热电偶测量原理

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1、温度测量与热电偶冷端补偿温度测量是测量领域最重要的功能之一，频繁应用于气象观测、环境研究、实验室以及其他各种生产过程。在特定条件下的产品 制造与工业质量保持稳定方面，温度测量是基础且十分重要。因此， 本文将描述工业领域温度测量中广泛使用的温度传感器的热电偶和 电阻温度传感器(RTD)的测量原理及热电偶冷端补偿相关知识。热电偶测温的基本原理：两个不同导体A与B串接成一个闭 合回路，如图a所示，当两个接点的温度不同时(设TT0)，回路中就 会产生热电动势，这种现象称为热电效应。这种现象是1821年德国 科学家赛贝克(T.Seebeck)发现的，所以又称塞贝克效应。金禹A温止7CC温度T金属日图3塞

2、贝克效应卜:心Db热电势的测定热电偶的基本构成: 导体的 A 和 B 称为热电偶的热电极。放置在被 测对象中的接点称为测量端，习惯上又叫做热端。另一接点称为参考 端（参比端 ，习惯上又叫冷端。ABRCiS电A辗图C热电偶测富原理热电动势的测量: 热电动势包括接触电势和温差电势。温差电势远比 接触电势小，可以忽略。这样闭合回路中的总热电势可近似为接触电 势。根据实验数据把热电势EAB（T, T0）和温度T的关系绘成曲线或 列成表格（分度表），则只要用仪表测得热电势，就可以求出被测温度 T。在理解热电偶测温原理时我们需要知道热电偶的几个特性:1 、组成热电偶回路的两种导体材料相同时，无论两接点温度

3、如何， 回路总热电势等于零。2、如果热电偶两接点的温度相同，T=T0,则尽管导体A, B材料 不同，热电偶回路的总电势亦为零。热电偶回路的总电势仅与两接点温度有关，与A、B材料的中间 温度无关。3、在热电偶回路中接入第三种材料的导体时，只要这根导体的两端 温度相同，则不会影响原来回路的总热电势。这一性质称为中间导体 定律。在用热电偶丝进行温度测量时，热电偶的冷端补偿是必不可少的。那为什么要进行冷端补偿呢？从热电偶的测温原理知道，热电偶热电势大小不但与热端温度有关，而且与冷端温度有关。只有在冷端温度恒定的情况下，热电势才能正确反映热端温度大小。在实际运用中，热 电偶冷端受环境温度波动的影响较大，

4、因此冷端温度不可能恒定，而 要保持输出电势是被测温度的单一函数值，必须保持一个节点温度恒定。热电偶技术条件都是指冷端（非工作端）处在0C时的电动势，要 求工作时，保持0c,这样热电势才能正确反映热端温度大小，否则 就会产生误差。A锅炉I _三空一 J有很多种可用于测量温度的热电偶类型，它们的温度电动势特性如下图:鶴电动势mu1M0:w 皿E J K竹nV转 筠IBSCc)下表总结了典型的热电偶类型及其优缺点:类型优点缺点B1、适用于ioooc或以上的高温测量。2、室温下具有非常低的导热性，无需 补偿导线。3、极好的耐酸性和耐化学性。1、中低温范围内导热性低， 600C或600C以下时无法进行

5、测量。2、低灵敏度。3、低温差电动势线性。价格昂贵。R/S1、高精确性和低变更、低退化性。2、极好的耐酸性和耐化学性。3、可作为标准使用。1、低灵敏度。易受还原气氛影 响（尤其是氢气或金属蒸气）。2、导致重大的补偿导线错误。3、价格昂贵。N1、具有极好的温差电动势线性。2、在1200C或1200C以下具有极好 的耐酸性。3、不受短程排序影响。1、不适用于还原气氛。2、与贵金属热电偶相比，易遭 受大的长期的改变。K1、具有极好的温差电动势线性。2、在1000C或1000C以下具有极好 的耐酸性。3、在贱金属热电偶中具有极好的稳 定性。1、不适用于还原气氛。2、与贵金属热电偶相比，易遭 受大的长期

6、的改变。3、易受短程排序导致的错误 影响。E1、是当前最灵敏的热电偶。2、具备比J类型更好的耐热性。3、两个支架都是无磁的。1、不适用于还原气氛。2、有轻微磁滞现象。J1、可用于还原气温。2、导热性高出K类型约20%。1、正极“ + ）铁支架易生锈。2、特性不稳定。T1、具有极好的温差电动势线性。2、在低温下仍有很好的特性。3、质量变化小。4、可用于还原气温。1、低使用限制。2、正极（“ + ”）铜支架易氧化。3、导致重大的热传导错误。冷端补偿原理及方法：测量温度时要求其冷端（测量端为热端，通过引线与测量电路连接的 端称为冷端）的温度保持不变，其热电势大小才与测量温度呈一定的 比例关系。若测量

