中南大学传感与检测pptch11-热电式传感器

第11章热电式传感器11.热电式传感器11.0概述温度：反映物体冷热状态的物理参数，与人类生活息息相关的物理量。检测温度并使用传感器(温度传感器)测温始于2000多年前。工业生产自动化流程中,测温点约占全部测量点的一半。按原理分类：常见的测温传感器主要有热电式、光电式、热膨胀式以及基于介电常数、导磁率的温度变化等类型。按测量方式分类：接触式、非接触式温度传感器热电式传感器：一种将温度变化转换为电量变化的装置。在各种热电式传感器中，以把温度转换成电势和电阻的方法最普遍，其中热电偶和热电阻最常用。热电偶把温度变化转换为电势变化，热电阻把温度变化转换为电阻值变化。11.1热电偶传感器1）热电效应当两种不同材料的导体A和B组成闭合回路，且两个导体的连结点的温度不同时，回路中将产生电动势，这种现象称为热电效应或赛贝克效应。利用热电效应制成的将温度信号转换为电信号的器件称为热电偶。工作原理如图所示。11.热电式传感器11.热电式传感器11.1热电偶传感器1）热电效应热电偶产生的热电势EAB(T,T0)由接触电势和温差电势组成。(1)接触电势(称珀尔帖[peltier]电势)两种不同导体接触，因两者的自由电子密度不同，触点处会发生电子迁移扩散。失电子的呈正电位，得电子的呈负电位。扩散平衡时在两导体的接触处形成电势，即接触电势，其大小为：EAB(T)=(kT/e)ln(NA/NB)其中，EAB(T)为导体A、B结点在温度T时形成的接触电势；e为单位电荷，e=1.6×10-19C；k为波尔兹曼常数，k=1.38x10-23J/K；NA、NB分别为温度T时导体A、B的电子密度。+ABTeAB(T)-11.热电式传感器11.1热电偶传感器1）热电效应(2)温差电势在同一导体中，若其两端温度不同，则温度高端的自由电子向低端迁移，使单一金属两端因电荷聚集产生不同电位而形成电势，这种电势称温差电势(汤姆逊[Thomson]电势)，其大小为:式中，EA(T,T0)是导体A两端温度为T,T0时形成的温差电势；T和T0分别是温度高、低端的绝对温度；A为汤姆逊系数，表导体A两端的温度差为1℃时所产生的温差电势，例如0℃时，铜的=2V/℃。dTTTETTAA0),(011.热电式传感器11.1热电偶传感器1）热电效应(3)回路总电势导体A、B组成的闭合回路，其接触点(结点)温度分别为T、T0，若T＞T0，则存在着两个接触电势和两个温差电势，该回路总电势为：NAT、NAT0—导体A在结点温度为T和T0时的电子密度；NBT、NBT0—导体B在结点温度为T和T0时的电子密度；A、B—导体A和B的汤姆逊系数。通常，结点温度为T的一端(温度相对高)称作工作端；结点温度为T0的一端(温度相对低)称作参考端或冷端自由度。),(),()()(),(0000TTETTETETETTEBAABABABBTATNNekTln00ln0BTATNNekTdT)(TTBA011.热电式传感器11.1热电偶传感器1）热电效应小结：①热电偶回路的热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关，与热电偶的长度、粗细无关。②只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热电偶；相同材料不会产生热电势，当A、B两个导体为同种材料时，EAB(T,T0)=0。③只有当热电偶两端温度不同、且组成热电偶两导体材料不同时才能有热电势产生。热电偶测温原理:导体材料确定后，热电势大小只与热电偶两端的温度有关，即EAB(T,T0)=f(T)-f(T0)。若EAB(T0)=C(常数)，则回路的总热电势只与T有关，且为T的单值函数，即EAB(T,T0)=f(T)-C。11.热电式传感器11.1热电偶传感器1）热电效应分度表：实际中测出回路总电势后，并不用公式计算温度,而是根据热电势测量值查热电偶的分度表得到对应温度。为便于使用，将自由端温度T0取为0℃，将热电偶工作端温度与热电势的对应关系列成表格(例如下表)，该表称为热电偶的分度表。