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1、郑重声明本人的毕业论文（设计）是在指导教师张志来的指导下独立撰写 完成的。如有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵仅的 行为，本人愿意承担由此产生的各种后果，直至法律责任，并愿意通 过网络接受公众的监督。特此郑重声明。毕业论文（设计）作者签名：年月日摘 要 热电偶是一种感温元件，是一种仪表。它直接测量温度，并把温度 信号转换成热电动势信号，通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。 热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路，当两端存在温 度梯度时，回路度表；分度表是自由端温度在 0 摄氏度时的条件下得到的，不同 的热电偶具有不同的分度表。在热电偶回路中接入第三种金属
2、材料时，只要该材 料两个接点的温度相同，热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属 接入回路中的影响，因此，在热电偶测温时，可接入测量仪表，测得热电动势后， 即可知道被测介质的温度。关键词 感温元件 热电动势 温度目录摘要 11 序言 32 背景介绍 33 工作原理 34 基本定律 44.1 中间温度定律44.2 中间导体定律54.3 标准电极定律55 现实应用 55.1 常见热电偶类型55.2 热电偶的结构55.2.1 普通热电偶55.2.2 铠装热电偶65.2.3 薄膜热电偶65.2.4 并联热电偶65.2.5 串联热电偶75.3 热电偶的选择7 注释 7 参考文献 7 致谢 8热电
3、偶式传感器简介1 序言热电偶是温度测量仪表中常用的测温元件，是由两种不同成分的导体两端接合成回路， 当两接合点热电偶温度不同时，就会在回路内产生热电流。如果热电偶的工作端与参比端存 有温差时，显示仪表将会指示出热电偶产生的热电势所对应的温度值。2 背景介绍1821 年赛贝克发现了铜、铁这两种金属的温差电现象。即在这两种金属构成的闭合回路中，对两个接为-501600 C。若配用特殊材料，其温度范围可以扩大到-1802800 C。3 工作原理热电偶传感器主要按照热电效应来工作。将两种不同的导体A和B连接起来，组成一个 闭合回路，即构成热电偶，如图3T。当导体A和B的两个接点1和2之间存在温差时，两
4、者 之间便产生电动势，因而在回路中形成一定大小的电流，这种现象就是热电效应，也叫温电 效应。头的其中一个加热即可产生电流。由于冷热两个端（接头）存在温差而产生的电势差e， 就是温差热电势。这种由两种不同的金属构成的能产生温差热电势的装置就是热电偶。它在 温度测量中应用极为广泛，它具有构造简单、使用方便、准确度较高和温度测量范围宽等特eAB（T）-（T0）kT ln 整e nB(T)e式中n （T），n（T ）为材料A，B在温度为T时的自由电子浓度。A 0 B 00总温差热电势为e (T, TO) -e (T, TO) = JT Q a O B) dTABA BT0总热电势为E (T, T )
5、=lnAA-l 0 山伽(几)-JT Q a -a B) dT AB0 ENB(T)ENB (T o)& A B由上述分析可得： 一：如果构成热电偶的两个热电极材料相同,则接触热电势为零。即使两结点温度不同 由于两支路的温差热电势相互抵消,热电偶回路内的总热电势也为零。因此,热电偶必须采 用两种不同的材料作为热电极。二：如果热电偶两个结点温度相等,则温差热电势为零。尽管导体 A, B 的材料不同,由 于两端点的接触热电势相互抵消,热电偶回路内的总热电势也为零。因此,热电偶的热端和 冷端两个结点必须具有不同的温度。既然热电偶回路的热电势EAB (T, To)只与两导体材料及两结点温度T, To有
6、关，那以当 材料确定后,回路的热电势就是两个结点温度函数之差,即可写为E (T, T) =f(T) -f(T)AB 0 0当参考端温度T固定不变时，f (T)=C (常数)。此时E (T, T )就是工作端温度T的0 0 AB 0 单值函数,即E (T, T ) =f (T) -C=Q (T)AB 0此式在实际测温中得到广泛应用。应该指出,在实际测量中不可能,也没有必要单独测量接触电势和温度差电势,而只需 用仪表测出总热电势。由于温差电势与接触电势相比较,其值较小,故在工程技术中认为热 电势近似等于接触电势。实用中,测出总热电势后,通常不是利用公式计算,而是用查热电偶分度表来确定被测 温度。分
