2.2 熱電偶傳感器

熱電偶在溫度的測量中應用十分廣泛。它構造簡單，使用方便，測溫范圍寬，并且有較高的精確度和穩定性。

2.2.1熱電偶測溫原理

1．熱電效應

如圖2-2所示，兩種不同材料的導體組成一個閉合回路時，若兩接點溫度不同，則在該回路中會產生電動勢。這種現象稱為熱電效應，該電動勢稱為熱電動勢。熱電動勢是由兩種導體的接觸電動勢和單一導體的溫度差電動勢組成。圖2-2中兩個接點，一個稱為測量端，或稱熱端；另一個稱為參考端（自由端），或稱冷端。熱電偶就是利用了上述的熱電效應來測量溫度的。

2．兩種導體的接觸電勢

假設兩種金屬A、B的自由電子密度分別為nA和nB，且nA＞nB。當兩種金屬相接時，將產生自由電子的擴散現象。在同一瞬間，由A擴散到B中去的電子比由B擴散到A中去的多，從而使金屬A失去電子帶正電；金屬B因得到電子帶負電，在接觸面形成電場。此電場阻止電子進一步擴散，達到動態平衡時，在A、B之間形成穩定的電位差，即接觸電勢eAB，如圖2-3所示。

3．單一導體的溫差電勢

對于單一導體，如果兩端溫度分別為T、T0，且T＞T0，如圖2-4所示，則導體中的自由電子，在高溫端具有較大的動能，因而向低溫端擴散；高溫端因失去了自由電子帶正電，低溫端獲得了自由電子帶負電，即在導體兩端產生了電動勢，這個電勢稱為單一導體的溫差電動勢。

由圖2-5可知，熱電偶電路中產生的總熱電動勢為：

或用攝氏溫度表示：

在式（2-2）中，EAB（T, T0）為熱電偶電路中的總電動勢；eAB（T）為熱端接觸電動勢；eB（T, T0）為B導體的溫差電動勢；eAB（T0）為冷端接觸電動勢；eA（T, T0）為A導體的溫差電動勢。

在總電動勢中，溫差電動勢比接觸電動勢小很多，可忽略不計，則熱電偶的熱電動勢可表示為：

對于已選定的熱電偶，當參考端溫度T0一定時，eAB（T0）=C為常數，則總的熱電動勢就只與溫度T成單值函數關系，即：

實際應用中，熱電動勢與溫度之間的關系是通過熱電偶分度表來確定的。分度表是在參考端溫度為0攝氏度時，通過實驗建立起來的熱電動勢與工作端溫度之間的數值對應關系。

4．熱電偶的基本定律

（1）中間導體定律。

在熱電偶回路中接入第三種導體，只要該導體兩端溫度相等，則熱電偶產生的總熱電動勢不變。同理，加入第四、第五種導體后，只要其兩端溫度相等，同樣影響電路中的總熱電動勢。如圖2-6所示，可得電路總的熱電動勢為：

根據這個定律，可采取任何方式焊接導線，將熱電動勢通過導線接至測量儀表進行測量，且不影響測量精度。

（2）中間溫度定律。

在熱電偶測量回路中，測量端溫度為T，自由端溫度為T0，中間溫度為T′0，如圖2-7所示。則T, T0電動勢等于T, T′0電動勢與T′0, T0電動勢的代數和。即：

顯然，選用廉價的熱電偶C、D代替T′0、T0熱電偶A、B，只要在T′0、T0溫度范圍C、D與A、B熱電偶具有相近的熱電動勢特性，便可使測量距離加長，測量成本大為降低，而且不受原熱電偶自由端溫度T′0的影響。這就是在實際測量中，對冷端溫度進行修正，運用補償導線延長測溫距離，消除熱電偶自由端溫度變化影響的道理。

這里必須說明，同種導體構成的閉合電路中，不論導體的截面和長度如何，以及各處溫度分布如何，都不能產生熱電動勢。

（3）參考電極定律（也稱組成定律）。

如圖2-8所示，已知熱電極A、B與參考電極C組成的熱電偶在結點溫度為（T, T0）時的熱電動勢分別為EAC（T, T0）、EBC（T, T0），則相同溫度下，由A、B兩種熱電極配對后的熱電動勢EAB（T, T0）可按下面公式計算：

參考電極定律大大簡化了熱電偶選配電極的工作，只要獲得有關熱電極與參考電極配對的熱電動勢，那么任何兩種熱電極配對時的電動勢均可利用該定律計算，而不需要逐個進行測定。

【例2-1】當T為100℃,T0為0℃時，鉻合金-鉑熱電偶的E（100℃, 0℃）=+3.13 mV，鋁合金-鉑熱電偶E（100℃, 0℃）為-1.02 mV，求鉻合金-鋁合金組成熱電偶的熱電勢E（100℃, 0℃）。