7、时，冷端的（环境）温度变化，将影响严重测量的 准确性。在冷端采取一定措施补偿由于冷端温度变化造成的影响称为 热电偶的冷端补偿。热电偶的冷端补偿通常采用在冷端串联一个由热电阻构成的电桥。电 桥的三个桥臂为标准电阻，另外有一个桥臂由（铜）热电阻构成。当 冷端温度变化（比如升高），热电偶产生的热电势也将变化（减小）， 而此时串联电桥中的热电阻阻值也将变化并使电桥两端的电压也发 生变化（升高）。如果参数选择得好且接线正确，电桥产生的电压正 好与热电势随温度变化而变化的量相等，整个热电偶测量回路的总输 出电压（电势）正好真实反映了所测量的温度值。这就是热电偶的冷 端补偿原理。热电偶在实际工业测量中，冷端

8、温度不可能恒定在0C,因此， 在热电偶测量中，不仅需要保持冷端温度恒定，而且要对冷端温度进 行相对于0C时的热电势进行补偿，目的是将测量的热电势折算到冷 端温度为0C时的标准状态。为了保持冷端温度恒定，常常需要将冷 端用导线延伸到温度相对稳定的场所（控制室）。这种用来延伸热电 偶冷端的导线称为补偿导线。补偿导线大致可分为两种，一种使用与 热电偶相同的材质制成，叫做延伸型补偿导线；另外一种使用与热电 偶不同的较便宜的材质制成，叫做补偿型补偿导线。下面谈谈热电偶的冷端补偿。用热电偶测温时，其产生的热电势 E （T,T0）的值取决于热电偶热端和冷端的的温度差。当冷端温度T0 由0C升高到T0时，测出

9、的热电势为E （T,T0），此时热电势减少了 AEx二E（T,0C）-E（T,T0）。也就是说，随冷端温度的升高，测出热电 势值降低，从而产生了误差。为减小热电偶冷端温度变化所引起的误 差，需要对冷端温度进行补偿。通常采用电桥来测量热电势E（T,T0）, 其中三个桥臂选用标准电阻 ,而将铜电阻 Rcu 接在电桥的一个桥臂 上，并用引线将其置于热电偶冷端附近。当冷端温度升高而引起热电 势减少的同时，补偿电阻Rcu阻值亦增加，使铜电阻两端压降增大， 两者大小相等，方向相反，起到了冷端温度自动补偿的作用，使温度 变送器输出值只取决于热电偶热端温度，消除了因冷端温度变化而引 起的测量误差。但热电偶所产

10、生的热电势与温度之间的关系是非线性 的，其平均每度所产生的热电势值不一定相同，而铜电阻的阻值变化 却为线性关系，所以它们的补偿是近似的，只能在某一局部范围内得 到较好的补偿。因此，保持冷端温度相对稳定还是有必要的。为了提高热电偶测温的精度，利用温度传感器，例如铂电阻 Pt100 对冷端温度进行动态测定，再根据热电偶分度表获得冷端补偿电势 值，然后在计算机内与热电偶实际输出电势进行代数迭加，通过热电 偶分度表，便可由该代数和换算出实测温度。此种补偿方法完全用软 件实现，精度高，可适应冷端温度变化较大的场合，是目前计算机集 散控制系统（DCS）常用的方法。热电阻电阻由极细的金属线构成，主要使用铂、

11、铜和镍等材料。符合JIS标准的热电阻只能由铂制成。热电阻由于和热电偶的测温原理完全不 同，所以它具备一些自己的特征，具体如下:1. 不能进行650C以上的高温测量。2. 测量灵敏度约为热电偶的10倍。3. 能够长期稳定测量。4. 机械强度低。5. 响应慢，不易测量微小或狭窄的部分。6. 通过测量电流产生热量。7. 抗干扰性强。8. 导线电阻会导致测量误差热电阻的温度电阻率特性如下图：O 51 2O口- I -lr 电阻宝苗-20D酉 l：B 2 MD 4005 KB遍度七金属的电阻值随着温度的升高而增加，0c时100Q的铂电阻，当温 度升高至100C时，电阻值为138.5Q。即温度每上升或下降

12、一度，电 阻变化0.385Q。热电阻的测温原理: 热电阻中通过一定的电流，用热电阻两端的电压值除以这个电流值就可以求得热电阻的电阻值，然后将其换算成温 度。电路中的电流分为三种: 0.5mA、1mA 和 2mA 三种。电流值超过容许 电流时会导致自身加热，从而容易产生测量误差。相反，如果电流过 小，则产生的电压变低，测量就会变得很困难。所以，一般情况下使 用2mA,高精度测量时使用0.5mA或1mA。为了克服由于导线电阻对温度测量造成的误差，一般会采用三线制或四线制补偿电路。RtV2=irn二 VA1 住Vi-V2=i RHa) -i 血耳 R t+VP莎Vi = i(RHR)DC三线制测温时，线上电阻rA和rB阻值相抵，如果近似相等时rA-rB为零A o AB o Bo四线制测温时，在测量电路上加载恒定电流i,在测热电阻电压的内 线电路中保证只测量电压，而无电流通过。三线制与四线制的区别在于精度: 四线制较三线制测量精度更高，而 四线制需要多一根电缆，成本较三线制更高。