48热电式传感器

14.8热电式传感器将温度变化转换为电量变化的装置。最常用的热电式传感器：将温度转换为电势的变化－－－热电偶将温度转换为电阻的变化－－－热电阻21.热电偶测温原理－热电效应热端（工作端）冷端（自由端）两种不同的导体(或半导体)A和B组合成如图所示闭合回路，若导体A和B的两个连接点处温度不同（设T＞T0），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，该电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关。这种现象叫做热电效应。两种导体组成的回路称为“热电偶”，这两种导体称为“热电极”，产生的电动势则称为“热电势”。这种现象早在1821年首先由塞贝克（See－back）发现,所以又称塞贝克效应。4.8.1热电偶3热电动势由两部分电动势组成，一部分是两种导体的接触电势，另一部分是单一导体的温差电势。接触电势温差电势热电势EAB(T,T0)0000,,,ABABBBAAETTETETTETETT4（1）接触电势所有金属中都有大量自由电子，而不同的金属材料其自由电子密度不同。当两种不同的金属导体接触时，若金属A的自由电子密度大于金属B的，则在同一瞬间由A扩散到B的电子将比由B扩散到A的电子多，因而A对于B因失去电子而带正电，B获得电子而带负电，在接触处便产生电场。A、B之间便产生了一定的接触电动势。+ABTEAB(T)-ABnnlnAABBnKTETenEAB(T)——导体A、B结点在温度T时形成的接触电动势；e——单位电荷，e=1.6×10-19C；K——波尔兹曼常数，K=1.38×10-23J/K；nA、nB——导体A、B在温度为T时的电子密度。上式说明接触电动势的大小与接点温度的高低及导体中的电子密度有关。5对于任何一种导体，当其两端温度不同时，两端的自由电子浓度也不同，温度高的一端浓度大，具有较大的动能；温度低的一端浓度小，动能也小。因此高温端的自由电子要向低温端扩散，高温端因失去电子而带正电，低温端得到电子而带负电，形成温差电动势，又称汤姆森电动势。（2）温差电势AEA(T,To)ToT温差电势原理图00TAATETTdt，T、T0——高、低温端的绝对温度；—汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1℃时所产生的温差电动势。其大小与材料和温度有关T6由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0,如果T＞T0，nAnB则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：（3）回路总电势000000000(,)()(,)()(,)()()(,)(,)()ln()ABABBBAAABABBATAABTBETTETETTETETTETETETTETTKTTndten7由此可以得出以下结论：①如果热电偶两电极材料相同，即，即使两端温度不同，但闭合回路的总电势仍为0，因此热电偶必须用两种不同材料作热电极；ABnn②如果热电偶两电极材料不同，而热电偶两端的温度相同，即，闭合回路中也不产生热电势。0TTAB③热电偶回路的热电动势只与组成热电偶的材料及两端接点的温度有关；与热电偶的长度、粗细、形状无关。000000000(,)()(,)()(,)()()(,)(,)()ln()ABABBBAAABABBATAABTBETTETETTETETTETETETTETTKTTndten8由于在金属中自由电子数目很多，温度对自由电子密度的影响很小，故温差电动势可以忽略不计，在热电偶回路中起主要作用的是接触电动势。000()(,)()()lnAABABABBKTTnETTETETen在工程上常用上式来表征热电偶回路的总电势。并通常使为常数,这样回路总热电势就是测量端温度的单值函数，这给工程中热电偶测量温度带来极大方便。0TT在不同的测量端温度下精确地测量出回路中的总热电势，并将所测的结果绘制成曲线或表格，以供在使用时查阅。T0,ABETT0,ABETT910为什么所有的曲线均过原点（零度点）？11（1）中间导体定律在热电偶回路中接入第三种导体C，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变，即中间导体对回路总电势没有影响。T0T0BTAC右图回路中的总电动势为：ABC0ABBC0CA0TTTTTEEEE，如果回路中三个接点的温度都相同，即T＝T0，则回路总电动势必为零，即：AB0BC0CA0TTT0EEEBC0CA0AB0TTTEEE即则ABC0ABAB00ABETTETETETT，-，2.热电偶基本定理12如果按右图接入第三种导体C，则回路中的总电动势为：T1CT0T1TBAABC0ABBA01CA1TTTTTTACEEEEE，1CA1TTACEE－而ABC0BA0ABAB00TTTTTTABABEEEEEETT，－，所以由以上分析可见，在利用热电偶测温时，一定要尽量保证接入的导线和仪表在其两接入端点温度相同，否则测试结果不准确。同时利用这个定则还可以使用开路热电偶测量液态金属和金属壁面的温度。13在炼钢厂中有时直接将廉价热电极(易耗品，例如镍铬-镍硅热偶丝，时间稍长即熔化)插入钢水中测量钢水温度，如图所示：试说明1)为什么不必将工作端焊在一起?2)要满足哪些条件才不影响测量精度?采用上述方法是利用了热电偶什么定律？3)如果检测物不是钢水，而是熔化的塑料行吗？为什么？14用热电偶测量金属壁面温度有两种方案，如下图所示，当热电偶具有相同的参考端温度t0时，问在壁温相等的两种情况下，仪表的示值是否一样？为什么？15（2）中间温度定律如果不同的两种导体材料组成热电偶回路,其接点温度分别为T、T0时,则其热电势EAB(T,T0)等于该热电偶在接点温度为(T,Tm)和(Tm,T0)时相应的热电势的代数和。BATmTT0ABTm证明：0000ABABABABABmABmABABmABmETTETETETETETETETTETT，－－－，，即：AB0ABAB0EEEmmTTTTTT，，，即该定则为使用分度表奠定了理论基础。