热电偶测量温度

任务描述

热电偶在工业和设备试验温度的测量中应用十分广泛，它是一种自发电式传感器，测量时不需要外加电源，可直接驱动动圈式仪表。热电偶在温度测量中应用，具有结构简单、使用方便、测量精度高、稳定性好、测量范围宽等优点。常用的热电偶测量范围为-50～1600℃。

任务目标

●掌握热电偶的工作原理、连接方式

●掌握热电偶冷端温度补偿方法

●通过查阅资料了解热电偶的种类、代号、测温范围

●了解普通工业用热电偶的结构、应用场合

任务分析

热电偶是利用物理学中的塞贝克效应制成的温敏传感器。两种不同的导体A和B组成闭合回路时，若两端节点温度不同(分别为T0和T)，则回路中产生电流，相应的电动势称为热电动势。工程上实际使用的热电偶有普通型、铠装型和表面热电偶。它们大多是由热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒等部分组成的。

任务实施

一、任务准备

常用热电偶的结构类型

1.工业用热电偶

图6-1为典型的工业用热电偶结构示意图。它由热电偶丝、绝缘套管、保护套管以及接线盒等部分组成。实验室用时，也可不装保护套管，以减小热惯性。

图6-1 工业用热电偶结构示意图

2.铠装式热电偶(又称套管式热电偶)

断面如图6-2甲所示。它是由热电偶丝、绝缘材料、金属套管拉细组合而成。又由于它的热端形状不同，可分为四种形式，如图6-2乙所示。本品优点是小型化(直径从12mm到0.25mm)、寿命、热惯性小，使用方便。测温范围在1100℃以下的有:镍铬-镍硅、镍铬-考铜铠装式热电偶。

图6-2 铠装式热电偶断面结构示意图

3.快速反应薄膜热电偶

用真空蒸镀等方法使两种热电极材料蒸镀到绝缘板上，形成薄膜装热电偶。如图6-3所示，其热接点极薄(0.01～0.1μm)，因此特别适用于对壁面温度的快速测量。安装时，用黏结剂将它粘在被测物体壁面上。目前我国试制的有铁-镍、铁-康铜和铜-康铜三种，尺寸为60mm×6mm×0.2mm;绝缘基板用云母、陶瓷片、玻璃及酚醛塑料纸等;测温范围在300℃以下;反应时间仅为几毫秒。

图6-3 快速反应薄膜热电偶

4.快速消耗微型热电偶

这是一种测量钢水温度的热电偶。它是用直径为0.05～0.1mm的铂铑10-铂铑30热电偶装在U形石英管中，再铸以高温绝缘水泥，外面装用保护钢帽所组成。

这种热电偶使用一次就焚化，但它的优点是热惯性小，只要注意它的动态标定，测量精度可达5～7℃。

图6-4 快速消耗微型热电偶

二、任务实施

图6-5是热电偶放大电路。电路中，LTC2053是仪用放大器，它为低功率仪器产品提供了一个极好的平台，如电池供电的热电偶放大电路等。由于采用了与开关电容的组合以及零漂移运算放大器的工艺，LTC2053的输入偏移电压最大为10μV，共模抑制比CMRR和电源抑制比PSRR达到116d B。最理想的工作电源采用低电压2.7V到11V的单电源或±5V的双电源。另外，由于消耗电流非常低，典型值为85μp A，应用于电池供电的放大器非常理想。调节R1、RP1和R2可方便对电路增益进行编程。

图6-5 热电偶放大电路

作为热电偶放大器必须满足一些特殊要求，通常采用的K型热电偶的灵敏度为40.6μ℃，而电路的输出一般要求为10m V/℃，因此要选用额定增益为246的精密放大器。另外，热电偶一般容易受到工业环境中电子噪声的影响，因此仪用放大器允许输入不同的电压有助于消除由于共模噪声引起的误差。为了避免出故障，采取的保护措施是不能让热电偶无意识地接触到瞬变电源或高电压，但保护措施不能兼顾到精度。LTC2053有满足这些要求的补偿特性，它在任何引脚上都可以承受10m A的故障电流。因此，在不损坏集成芯片的情况下，10kΩ(R4和R5)保护电阻允许承受±100V的故障电压。

