热电偶温度传感器

1传感器与检测技术目录•测温原理•相关性质•冷端补偿2传感器与检测技术3传感器与检测技术一、热电偶测温原理温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。它除具有结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号便于远传或信号转换等优点外，还能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。4传感器与检测技术一、热电偶的特点温度测量范围宽性能稳定、准确可靠信号可以远传和纪录5传感器与检测技术二、热电偶的分类1按材料分类廉价金属铁－康铜、铜－康铜、镍铬－考铜、……贵重金属铂铑10－铂、铂铑10－铂铑6难熔金属钨铼系、钨钼系、……非金属二碳化钨－二碳化钼、石墨＝碳化物……2按用途和结构分类普通工业类直形、角形、锥形专用类6传感器与检测技术1821年，德国物理学家塞贝克发现，在两种不同的金属所组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中会产生一个电势，这就是热电效应，也称作“塞贝克效应（Seebeckeffect）”。ThomasJohannSeebeck9April1770–10December1831三、工作原理7传感器与检测技术回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即温差电势和接触电势。冷端热端三、工作原理8传感器与检测技术1.接触电势Peltier电势接触电势原理图TeAB9传感器与检测技术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时的自由电子密度。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。BAABNNekTTeln1.接触电势Peltier电势10传感器与检测技术2.温差电势Thomson电势TAT0ＥA(T)温差电势原理图11传感器与检测技术eA(T，T0)—导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势；T，T0—高低端的绝对温度；σA—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，例如在0℃时，铜的σ=2μV/℃。温差电动势的大小取决于导体的材料及两端的温度。eAdTTTeTTAA00，2.温差电势Thomson电势12传感器与检测技术由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0,如果T＞T0，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13传感器与检测技术NAT——导体A在结点温度为T时的电子密度；NAT0——导体A在结点温度为T0时的电子密度；NBT——导体B在结点温度为T时的电子密度；NBT0——导体B在结点温度为T0时的电子密度；A——导体A的汤姆逊系数；B——导体B的汤姆逊系数。如果T＞T0，回路总电势：dTNNlnekTNNlnekTT,TeT,TeTeTeT,TETTBTATBTATABABABAB00000000ＡＢ－－－－3.回路总电势14传感器与检测技术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。NAT和NAT0可记做NA，NBT和NBT0可记做NB，则有()()()()BAABABABNNlnTTekTeTeT,TE000=≈－－3.回路总电势15传感器与检测技术对于有几种不同材料串联组成的闭合回路，接点温度分别为T1、T2、…、Tn，冷端温度为零度的热电势。其热电势为NNABC1ABNABTeTeTeE216传感器与检测技术★热电偶回路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。★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，因为当A、B两种导体是同一种材料时，ln(NA/NB)=0也即EAB(T，T0)=0四点结论：17传感器与检测技术★导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使EAB(T0)=常数，则回路热电势EAB(T，T0)就只与温度T有关，而且是T的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。★只有当热电偶两端温度不同，热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生。00(,)()()()()ABABABETTETETfTCT四点结论：18传感器与检测技术逆向赛贝克效应电荷载体在导体中运动形成电流。由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，便释放出多余的能量；相反，从低能级向高能级运动时，从外界吸收能量。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出19传感器与检测技术由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体是否存在温度梯度，回路中没有电流(即不产生电动势)；反之，如果有电流流动，此材料则一定是非均质的，即热电偶必须采用两种不同材料作为电极。1.均质导体定律四、热电偶回路的性质（基本定律）20传感器与检测技术中间导体定则：在热电偶回路中接入第三种导体，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T0T0BTACT1CT0T1TAB2.中间导体定律作业：证明21传感器与检测技术传感器与检测技术ABT1T2A’T0热电偶补偿导线接线图E只要T1、T0不变，接入AˊBˊ后不管接点温度T2如何变化，都不影响总热电势。这便是引入补偿导线原理。