该定律是参考端温度计算修正法的理论依据。实际中利用热电偶测温时，常常参考端不为0°C，可以利用此定律进行修正。16热电偶分度表表达的是在参考端温度为0°C时，热端温度与热电势之间的对应关系，并以表格的形式加以表示。例题：用镍铬－镍硅（K型）热电偶测量某一温度时，若冷端（参考端）温度，测得的热电势为，求测量端实际温度025nTCT20.54mV00ABABnABnETTETTETT，，，01.00ABnETTmV，020.541.0021.54ABETTmVmVmV，0521TC17（3）标准（参考）电极定律如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就可知。000ABACBCETTETTETT，，－，18AC0AC0TTTETACEE，－BC0BC0TTTTBCEEE，－两式相减得：AC00AC00AC00BCACBCBCACBCBCETTETTETETETETETETETET，-，－－－－－根据中间导体定则可知：AC00AB0TTTACBCABBCEETETEETE－－代入前式可得：AC00AB00BCABABETTETTETETETT，－，－，由于纯铂丝的物理化学性能稳定，溶点教高，易提纯，所以在工程上常用作标准电极。由此可见，当任一电极B,C,…与一标准电极A组成的热电偶所产生的热电势为已知时，就可以利用上述定律求出这些电极任意组合而成热电偶时的热电势。19解：由标准电极定律，镍铬和考铜热电偶的热电动势应等于镍铬合金与纯铂热电偶与考铜与纯铂热电偶的热电动势的差，即例热端为100℃、冷端为0℃时，镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为2.95mV，而考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为-4.0mV，求镍铬和考铜组合而成的热电偶所产生的热电动势。2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV203.常用热电偶及其结构、特点工程上实用的热电偶应该线性度好、稳定性好、互换性好、响应快，以及便于加工。国际电工委员会共推荐了8种标准化热电偶。所谓标准化是指工艺上比较成熟，能批量生产、性能稳定、应用广泛，具有统一分度表并已列入国际和国家标准文件中的热电偶。从1988年1月1日起，我国热电偶和热电阻的生产全部按国际电工委员会（IEC）的标准，并指定S、B、E、K、R、J、T（分度号）七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。21几种常用热电偶的测温范围及特点分度号名称测量温度范围特点E镍铬－铜镍－40～800C优点：适用于还原气氛中，灵敏度高，价格低缺点：使用温度区窄，易氧化，高温有滞后现象K镍铬－镍硅-40～1000C优点：线性度好，适于氧化性气体，耐金属蒸汽，价格低缺点：略有滞后现象，高温还原气氛中易腐蚀S铂铑10—铂0～1400C优点：稳定性好，可做标准电极，可在氧化性和中性介质中使用缺点：铂分子易挥发而变质，热电势小，成本高B铂铑30－铂铑6300～1700C优点：可长期应用于1600°C以上高温，适合于氧化及中性介质中使用缺点：常温时热电势小，价格高2223普通装配型热电偶的外形安装螺纹安装法兰24接线盒引出线套管热电偶工作端（热端）不锈钢保护管普通装配型热电偶的结构放大图固定螺纹（出厂时用塑料包裹）25铠装型热电偶外形法兰铠装型热电偶可长达上百米薄壁金属保护套管（铠体）BA绝缘材料铠装型热电偶横截面26铠装型热电偶铠装热电偶特点：内部的热电偶丝与外界空气隔绝，有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力冲击的特性。铠装热电偶可以制作得很细，能解决微小、狭窄场合的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。27薄膜型热电偶用真空蒸镀、化学涂层等方法将热电偶材料蒸镀到绝缘基板上面制成。其本身热容量小，动态响应快，故适合于测量微小面积和瞬时变化的温度。28热电偶的特点优点:结构简单，制造容易，使用方便。输出信号为电动势，因此测量时，可不要外加电源。测量范围广，可从－269℃～1800℃。测量精度高，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。缺点：体积大、灵敏度低.输出灵敏度一般为μV／℃。294.热电偶参考端（冷端）的补偿原因：为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定；热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0℃为依据。方法冷端恒温法热电偶导线补偿法参考端温度自动补偿法30（1）冷端恒温法把热电偶的两个冷端分别插入盛有绝缘油的试管中，然后放入装有冰水混合物的容器中，使T0=0℃。也称为冰点槽法。这是一种精度很高的冷端温度处理方法，适合于实验室中的精密测量和检定热电偶时使用。由于半导体制冷技术和精密控温技术的发展，目前我国已研制出电子式冰点恒温装置，它使参考端保持在0℃，稳定性在正负0.05℃以内，体积小，操作简单，使用方便。31（2）热电偶导线补偿利用补偿导线，将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所。根据中间温度定律，只要热电偶的两个热电极分别与两补偿导线的接点温度一致，就不会影响热电动势的输出。热电偶补偿导线是在一定温度范围内（0～100℃或0～200℃），与配用热电偶的热电特性相同的一对带有绝缘层的廉金属导线。测温器ABTTcTcT0冷端测温点补偿导线铜线图3.41热电偶导线补偿示意图测量仪表32（3）参考端(冷端)温度自动补偿法（电桥补偿法）工业中，常采用参考端温度自动补偿法，这种方法就是在热电偶和测量仪表之间增加一个不平衡直流电桥（