热电偶基本原理和使用方法

热电偶基本原理和使用措施常用热电偶分度号有S、B、K、E、T、J等，这些都是原则化热电偶。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便宜热偶。由于这种 合金具有较好的高温抗氧化性，可合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，不久腐 蚀，在此状况下只能用于500度如下的测量。它比S型热偶要便宜诸多，它的反复性较好，产生的热电势大，因而敏捷度很高，并且它的线性较好。虽然其测量精 度略低，但完全能满足工业测温规定，因此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，与铂热电阻一起，约占整个温度传感器总量的60%，热电偶一般和显示仪表等配套使用，直接测量多种生产过程中-401800范畴内的液体、蒸气和气体介质以及固体的表面温度。热电偶工作原理：两种不同成分的导体（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步，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。热电偶就是运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。热电偶事实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，应注意如下几种问题：（）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分和两端的温差有关；（）当热电偶的两个热电偶丝材料成分拟定后，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，其基本构造涉及热电偶丝材、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）该热电偶的正极成分为含铑10%的铂铑合金，负极为纯铂；它的特点是：（）热电性能稳定、抗氧化性强、宜在氧化性氛围中持续使用、长期使用温度可达1300，超达1400时，虽然在空气中、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，精确度级别最高的，一般用作原则或测量较高的温度；（）使用范畴较广，均匀性及互换性好；（）重要缺陷有：微分热电势较小，因而敏捷度较低；价格较贵，机械强度低，不合适在还原性氛围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，其他性能几乎相似，该种热电偶在日本产业界，作为高温热电偶用得最多，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，可忽视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，故需配用敏捷度较高的显示仪表。型热电偶合适在氧化性或中性氛围中使用，也可以在真空氛围中的短期使用；虽然在还原氛围下，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陷、在高温时很少有大结晶化的趋势，且具有较大的机械强度；同步由于它对于杂质的吸取或铑的迁移的影响 较少，因此通过长期使用后其热电势变化并不严重、缺陷价格昂贵（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，合适在氧化性及 惰性气体中持续使用，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，不合适在真空、含硫、含碳氛围及氧化还原交替的氛围下裸丝使用；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。型热电偶的缺陷：（1）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范畴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，其热电势示值不同样，其差值可达23；（3）其负极在150200范畴内要发生磁性转变，致使在室温至230范畴内分度值往往偏离分度表，特别是在磁场中使用时往往浮现与时间无关的热电势干扰；（）长期处在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）该热电偶的重要特点是：在1300如下调温抗氧化能力强，长期稳定性及短期热循环复现性好，耐核辐射及耐低温性能好，此外，在4001300 范畴内，型热电偶的热电特性的线性比型偶要好；但在低温范畴内（-200400）的非线性误差较大，同步，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），其重要特点是：在贱金属热电偶中，它的精确度最高、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，故在氧化性氛围中使用时，一般不能超过300，在-200300范畴内，它们敏捷 度比较高，铜康铜热电偶尚有一种特点是价格便宜，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,该热电偶的正极为纯铁，负极为康铜（铜镍合金），具特点是价格便宜,合用于真空氧化的还原或惰性氛围中，温度范畴从 -200800，但常用温度只是500如下，由于超过这个温度后，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（）的氛围中使用。、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，即敏捷度最高；它的应用 范畴虽不及型偶广泛，但在规定敏捷度高、热导率低、可容许大电阻的条件下，常常被选用；使用中的限制条件与型相似，但对于具有较高湿度氛围的腐蚀不很 敏感。除了以上8种常用的热电偶外，作为非原则化的热电偶尚有钨铼热电偶，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。热电偶的绝缘材料诸多，大体上可分为有机和无机绝缘两类，处在高温端的绝缘物必须采用无机物，一般在1000如下选用粘土质绝缘管，在1300如下选用高铝管，在1600如下选用刚玉管。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长其强度的作用；因此，热电偶保护管及绝缘选择与否合适，将直接影响到热电偶的使用寿命和测量的精确度，被采用做保护管的材料重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，热电偶因其结实性、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，涉及参照端(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，热电偶可以检测更宽的温度范畴，具有较高的性价比。此外，热电偶的牢固、可靠性和迅速响应时间使其成为多种工作环境下的首要选择。固然，热电偶在温度测量中也存在某些缺陷，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畴，但线性度却大打折扣。除此之外，RTD和温度传感器IC可以提供更高的敏捷度和精度，可抱负用于精确测量系统。热电偶信号电平很低，常常需要放大或高辨别率数据转换器进行解决。如果排除上述问题，热电偶的低价位、易使用、宽温度范畴使其得到广泛使用。