测量温度 冷端温度(C)热端测量温度*(C)测量值#1-39.9+101.4测量值#20.

21、0+101.5测量值#3+25.2+100.2测量值#4+85.0+99.0* “热端测量温度”是经过补偿的数值，由电路测量得到。示例#2图3所示电路中，远端温度检测IC测量电路的冷端温度，与本地温度检测IC不同的是IC不需要靠近冷端安装，而是通过外部连接成二极管的晶体管测量冷端温度。晶体管直接安装在热电偶接头处。温度检测IC将晶体管的测量温度转换成数字输出。ADC的通道1将热电偶电压转换成数字输出，通道2没有使用，输入直接接地。外部2.5V基准IC为ADC提供基准电压。图3. 远端二极管温度检测IC不必靠近冷端，因为它使用了一个外部二极管检测温度。MAX6002为ADC提供2.5V基准电压。

22、表3列出了温度测量结果，冷端温度变化范围：-40C至+85C，热端保持在+100C。实际测量结果在很大程度上取决于远端二极管温度检测IC的精度和烤箱温度。表3. 图3电路在不同烤箱的冷端和热端测量温度 冷端温度(C)热端测量温度*(C)测量值#1-39.8+99.1测量值#2-0.3+98.4测量值#3+25.0+99.7测量值#4+85.1+101.5* “热端测量温度”是经过补偿的数值，由电路测量得到。 示例#3图4电路中的12位ADC带有温度检测二极管，温度检测二极管将环境温度转换成电压量，IC通过处理热电偶电压和二极管的检测电压，计算出补偿后的热端温度。数字输出是对热电偶测试温度进行补

23、偿后的结果，在0C至+700C温度范围内，器件温度误差保持在9 LSB以内。虽然该器件的测温范围较宽，但它不能测量0C以下的温度。图4. 集成了冷端补偿的ADC，将热电偶电压转换为温度，无需外部元件。 表4是4所示电路的测量结果，冷端温度变化范围：0C至+70C，热端温度保持在+100C。表4. 图4电路在不同烤箱的冷端和热端测量温度 冷端温度(C)热端测量温度*(C)测量值#10.0+100.25测量值#2+25.2+100.25测量值#3+50.1+101.0测量值#4+70.0+101.25* “热端测量温度”是经过补偿的数值，由电路测量得到。结论由于热电偶是差分温度测量器件，在处理热电偶信号时必须建立一个参考点。热电偶所提供的电压体现了热端与冷端的温度差。如果已知冷端温度和相对于冷端的热端温度，即可确定出热端的实际温度值。冷端补偿器件的选择标准与精度、成本、线性度、温度范围等因素有关，铂RTD精度最高，但成本也最高。电热调节器价格低、可工作在较宽的温度范围，但其线性度较差。硅温度传感器检测IC工作温度范围较窄，但具有合理的精度和线性度，成本也比较低，能够满足多数热电偶应用的需求