本电路中热电偶的工作原理是根据热端和冷端的温度差而产生电动势差。由于实际测量时冷端的温度往往不是0℃，要对热电偶进行温度补偿。热电偶温度补偿公式如下:

E(t，0) =E(t，T0) +E(T0，0)　(6-1)

式中，E(t0，0)是实际测量的电动势，t代表热端温度，t0代表冷端温度，0代表0℃。

在现场温度测量中，热电偶冷端温度一般不为0℃，而是在一定范围内变化着，因此测得的热电动势为E(t，t0)。如果要测得真实的被测温度所对应的热电动势E(t，0)，就必须补偿冷端不是0℃所需的补偿电动势E(t0，0)，而且该补偿电动势随冷端温度变化的特性必须与热电偶的热电特性一致，这样才能获得最佳补偿效果。

电路中LTC1025对热电偶进行温度补偿，确保在各种环境条件下温度的测量精度，并要靠近热电偶的节点安装，以便对温度进行最佳的跟踪。LTC1025对不同的环境温度输出相应的电压，输出灵敏度为10m V/℃。因此，0℃时输出电压为10m V，室温(25℃)时输出250m V。测量探头温度相应的电压是补偿电压和被放大的热电偶电压之和，补偿电路的输出端与LTC2053的REF(5脚)输入端连接的所有这一切都要加上这两种电压。对于这种电路结构，考虑的仅是校正的电压必须能供出或吸收反馈电阻中的电流。由于LTC1025只供出电流，可采用缓冲器LTC2050驱动REF，LTC2050是一种零漂移的运算放大器。采用单电源的缺点是，对于有效的输出探头和放大器单元的温度都必须超过0℃。若需要对负温度进行调节的话，可采用简单的充电泵变换器如LTC1046构成负电源。

在常规的线性电源应用中，只要所有热电偶都连接上而LTC1025进行热跟踪，可以采用单个LTC1025和缓冲放大器去修正LTC2053热电偶放大器的不同通道。由于LTC2053工作于采样的输入信号，感兴趣的频率一般低于几百赫，这样在反馈电路中增设0.1μF的电容C1就可以加速放大器的响应。接在热电偶输入网络的电容C2和C3有助于吸收射频干扰及抑制在热电偶探头出现的采样干扰。接在热电偶中的电阻R6～R9提供高阻抗偏置，这样在探头无电压降的情况下使其抗干扰性达到最大。短的热电偶使共模信号最小，探头节点可以接地。5.1V的稳压管VD1构成电源保护电路，即防止电源出现过电压以及6V电池的极性接反。R3是限流电阻。

三、任务检测

应该根据被测介质的温度、压力、介质性质、测温时间长短来选择热电偶和保护套管，其安装地点要有代表性，安装方法要正确，图6-6是安装在管道上时常用的两种方法。

图6-6 热电偶安装图

在工业生产中，热电偶常与毫伏计(XCZ型动圈式仪表)联用或与电子电位差计联用，后者精度较高，且能自动记录。另外，也可通过温度变送器经放大后再接指示仪表，或作为控制用的信号。

相关知识

1.是否掌握热电偶的工作原理、连接方式及热电偶冷端温度补偿方法。

2.是否了解热电偶的种类、代号、测温范围。

3.是否了解普通工业热电偶的结构、应用场合。

相关知识

一、热电偶测温原理

1.热电效应

两种不同材料的导体组成一个闭合回路时，若两接点温度t与T0不同，则在该回路中会产生电动势。这种现象称为热电效应，该电动势称为热电动势。这种现象于1821年首先由塞贝克(Seeback)发现，所以又叫塞贝克效应。

两种导体组成的回路称为热电偶，这两种导体称为热电极，产生的电动势则称为热电动势，热电偶有两个节点，一个称为测量端(工作端或热端)，另一个称为参考端(自由端或冷端)。