热电偶基本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、所用金属以及相应的温度测量范畴。每种热电偶在其规定的温度范畴内具有独特的热电特性。表1. 常用的热电偶类型 类型 正端金属/合金负端金属/合金温度范畴(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)结电压与参照端(冷端)结电压之差。由于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，相应于电压差与温差之比，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效应的成果。图1b. 常用的热电偶配备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所示是一种最常用的热电偶应用。该配备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，这些连线为系统增长了两个额外节点，只要这两个节点温度相似，中间金属(铜)不会影响输出电压。这种配备容许热电偶在没有独立参照结点的条件下使用。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，为了拟定热端的实际温度，冷端温度必须是已知的。冷端温度为0C (冰点)时是一种最简朴的状况，如果TC = 0C，则VOUT = VH。这种状况下，热端测量电压是结点温度的直接转换值。美国国标局(NBS)提供了多种类型热电偶的电压特性数据与温度相应关系的查找表。所有数据均基于0C冷端温度。运用冰点作为参照点，通过查找合适表格中的VH可以拟定热端温度。在热电偶应用初期，冰点被当作热电偶的原则参照点，但在大多数应用中获得一种冰点参照温度不太现实。如果冷端温度不是0C，那么，为了拟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，必须拟定冷端温度，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、缺陷，需根据具体应用进行选择。对于精度规定非常高的器件，通过校准的铂RTD可以在很宽的温度范畴内保持较高精度，但其成本很高。精度规定不是很高时，热敏电阻和硅温度传感器IC可以提供较高的性价比，热敏电阻比硅IC具有更宽的测温范畴，而传感器IC具有更高的线性度，因而性能指标更好某些。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具有杰出的线性度，但测温范畴很窄。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、温度范畴、成本和线性指标，以便得到最佳的性价比。考虑因素一旦建立了冷端补偿措施，补偿输出电压必须转换成相应的温度。一种简朴的措施既是使用NBS提供的查找表，用软件实现查找表需要存储器，但查找表对于持续的反复查询提供了一种迅速、精确的测量方案。将热电偶电压转换成温度值的此外两种方案比查找表复杂某些，这两种措施是：1) 运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解决。软件线性逼近只是需要预先拟定多项式系数，不需要存储，因而是一种更通用的方案。缺陷是需要较长时间解多阶多项式，多项式阶数越高，解决时间越长，特别是在温度范畴较宽的状况下。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。浮现软件测试方案之前，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)。这种基于硬件的措施运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，在目前可以测试热电偶信号的万用表中仍采用这种措施。应用电路下面讨论了三种运用硅传感器IC进行冷端补偿的典型应用，三个电路均用来解决温度范畴较窄(0C至+70C和-40C至+85C)的冷端温度补偿，精度在几种摄氏度以内。第二个电路涉及一种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构成)进行温度测量。示例#1图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的辨别率，这对于解决热电偶小信号输出非常必要。温度检测IC接近热电偶安装，用于测量冷端附近的温度。这种措施假设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基准节省了一种外部电压基准IC。 图2. 本地温度检测IC (MAX6610)拟定冷端温度。温度检测IC接近热电偶接点(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。ADC的通道2将MAX6610的单端输出电压转换成数字信号，提供应微控制器。温度检测IC的输出电压与冷端温度成正比。为了拟定热端温度，需一方面拟定冷端温度。然后通过NBS提供的K型热电偶查找表将冷端温度转换成相应的热电电压。将此电压与通过PGA增益校准的热电偶读数相加，最后再通过查找表将求和成果转换成温度，所得成果即为热端温度。表2列出了温度测量成果，冷端温度变化范畴：-40C至+85C，热端保持在+100C。实际测量成果在很大限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#20.0+101.5测量值#3+25.2+100.2测量值#4+85.0+99.0* “热端测量温度”是通过补偿的数值，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不需要接近冷端安装，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不必接近冷端，由于它使用了一种外部二极管检测温度。MAX6002为ADC提供2.5V基准电压。表3列出了温度测量成果，冷端温度变化范畴：-40C至+85C，热端保持在+100C。实际测量成果在很大限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”是通过补偿的数值，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通过解决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偿后的成果，在0C至+700C温度范畴内，器件温度误差保持在9 LSB以内。虽然该器件的测温范畴较宽，但它不能测量0C如下的温度。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所示电路的测量成果，冷端温度变化范畴：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”是通过补偿的数值，由电路测量得到。结论由于热电偶是差分温度测量器件，在解决热电偶信号时必须建立一种参照点。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，即可拟定出热端的实际温度值。冷端补偿器件的选择原则与精度、成本、线性度、温度范畴等因素有关，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畴，但其线性度较差。硅温度传感器检测IC工作温度范畴较窄，但具有合理的精度和线性度，成本也比较低，可以满足多数热电偶应用的需求