【原】总工讲解：热电传感器原理，结构及种类

    空调中回风温度、盘管温度等检测均需要用到温度传感器，其中多数是采用热电传感器，今天，小编将介绍这种传感器的工作原理。

    热电传感器是一种能将温度变化转换为电量参数变化的元件。它主要包括将温差转换为热电动势的热电偶；将温度转换为电阻变化的热电阻；利用半导体材料的电阻值随温度变化的热敏电阻和利用半导体PN结温度特性的集成化温度传感器。

    热电偶在温度测量中应用极为广泛，因为它结构简单，具有较高的准确度，温度测量范围宽，动态响应好。若所选择的两根导体材质适当，可以测量高达1000℃以上的高温。

一、热电效应

    两种不同的导体两端相互紧密地连接在一起，组成一个闭合回路。当两接点温度不等时，回路中就会产生电动势，从而形成电流，这一现象称为热电效应，该电动势称为热电动势。

    通常我们把上述两种不同导体的组合称为热电偶，不同导体称为电极。两个接点，一个为工作端或热端（T）,测温时将它置于被测温度场中，另一个叫自由端或冷端（T。），一般要求恒温在某一温度。

由于不同导体的自由电子密度是不同的。当两种不同的导体A，B 连接在一起时，在A，B的接触处就会发生电子的扩散。设导体A的自由电子密度大于导体B的自由电子密度，那么在单位时间内，由导体A 扩散到导体B的电子数要比导体B扩散到导体A的电子数多，这时导体A因失去电子而带正电，导体B因得到电子而带负电，于是在接触处便形成了电位差，即电动势，这个电动势将阻碍电子由导体A向导体B的进一步扩散。

当电子的扩散作用与上述的电场阻碍扩散的作用相等时，接触处的自由电子扩散便达到动态平衡。这种由于两种导体自由电子密度不同，而在其接触处形成的电动势，称为接触电动势。

二、热电效应特点

• 如果热电偶两电极材料相同，无论两接点温度如何，总热电动势为零。

• 如果热电偶两接点温度相同，尽管A，B材料不同，回路中总电动势等于零。

• 热电偶产生的热电动势只与材料和接点温度有关，与热电极的尺寸、形状等无关。同样材料的热电极，其温度和电动势的关系是-样的，因此热电极材料相同的热电偶可以互换。

• 热电偶电极在接点温度为T1,T3时的热电动势，等于此热电偶在接点温度为T1,T2与T2，T3两个不同状态下的热电动势之和。

• 当热电极A,B选定后，热电动势是两个接点温度的函数差。实际应用中，通常把自由端的温度保持0℃，从而使自由端的电动势为常数，此时只要测出总电动势，就可以求出工作端的温度。

根据热电效应的特点，编制出不同热电偶的电动势与温度的对照表，称为分度表，表中温度差按照10℃分档，其中间值可按照内插法计算。

在冷端温度为0℃时，热端温度和热电动势之间的关系还可以用曲线图来描述，下图是常用热电偶的电动势和温度间的曲线关系，可见他们是非线性的。

三、热电偶基本定律

1、中间导体定律。

在A、B两种材料组成的热电偶回路中进入第三种导体C，如果引入第三种导体两端温度相同，则导体的引入不会改变热电偶的电动势大小。

在实际应用中，第三种导体可以测量仪表或连接导线。

2、标准电极定律。

如果两种导体A、B分别于第三种导体C组成热电偶所组成的热电偶所产生的电动势已知，则由这两个导体A、B组成的热电偶电动势由西安标准电极的定律来确定。

由标准电极定律可见，任意几个热电极与一标准电极组成热电偶产生的热电动势已知，就可方便地求出这些热电极任意组合时的热电动势，工程上一般采用纯铂作为标准电极，原因是物理化学性质稳定，熔点高。

四、热电偶的结构及种类

1、结构  

一般的热电偶是加工为帮型，由以下几部分组成：

热电极

热电偶通常以电极所使用的材料来命名，比如铂铑-铂热电偶，铜-康铜热电偶等。热电极有正、负极之分，使用时应注意。

绝缘管

用来防止两根热电极短路，其材料的选用是根据温度范围和绝缘性能要求而定。

  保护管

   保护管的作用是使电极与被测介质隔离。电极套在绝缘管后再装入保护管内。常用的保护管有金属和非金属两类，应根据热电偶类型，测温范围和应用条件等因素劲选择。

  接线盒

   接线盒是起到热电偶与补偿导线连接的作用。

2、种类  

1.铂铑-铂热电偶：

S型热电偶。

特点：精度高，标准热电偶。但热电势小。（<1300℃)

2.镍铬-镍硅热电偶：

K型热电偶。

特点：线性好，价格低，最常用。但精度偏低。(-50～1300℃)

3.镍铬-考铜热电偶：

E型热电偶。

特点：灵敏度高，价格低，常温测量，但非均匀线性。(-50～500℃)

4.铂铑30-铂铑6热电偶：

B型热电偶。

特点：精度高，冷端热电势小，40℃下可不修正。但价格高，输出小。

5.铜-康铜热电偶：

T型热电偶。

特点：低温稳定性好，但复制性差。

五、热电偶的补偿

1、补偿原因：

由上面的热电偶测温工作原理可知道，热电偶的输出电动势只有在冷端温度不变的条件下，才与工作端温度成单值函数。而实际应用中，由于热电偶冷端离工作端很近，且处于大气中，其温度受到测量对象和周围环境温度波动的影响，因此冷端温度难于恒定，这样将发生误差。）

2、补偿方法

（1）补偿导线法：

目的：使冷端远离工作端，和测量仪表一起放到恒温或温度波动小的地方。

手段：

①延长热电偶的长度：安装不便，费用高；

②采用补偿导线，要求：

a.在0～100℃范围内和所连接的热电偶有相同的热电性能；

b.材料是廉价金属

注意：

①冷端需有自动补偿装置，补偿导线才有意义，且连接处<100℃；

②补偿导线不能选错，如：

铂铑-铂热电偶：补偿线用铜-镍铜；

镍铬-镍硅热电偶：补偿线用铜-康铜；

（2）冷端温度计算校正法：

①热电势修正法：

冷端温度不为零时，运用热电偶分度表修正，修正方法如前例所述。

②温度修正法：

设：T’为仪表指示温度；T0为冷端温度；

则：被测实际温度T为：T=T’+k T₀

式中：k为热电偶修正系数，和热电偶的种类和测温范围相关，有表可查。

（3）冰浴法：

冷端用冰水混合物保持在0℃。

特点：

可避免校正的麻烦，但使用不便，多在实验室使用。

（4）电路自动补偿法

电路自动补偿法是在热电偶与仪表之间接入一个补偿装置，当热电偶冷 端温度升髙，导致回路总电动势降低时，这个装置感受自由端温度的变化，产生一个电位差（或电动势），其数值刚好与热电偶降低的电动势相 问，两者互相补偿。这样，测量仪表上所测到的电动势将不随自由端温度而变化。

（5）软件处理法

在计算机系统中，可以采用软件处理的方法实现热电偶冷端温度补偿。例如冷端温度T₀恒定，但T₀不等于0°C，只需对采样数据的处理中添加 一个与冷端温度对应的系数即可。如果冷端温度T₀经常波动，可利用其它温度传感器，把T₀信号输入计算机，按照运算公式设计一些程序，便能自动修正。

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