热电偶两节点所产生的总的热电动势等于热端热电动势与冷端热电动势之差，是两个节点的温差Δt的函数，即

EAB(T，T0) =e AB(T) -e AB(T0)　(6-2)

图6-7 热电偶电动势示意图

热电动势大致与两个节点的温差Δt成正比。热电动势由两部分组成:两种导体的接触电动势和单一导体的温差电动势。

(1)接触电动势

式中，EAB(T)为导体A、B节点在温度T时形成的接触电动势;E为单位电荷，e=1.6 ×10-19C;k为波尔兹曼常量，k=1.38×10-23J/K;NA、NB分别为导体A、B在温度为T时的自由电子密度。

接触电动势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。

(2)温差电动势

式中，EA(T，T0)分别是导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势;T、T0分别是高、低端的绝对温度;σA是导体A的汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1℃时所产生的温差电动势，如在0℃时铜的汤姆逊系数σ=2μV/℃。

(3)回路总电动势

由导体材料A、B组成的闭合回路，其节点温度分别为T、T0。如果T＞T0，则必存在着两个接触电动势和两个温差电动势，回路总电动势为

EAB(T，T0) =EAB(T) -EAB(T0) -EA(T，T0) +EB(T，T0)

式中，NAT是导体A在节点温度为T时的电子密度;NAT0是导体A在节点温度为T0时的电子密度;NBT是导体B在节点温度为T时的电子密度;NBT0是导体B在节点温度为T0时的电子密度;σA是导体A的汤姆逊系数;σB是导体B的汤姆逊系数。

温差电动势比接触电动势小，根据电磁场理论得

由于NA、NB是温度的单值函数，则

EAB(T，T0) =EAB(T) -EAB(T0)=f(T) -C=Φ(T)　(6-7)

在工程应用中，常用实验的方法得出温度与热电动势的关系并做成表格以备查。由式(6-7)可得

EAB(T，T0) =EAB(T) -EAB(T0)=EAB(T) -EAB(0) -［EAB(T0) -EAB(0)］=EAB(T，0) -EAB(T0，0)　(6-8)

热电偶的热电动势等于两端温度分别为T和零度以及T0和零度的热电动势之差。

2.四点结论

(1)热电偶回路热电动势只与组成热电偶的材料及两端温度有关，与热电偶的长度、粗细无关。

(2)只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热电偶;相同材料不会产生热电动势。这是因为:当A、B两种导体是同一种材料时，有

也即

EAB(T，T0) =0

(3)只有当热电偶两端温度不同，热电偶的两导体材料不同时才能有热电动势产生。

(4)导体材料确定后，热电动势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使EAB(T0)=常数，则回路热电动势EAB(T，T0)就只与温度T有关，而且是T的单值函数。这就是利用热电偶测温的原理。

对于由几种不同材料串联组成的闭合回路，节点温度分别为T1、T2、…、Tn，冷端温度为零摄氏度时的热电动势为

E=EAB(T1) +EBC(T2) +…+En A(Tn)　(6-9)

二、热电偶回路的性质(基本定律)

1.均质导体定律

由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体是否存在温度梯度，回路中没有电流(即不产生电动势);反之，如果有电流流动，此材料则一定是非均质的，即热电偶必须采用两种不同材料作为电极。

2.中间导体定律

一个由几种不同导体材料连接成的闭合回路，只要它们彼此连接的节点温度相同，则此回路各节点产生的热电动势的代数和为零。如图6-8所示，由A、B、C三种材料组成的闭合回路中有

E总=EAB(T) +EBC(T) +ECA(T) =0　(6-10)

图6-8 三种材料组成的闭合回路示意图

图6-9 两种导体材料组成热电偶回路

3.中间温度定律

如果不同的两种导体材料组成热电偶回路，其节点温度分别为T1、T2(如图6-9所示)时，则其热电动势为EAB(T1，T2);当节点温度为T2、T3时，其热电动势为EAB(T2，T3);当节点温度为T1、T3时，其热电动势为EAB(T1，T3)，则