7、度表是将自由端温度保持为 0 摄氏度,通过实验建立起来的热电势与温度之间的数 值对应关系。热电偶测温完全是建立在利用实验热特性和一些热电定律的基础上的。4 基本定律热电偶传感器的基本定律主要有三个：中间温度定律、中间导体定律、标准电极定律。4.1 中间温度定律热电偶AB的热电势仅取决于热电偶的材料和两个结点的温度，而与其它因素无关。如热 电偶AB两结点的温度分别为T、To，则所产生的热电势等于热电偶AB两结点温度为T, T1与 热电偶AB两结点温度为T1, To时所产生的热电势的代数和(如图4-1所示)，用公式表示为E (T, T)=E (T, T)+E (T, T)AB 0 AB 1 AB
8、1 0端温度为0 C时，各工作端温度与热电势的关系表。当自由端温度不是0 C时，所产生的 热电势就可按上式计算。4.2 中间导体定律该定律说明，在热电偶AB蜀犬吠日路中，只要接入的第三导体两端温度相同，则对回路 的总热电热势没有影响。下面考虑两种接法：:在热电偶AB回路中，断开参考结点，接入第三种导体C。只有保持两个新结点AC和 BC的温度仍为参考结点的温度T0（如图4-2所示），就不会影响回路的总热电势，即E （ T， T ） =E （ T， T ）ABC0AB0二：热电偶AB回路中，将其中一导体A断开，接入导体C,如图所示。在导体C与导体 A的两个结点处保持相同的温度则有EABC（T,T0
9、,TC）=EAB（T,T0）上面两种接法表明：在热电偶回路中接入中间导体，只要中间导体两端的温度相同，就 不会影响回路的总热电动势。若在回路中接入多种导体，只要每种导体两端温度相同，结论 是相同的。AACBB中间导体定律4.3 标准电极定律当热电偶回路中的两个结点的温度为T，T。时，用导体AB组成的热电偶的电动势等于热 电偶AC和热电偶CB的热电势的代数和，即E （ T， T ） =E （ T， T ） +E （ T， T ） =E （ T， T ） -E （ T， T ）AB0AC0CB0AC0BC0如图 4-3 所示。标准电极C常用纯铂丝制成，因为铂的物理、化学特性稳定，易提纯，熔点高。5
10、 现实应用5.1 常见热电偶类型铂铑 10-铂热电偶、铂铑30-铂铑 6 热电偶、镍铬-镍硅（或镍铬-镍铝）热电偶、镍铬- 考铜热电偶、铜-康钢热电偶。5.2 热电偶的结构 热电偶的种类很多，其结构及外形也不尽相同，但基本组成大致相同。通常，热电偶由热电极、绝缘材料、接线盒和保护套组成。热电偶按其结构可分为以下五种。5.2.1 普通热电偶普通热电偶如图 5-1 所示，这种热电偶由热端、绝缘套、保护套管、接线盒、及接线盒 盖组成。普通热电偶主要用于测量液体和气体温度。绝缘体一般使用陶瓷管，其保护套管有 金属和陶瓷两种。5.2.2 铠装热电偶 这种热电偶也称缆式热电偶。它由热电极、绝缘体和金属保护
11、套组合成一体。其结构如图 5-2 所示。根据测量端的不同形式，有露端式、接壳式和绝缘式等。这种热电偶的特点是 测量结热容量小，热惯性小，动态响应快，挠性好，强度高，抗震性好，适于用普通热电偶 不能测量的空间温度。这种热电偶的结构可分为片状针状等，如图5-3所示，它是由测量结点、薄膜A、薄膜B、 接头夹、引线等组成的。主要用于测量固体表面小面积瞬时变化的温度。特点是热容量小， 时间常数小，反应速度快等。Ij1WA 2測聲点3T底4-引践5七罢夹强E5.2.4 并联热电偶如图 5-4，它是把几个相同热电偶的同性电极参考端并联在一起，而各个热电偶的测量结 处于不同温度下，其输出电动势 为各热电偶热电
12、动势的平均值。所以这种热电偶可用于测量 平均温度。VV V V并联热电偶5.2.5 串联热电偶 它又叫热电堆，是把几个相同型号的热电偶串联在一起，所有测量端处于同一温度之下所有连接点处于另一温度之下，如图5-5所示。输出电动势为每个热电动势之和。显示仪表（+V V V V串联热电偶5.3热电偶型式的选择一般在常压下可采用普通式结构。测量动态温度时采用时间常数小的热电偶；在被测介 质具有一定压力的情况下，可采用固定螺纹和普通接线盒结构；当环境恶劣须防水、防气、 防爆时，应采用防溅式接线盒；对高压流动介质需采用具有固定螺纹和锥形保护套管的结构 对狭小管道内温度的测量，则采用铠装热电偶，它也适用于高
13、压和动态温试测量。注释樊尚春传感器技术及应用北京航空航天大学出版社，2004, 208参考文献：1 孔德仁，狄长安.工程测试技术教材.科学出版社， 2009， 12 樊尚春.传感器技术及应用.北京航空航天大学出版社， 2004， 83 赵玉刚，邱东.传感器基础.北京大学出版社， 2007， 12致谢感谢指导教师张志来的关心、指导和教诲。张志来老师追求真理、献身科学、严以律已、 宽以待人的崇高品质对学生将是永远的鞭策。作者在撰写论文期间的工作自始至终都是在张志来老师全面、具体的指导下进行的。张 志来老师渊博的学识、敏锐的思维、民主而严谨的作风，使学生受益匪浅，终生难忘。感谢我的学友和朋友们对我的关心和帮助。