EAB=EAB(T1)–EAB(T0)说明：当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A、B同样热电特性的材料A′、B′(如图)即引入所谓补偿导线时，当EAA΄(T2)=EBB΄(T2)，则回路总电动势为T2B’T0《热电偶检定中补偿导线和铜导线的使用问题》22传感器与检测技术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T1、T2(如图所示)时,则其热电势为EAB(T1,T2)；当接点温度为T2、T3时，其热电势为EAB(T2,T3)；当接点温度为T1、T3时，其热电势为EAB(T1,T3)，则BBAT2T1T3AABEAB（T1,T3）=EAB（T1,T2）+EAB（T2,T3）3.中间温度定律23传感器与检测技术对于冷端温度不是零度时，热电偶如何使用分度表的问题提供了依据。0，－0，　　　　　　，0E0，E，E00ABAB0ABTETETTTTABAB如当T2=0℃时，则：24传感器与检测技术例1.用镍铬-镍硅热电偶测某一水池内水的温度，测出的热电动势为2.436mV。再用温度计测出环境温度为30℃(且恒定)，求池水的真实温度。温度℃0102030405060708090热电动势mV00.0000.3970.7981.2031.6112.0222.4362.8503.2663.6811004.0954.5084.9195.3275.7336.1376.5396.9397.3387.7372008.1378.5378.9389.3419.74510.15110.56010.96911.38111.79330012.20712.62313.03913.45613.87414.29214.71215.13215.55215.97440016.39516.81817.24117.66418.08818.51318.93819.36319.78820.21450020.64021.06621.49321.91922.34622.77223.19823.62424.05024.47660024.90225.32725.75126.17626.59927.02227.44527.86728.28828.70970029.12829.54729.96530.38330.79931.21431.27432.04232.45532.86680033.27733.68634.09534.50234.90935.31435.71836.12136.52436.92590037.32537.72438.12238.91538.91539.31039.70340.09640.48840.879100041.26941.65742.04542.43242.81743.20243.58543.96844.34944.729110045.10845.48645.86346.23846.61246.98547.35647.72648.09548.462120048.82849.19249.55549.91650.27650.63350.99051.34451.69752.049130052.39852.74753.09353.43953.78254.12554.46654.807——25传感器与检测技术如果两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可知0CB0AC0ABEEETTTTTT，，，4.标准电极定则作业：证明26传感器与检测技术热电偶的基本定则例2.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？0BC0AC0ABEEETTTTTT，，，27传感器与检测技术热电偶材料应满足：物理性能稳定，热电特性不随时间改变；化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐蚀；热电势高，导电率高，且电阻温度系数小；便于制造；复现性好，便于成批生产。2.4.2热电偶的常用材料与结构28传感器与检测技术1．铂铑10—铂热电偶（S型）分度号LB—3工业用热电偶丝：Φ0.5mm，实验室用可更细些。正极：铂铑合金丝,用90％铂和10％铑(重量比)冶炼而成。负极：铂丝。测量温度：长期：1300℃、短期：1600℃。特点：材料性能稳定，测量准确度较高；可做成标准热电偶或基准热电偶。用途：实验室或校验其它热电偶。测量温度较高，一般用来测量1000℃以上高温。在高温还原性气体中（如气体中含CO、H2等）易被侵蚀，需要用保护套管。材料属贵金属，成本较高。热电势较弱。一、热电偶常用材料29传感器与检测技术工业用热电偶丝：Φ1.2~2.5mm，实验室用可细些。正极：镍铬合金(用88.4～89.7％镍、9～10％铬，0.6％硅，0.3％锰，0.4～0.7％钴冶炼而成)。负极：镍硅合金(用95.7～97％镍,2～3％硅,0.4～0.7％钴冶炼而成)。测量温度：长期1000℃，短期1300℃。特点：价格比较便宜，在工业上广泛应用。高温下抗氧化能力强，在还原性气体和含有SO2，H2S等气体中易被侵蚀。复现性好，热电势大，但精度不如WRLB。2．镍铬—镍硅(镍铝)热电偶（K型）分度号EU—230传感器与检测技术工业用热电偶丝：Ф1.2～2mm，实验室用可更细些。正极：镍铬合金负极：考铜合金（用56％铜，44％镍冶炼而成）。测量温度：长期600℃，短期800℃。特点：价格比较便宜，工业上广泛应用。在常用热电偶中它产生的热电势最大。气体硫化物对热电偶有腐蚀作用。考铜易氧化变质，适于在还原性或中性介质中使用。3．镍铬—考铜热电偶（E型）分度号为EA—231传感器与检测技术正极：铂铑合金（用70％铂，30％铑冶炼而成）。负极：铂铑合金（用94％铂，6％铑冶炼而成）。测量温度：长期可到1600℃，短期可达1800℃。特点：材料性能稳定，测量精度高。还原性气体中易被侵蚀。低温热电势极小，冷端温度在50℃以下可不加补偿。成本高。4．铂铑30—铂铑6热电偶（B型）分度号为LL—232传感器与检测技术（1）铱和铱合金热电偶如铱50铑—铱10钌热电偶它能在氧化气氛中测量高达2100℃的高温。（2）钨铼热电偶是60年代发展起来的，是目前一种较好的高温热电偶，可使用在真空惰性气体介质或氢气介质中，但高温抗氧能力差。国产钨铼-钨铼20热电偶使用温度范围3