解：設鉻合金為A，鋁合金為B，鉑為C。

即：

EAC（100℃,0℃）=+3.13 mV

EBC（100℃,0℃）=-1.02 mV

則：

EAB（100℃,0℃）=+4.15 mV

2.2.2 熱電偶的結構形式及熱電偶材料

1．普通型熱電偶

如圖2-9所示是工業測量上應用最多的普通型熱電偶，它一般由熱電極、絕緣套管、保護管和接線盒組成。普通型熱電偶按其安裝時的連接形式可分為固定螺紋連接、固定法蘭連接、活動法蘭連接、無固定裝置等多種形式。

2．鎧裝熱電偶（纜式熱電偶）

鎧裝熱電偶也稱纜式熱電偶，如圖2-10所示，它是將熱電偶絲與電熔氧化鎂絕緣物熔鑄在一起，外表再套不銹鋼管等構成。這種熱電偶耐高壓、反應時間短、堅固耐用。

3．薄膜熱電偶

薄膜熱電偶如圖2-11所示。用真空鍍膜技術或真空濺射等方法，將熱電偶材料沉積在絕緣片表面而構成的熱電偶稱為薄膜熱電偶。薄膜熱電偶的測量范圍為-200～500℃，熱電極材料多采用銅-康銅、鎳鉻-鎳硅等，用云母做絕緣基片，主要適用于各種表面溫度的測量。當測量范圍為500～1800℃時，熱電極材料多用鎳鉻-鎳硅、鉑銠-鉑等，用陶瓷做基片。

4．熱電偶組成材料及分度表

理論上講，任何兩種不同材料導體都可以組成熱電偶，但為了準確可靠地進行溫度測量，必須對熱電偶組成材料嚴格選擇。目前工業上常用的4種標準化熱電偶材料為：鉑銠30-鉑銠6、鉑銠10-鉑、鎳鉻-鎳硅和鎳鉻-銅鎳（我國通常稱為鎳鉻-康銅）。組成熱電偶的兩種材料寫在前面的為正極，后面的為負極。

熱電偶的熱電動勢與溫度之關系表，稱為分度表。

2.2.3 熱電偶測溫及參考端溫度補償

1．熱電偶測溫基本電路

圖2-12（a）表示了測量某點溫度的連接示意圖；圖2-12（b）表示兩個熱電偶并聯連接，測量兩點平均溫度的連接示意圖；圖2-12（c）為兩熱電偶正向串聯連接，可獲得較大的熱電動勢輸出，提高了測試靈敏度，也可測兩點溫度之和；圖2-12（d）為兩熱電偶反向串聯連接，可以測量兩點的溫差。在應用熱電偶串、并聯測溫時，應注意兩點：第一，必須應用同一分度號的熱電偶；第二，兩熱電偶的參考端溫度應相等。

2．熱電偶參考端的補償

以攝氏溫度表示的熱電偶分度表給出的熱電勢值的條件是參考端溫度為0℃。如果用熱電偶測溫時參考端溫度不為0℃，且又不適當處理，就必然產生測量誤差。下面介紹幾種熱電偶參考端溫度補償方法。

設熱電偶測量溫度為t，參考端溫度為t0（≠0℃），根據中間溫度定律得：

式（2-9）中，E（t, 0℃）是熱電偶測量端溫度為t、參考端為0℃時的熱電動勢；而E（t,t0）是熱電偶測量端溫度為t、參考端溫度為t0時所實測得的熱電動勢值；E（t0, 0℃）是熱電偶參考端溫度為t0時應加的修正值，只要已知t0，就可由熱電偶分度表查出此修正值。

因此，只要知道熱電偶參考端的溫度t0，就可從熱電偶分度表（或分度曲線）查出對應的熱電動勢值E（t0, 0℃）；然后把這個熱電動勢值與實測的熱電動勢值E（t,t0）相加，得出測量端溫度為t、參考端溫度為0℃時的熱電動勢值E（t, 0℃）；最后再由熱電偶分度表查出被測介質的真實溫度。例如用K型（鎳鉻-鎳硅）熱電偶測爐溫時，參考端溫度t0=30℃，由分度表可查得E（30℃, 0℃）=1.203 mV，若測爐溫時測得E（t, 30℃）=28.344 mV，則可計算得：

E（t,0℃）=E（t,30℃）+E（30℃,0℃）=28.344 mV +1.203 mV =29.547 mV

再查分度表可知t=710℃。

如果參考端溫度不穩定，會使溫度測量誤差加大。為使熱電偶測量準確，在測溫時，可采用配套的補償導線將參考端延伸到溫度穩定處再進行溫度測量。在使用熱電偶補償導線時，要注意型號相配，極性不能接錯，熱電偶與補償導線連接端的溫度不應超過100℃。