工作温度/℃热电动势/mVEU-2K-50-1.86-1.889-40-1.50-1.52730012.2112.20731012.6212.62311.热电式传感器11.1热电偶传感器2)热电偶的工作定律(1)中间导体定律若在热电偶回路中插入中间导体，无论插入导体的温度分布如何，只要中间导体两端温度相同，则对热电偶回路的总电势无影响，即：物理意义：根据上述原理，在热电偶回路接入电位计(E)，只要保证电位计与热电偶的连接点温度相等，就不影响回路原来的热电势，接入方式如图。为测量提供了手段！)()()()(),(1100TETETETETTECAACABABABC),()()(00TTETETEABABABET0T1T1TET0T0T11.热电式传感器11.1热电偶传感器2)热电偶工作定律(2)中间温度定律如下图所示，热电偶在结点温度为T,T0时的热电势EAB(T,T0)等于热电偶在(T,Tn)和(Tn,T0)时的热电势EAB(T,Tn)与EAB(Tn,T0)之和，即：EAB(T,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)意义：提供了冷端温度不为零时，热电偶的分度依据和测温的方法。分度：热电偶置于给定温度下（冷端温度为零摄氏度）测定其热电势，确定热电势与温度的对应关系。BBATnTT0AAB11.热电式传感器11.1热电偶传感器2)热电偶工作定律(2)中间温度定律例如：Tn=0℃时，有：EAB(T,T0)=EAB(T,0)+EAB(0,T0)=EAB(T,0)–EAB(T0,0)=EAB(T)–EAB(T0)推论*：连接导体定律在原热电偶回路分别引入与导体A、B具有相同热电特性的材料A’,B’，即引入所谓补偿导线，若EAA΄(Tn)=EBB΄(Tn)，则回路总电动势：EAB=EAB(T1)–EAB(T0)只要T、T0不变，接入A’和B’后不管接点温度Tn如何变化，都不影响总热电势。ABTTnTnA’T0T0EB’热电偶补偿导线连接图11.热电式传感器11.1热电偶传感器2)热电偶工作定律(3)参考电极定律如图，若已知热电极A、B与参考电极C组成的热电偶在结点温度为(T,T0)时的热电势分别为EAC(T,T0)与EBC(T,T0)，则相同温度下，由A和B两种电极配对后的热电势EAB(T,T0)可按下式计算：EAB(T,T0)=EAC(T,T0)-EBC(T,T0)据此可知，若已知某两种材料与标准电极材料的热电势，即可知这两种材料配对时的输出热电势。(推导？)意义:方便选配热电极材料11.热电式传感器热电偶常用材料：1、铂铑10－铂热电偶（分度号为S）2、铂铑13－铂热电偶（分度号为R）3、铂铑30－铂铑6热电偶（分度号为B）4、镍铬－镍硅（镍铝）热电偶（分度号为K）5、镍铬硅－镍硅热电偶（分度号为N）6、铜－铜镍热电偶（分度号为T）7、铁－康铜热电偶（分度号为J）8、镍铬－铜镍（康铜）热电偶（分度号为E）11.热电式传感器11.热电式传感器11.热电式传感器11.1热电偶传感器3)热电偶测温的基本电路形式图a所示为基本测温电路。图b所示为测量温差电路。图c所示为测量平均温度的并联电路。图d所示为测量平均温度的串联电路。11.热电式传感器11.1热电偶传感器4)热电偶的结构、种类和特点(1)热电偶的结构如图所示,工程上实用的热电偶大多由热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒等部分组成。①热电极热电偶常以热电极材料种类命名。②绝缘套管(绝缘子)用来防止两热电极短路。③保护管作用是使热电极与被测介质隔离，使之免受化学侵蚀或机械损伤。④接线盒供连接热电偶和测量仪表之用。11.热电式传感器11.1热电偶传感器4)热电偶的结构、种类和特点(2)热电偶的主要特性稳定性:描述热电偶特性的相对稳定的重要参数。热电偶的稳定性有长期稳定性和短期稳定性之分。均匀性:指热电极的均匀程度。若热电极材料不均匀，而热电极又处于不均匀温度中，则会产生附加的不均匀电势。