热电偶式传感器

4．5．1　热电偶式传感器

热电偶式传感器是基于热电效应，将温度信号转换为电信号的一种传感器。

1）工作原理

热电偶式传感器的工作原理基于热电效应。如图4．9所示，将两种材料不同的导体的两个端点焊接在一起，构成一个闭合回路。如果两连接点1和2温度不同，回路中就会有一个电动势，并在闭合回路中产生电流。这个电动势和电流与两种导体的性质和两个接点间的温度差有关。这种现象称为热电效应或塞贝克效应。A和B两种导体称为热电极，它们合称热电偶，若接点1和2的温度分别为T₁和T₂，且T₁＞T₂，接点1称为热端或工作端，接点2称为冷端或自由端。如果对于某一确定的热电偶，冷端温度固定，则热电偶回路中的热电势就只与热端温度呈对应关系，测定热电势就能测定热端温度。

图4．9　热电偶结构原理

热电势是由接触电势（又称拍尔帖电势）和单一导体的温差电势（又称汤姆逊电势）组成。接触电势产生的原理在于不同的导体具有不同的自由电子浓度。当两种不同导体接触后，自由电子便从浓度高的一方向浓度低的一方扩散，结果在界面附近一方失去电子，带正电，另一方得到电子，带负电，在两导体的接触面上形成电位差。这种电位差阻碍电子的扩散，当达到动平衡时，即在界面上形成一接触电势。由于接触电势的形成与扩散有关，显然当两导体材料确定后，接触电势只与接触面的温度成正比，记为e_AB（T），热电偶中有两个接触面，温度分别为T₁和T₂，对应的接触电势为e_AB（T₁）和e_AB（T₂）。

温差电势是在同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势。由于两端温度不同，导体内自由电子的运动速度不同，高温端的电子运动速度比低温端的电子运动速度要大。因此，电子将从速度大的区域向速度小的区域扩散，结果高端失去电子而带正电，低端得到电子而带负电，从而在导体的两端形成电势差，即温差电势，记为e（T₁，T₂），如图4．9所示。

因此，在A和B两个导体组成的热电偶回路中，总的热电势为：

实际上，如图4．12所示热电偶中所形成的热电势是无法测量的，要测量就必须接入电表。电表的接线端是铜导体，势必在A和B导体中又要介入第三导体，这时会不会影响原来回路中的热电势？为答复这一问题，下面介绍热电偶的中间金属定律。

中间金属定律是指：在由A和B两种导体组成的热电偶回路中，不管从何处接入第三导体，只要保证接入导体两端的温度相同，则接入导体时将不影响原来回路中的热电势。可见，要测量热电偶回路中的热电势，只要保证接入的仪表两接点温度相同，就能准确测量出原热电偶回路中的热电势。

图4．10　热电势效应原理

图4．11　热电偶测量电路

用热电偶测量温度十分简便，只要用电位差计等测出热电偶两端电动势，换算成温度即可，如图4．10所示。图中c为第三种金属等连接导线（如铜线）。根据中间金属定律，只要保持导线，与基准接点两处温度相等（同为T₀），就不影响测量精度。

2）种类和选用

热电偶主要是用来测量温度。热电偶的种类较多，主要应根据其工作温度选用。表4．2为常用热电偶的种类和适用范围，可供选用时参考。

表4．2　常用热电偶的种类和适用范围

续表4．2

3）使用注意事项

（1）特性分度表的使用

分度表是指编制出的针对各种热电偶的热电动势与温度的对照表。温度按10℃分挡，其中间值可按插值法计算。由式（4．22）可知，热电势E_AB（T₁，T₂）是2个接点的温度。将冷端温度T₂固定后，E_AB（T₁）就为热端T₁的单值函数。为了统一起见，一般手册上所提供的热电偶特性分度表是在保持热电偶冷端温度T₂＝0℃条件下给出的热电势与热端温度的数值对照表。

因此，实际测温时，冷端温度若为0℃，则只要正确地测量热电势，查分度表，即可得到所测温度。但是，如果此时冷端温度不为0℃，而为室温，就不能直接利用特性分度表。这时应测量室温（设为T₂（℃）），利用特性分度表反查出其热电势值E（T₂，0），将该热电势值E（T₂，0）与热电偶回路所测得的热电势E（T₁，T₂）相加，才是E（T₁，0），即

然后再由E（T₁，0）之值查特性分度表，才能得到热电偶热点的实际温度T₁。其关系如图4．12所示。

图4．12　热电偶的特性曲线

（2）补偿导线的使用

热电偶传感器长度通常在1m左右，当测量高温时，冷端温度受热端温度影响较大，此时常用补偿导线将冷端远移到温度变化比较平缓的环境中。补偿导线是和热电偶配用的双股导线。它的材料分别与热电偶的A和B导体材料一样。有多少类热电偶就有多少类配用的补偿导线。选用时，注意不要选错牌号和接错＋、－极。最终原则是：当热电偶出线盒外接线时，热电偶的导体材料要分别与补偿导线的导体材料一致，这样才能保证在回路中不改变原来的热电势。

（3）冷端补偿

在测量中也可想办法对冷端进行补偿，达到直读温度的目的。冷端补偿的办法常用以下三种。

①0℃恒温法。将热电偶的冷端保持在0℃器皿内。此法仅适用于实验室内，但它能使冷端温度误差完全消除。

②冷端恒温法。将热电偶的冷端接点置于一恒温器内，如恒定温度为t₀（℃），则冷端误差Δ为：

由式（4．24）可见，冷端误差虽不为0，但是一个定值。只要在回路中加入相应的修正电压或调整指示装置的起始位置，即可达到完全补偿的目的。

③冷端补偿器法。工业上常采用冷端补偿器法。冷端补偿器是一个四臂电桥，其中三个桥臂电阻的温度系数为0，另一桥臂采用铜电阻R_Gu，放置于热电偶的冷接点处。当t_n＝20℃时，电桥平衡；当t_n≠20℃时，电桥将产生相应的不平衡电压。电桥的输出Δu与热电势串联。只要满足：

热电偶的冷端误差就变成了定值E_AB（20，0），再进行定值误差的修正（见恒温法）即可获得冷端温度的完全补偿。补偿器电路的原理图如图4．13所示，电桥的供电端A，C通过一可调电阻R_g接直流电源E；桥臂R₁、R₂、R₃为锰铜线绕电阻，阻值可视为不随温度变化的固定电阻。R_T为测温热电阻，用来测量冷端温度。热电偶冷端温度为t′₀，用补偿导线接出，其冷端温度为t₀。设在t＝20℃时电桥平衡，桥顶B，D输出电压U_BD＝0；当t₀温度升高，热电偶R_T增大，电桥输出不平衡电压U_BD＞0，B点电位高于D点电位，于是测温仪测量的回路电势是热电偶两结点温度为T、T₀所产生的温差电势E_AB（T，T₀）与电桥不平衡输出电压U_BD之和。根据中间金属定律，只要满足：

图4．13　补偿器电路

于是：

再进行定值误差的修正即可。