EAB(T1，T3) =EAB(T1，T2) +EAB(T2，T3)　(6-11)

式(6-11)对于冷端温度不是零摄氏度时热电偶如何选择分度表提供了依据。如T2=0℃时，则

EAB(T1，T3) =EAB(T1，0) +EAB(0，T3)=EAB(T1，0) -EAB(T3，0)　(6-12)

=EAB(T1) -EAB(T3)

三、冷端处理及补偿

热电偶热电动势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输出热电动势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定;热电偶分度表给出的热电动势是以冷端温度0℃为依据，否则会产生误差。因此，对热电偶冷端进行补偿非常有必要。处理及补偿的方法包括冰点槽法、计算修正法、补正系数法、零点迁移法、冷端补偿器法、软件处理法。

1.冰点槽法

把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里，使T0=0℃(图6-10)。这种办法仅限于科学实验中使用。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须分别把连接点置于两个玻璃试管里，浸入同一冰水槽，使之相互绝缘。

图6-10 冰点槽法

2.计算修正法

用普通室温计算出参比端实际温度TH，利用公式计算:

EAB(T，T0) =EAB(T，TH) +EAB(TH，T0)　(6-13)

例如，用铜-康铜热电偶测某一温度T，参比端在室温环境TH中，测得热电动势为

EAB(T，TH) =1.999m V　(6-14)

又用室温计测出TH=21℃，查此种热电偶的分度表(表6-1)可知EAB(21，0)=0.832m V，故得

EAB(T，0) =EAB(T，21) +EAB(21，T0) =1.999m V+0.832m V=2.831m V

再次查分度表，与2.831m V对应的热端温度T=68℃。

表6-1 某热电偶的分度表

(续表)

注: -0.39，-0.78，-1.16，-1.53，-1.89分别适合于-10℃，-20℃，-30℃，-40℃，-50℃。

3.补正系数法

把参比端实际温度TH乘上系数k，加到由EAB(T，TH)查分度表所得的温度上，成为被测温度T。用公式表达，即

T=T'+k TH　(6-15)

式中，T为未知的被测温度;T'为参比端在室温下热电偶电动势与分度表上对应的某个温度;TH为室温;k为补正系数。

4.零点迁移法

应用领域:冷端不是0℃但十分稳定(如恒温车间或有空调的场所)。

实质:在测量结果中人为地加一个恒定值，因为冷端温度稳定不变，电动势EAB(TH， 0)是常数，利用指示仪表上调整零点的办法加大某个适当的值而实现补偿。

5.冷端补偿器法

利用不平衡电桥产生热电动势补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电动势的变化值，电路如图6-11所示。不平衡电桥由R1、R2、R3(锰铜丝绕制)和RCu(铜丝绕制)四个桥臂及桥路电源组成。设计时，在0℃下使电桥平衡(R1=R2=R3=RCu)，此时Uab=0，电桥对仪表读数无影响。

T0↑　Ua↑　Uab↑　EAB(T，T0)↓

供电4V直流，在0～40℃或-20～20℃的范围起补偿作用。注意:不同材质的热电偶所配的冷端补偿器，其限流电阻R不一样，互换时必须重新调整。

图6-11 冷端补偿器的作用

6.软件处理法

对于计算机系统，不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。例如，冷端温度恒定但不为0℃的情况，只需在采样后加一个与冷端温度对应的常数即可。对于T0经常波动的情况，可利用热敏电阻或其他传感器把T0信号输入计算机，按照运算公式设计一些程序，便能自动修正。后一种情况必须考虑输入的采样通道中除了热电动势之外还应该有冷端温度信号，如果多个热电偶的冷端温度不相同，还要分别采样，若占用的通道数太多，宜利用补偿导线把所有的冷端接到同一温度处，只用一个冷端温度传感器和一个修正T0的输入通道就可以了。冷端集中对于提高多点巡检的速度也很有利。