时间常数(热惰性):指被测介质从一个温度跃变到另一温度时，热电偶测量端的温度上升到整个阶跃温度的63％所需的时间。绝缘电阻:热电极与保护套管以及两电极之间的电阻，分为常温下的绝缘电阻和高温下的绝缘电阻。热偶丝电阻率：应符合相应的要求（见表3-7）11.热电式传感器11.1热电偶传感器4)热电偶的结构、种类和特点(3)热电偶的种类为适应不同生产对象的测温要求，热电偶常见的结构形式有普通型热电偶、铠装型热电偶和薄膜热电偶等。普通型热电偶普通型结构的热电偶在工业上使用最多，它通常由热电极加上绝缘套、保护套和接线盒构成，如图所示。安装连接时，可采用螺纹或者法兰方式连接；根据使用条件，可制成密封式普通型或高压固定螺纹型。接线盒保护套绝缘管热电极热端图3.39普通型热电偶结构图11.热电式传感器11.1热电偶传感器4)热电偶的结构、种类和特点(3)热电偶的种类铠装型热电偶所谓铠装型热电偶就是在类似铠甲保护作用的铠装套与热电偶丝之间填充氧化镁和氧化铝等保护物而构成的热电偶，其结构如图所示。这种类型的热电偶外径细、响应速度快、柔软性强，具有好的抗腐蚀、抗氧化和抗振性能，在目前工业测温和控制系统中已得到广泛应用。接线盒固定装置金属套管绝缘材料热电极BBBBAA放大图3.40铠装型热电偶结构图11.热电式传感器11.1热电偶传感器4)热电偶的结构、种类和特点(3)热电偶的种类薄膜热电偶薄膜热电偶是用真空蒸镀、化学涂层等方法将热电偶材料蒸镀到绝缘基板上制成的热电偶。由于热电偶可做到很很薄(厚度可达0.01~0.1m)，测表面温度时不影响被测表面的温度变化，其本身热电容量小，动态响应快，故适合于测量微小面积和瞬时变化的温度。除此之外，还有用于测量圆弧形固体表面温度的表面热电偶和用于测量液态金属温度的浸入式热电偶等。234111.热电式传感器11.1热电偶传感器4)热电偶的结构、种类和特点(3)热电偶的种类国际电工委员会(IEC)推荐了8种类型的热电偶作为标准热电偶，即T、E、J、K、N、B、R和S型。下表列出其中7种，其中T、E、K、S四种应用最广.超高温(S)0~+1600适用范围测温范围/℃热电势／mV优点高温(K)-200~+1200-5.981/200℃;+48.828/+1200℃工业用最多,适应氧化性气氛,线性度好中温(E)-200～+800-8.82/-200℃;+61.02/800℃热电势大(J)-200～+750-7.89／-200℃,+42.28／750℃热电势大适应还原性气氛低温(T)-200～+350-5.603/-200℃，+17.816/+350℃最适用于200~+100℃适应弱氧化性气氛(B)+500~+1700+1.241/+500℃,+12.426/+1700℃可用到高温适应氧化、还原性气氛(R)0～+16000／0℃，+18.842／1600℃0／0℃，+16.771／1600℃11.热电式传感器11.1热电偶传感器4)热电偶的结构、种类和特点(4)热电偶的特点主要优点表现在：结构简单，制造容易，使用方便，热电偶的电极不受大小和形状的限制，可按照需要进行配制。因为输出信号为电势，测量时，可不要外加电源。输出灵敏度一般为V/℃，室温下的典型输出为毫伏数量级。测量范围广，可从-269℃～1800℃。测量精度高，热电偶与被测对象直接接触，不受中间介质的影响。便于远距离测量、自动记录及多点测量。11.热电式传感器11.1热电偶传感器5)热电偶的应用问题与注意事项(1)冷端问题的原因与处理方法原因：热电偶的热电势是热端温度和冷端温度的函数差，冷端温度保持恒定时，热电势才是被测温度的单值函数；热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度为0℃作依据的，实用中，若冷端温度不为0℃，会产生误差。常用处理方法：冷端延伸：冷端恒温：冰点法；冷端校正：计算修正法冷端温度补偿：零点迁移、补偿补偿器自动补偿11.热电式传感器11.1热电偶传感器5)热电偶的应用问题与注意事项(2)采用补偿导线延