第六章热电式传感器

教学基本要求和重点掌握有关热电偶、热电阻和热敏电阻的基本概念掌握三类热电式传感器的基本工作原理掌握热电偶的基本定律、基本类型、温度补偿方法、使用热电偶的测温方法掌握热电阻的内部引线方式及其适用场合掌握热敏电阻的电阻－温度特性会使用分度表先看一个实验——热电偶工作原理演示结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。热电极A右端称为：自由端（参考端、冷端）第一节热电偶温度传感器左端称为：测量端（工作端、热端）热电极B热电势AB一、热电偶测温原理热电偶两结点所产生的总的热电势等于热端热电势与冷端热电势之差，是两个结点的温差Δt的函数：EAB（T，T0）=eAB（T）-eAB（T0）热电势大致与两个结点的温差Δt成正比从实验到理论：热电效应1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在回路中的指南针发生偏转（说明什么？），如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转角反而减小（又说明什么？）。显然，指南针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。（一）热电势的产生两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，从而产生热电势。自由电子＋ABeAB（T）T1、接触电动势接触电势温差电势若金属A的自由电子浓度大于金属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。热电势EAB(T,T0)AB＋＋＋－－－ABnn()ABET接触电动势的大小与两种金属的材料、接点的温度有关，与导体的直径、长度及几何形状无关。对于温度为T的接点，有下列接触电动势公式：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。)26()()(ln)16()()(ln00000TETNTNekTTETETNTNekTTEBABAABBABAAB。＝玻尔茨曼常数，—；＝电位电荷，—时的自由电子密度；在温度、材料—、时的自由电子密度；在温度、材料—、式中：－－KJKKCeeTBATNTNTBATNTNBAAA/1038.1106.1)()()()(2319000对于任何一种金属，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、温差电动势),(0TTeA),(0TTeB温差电动势的大小取决于导体的材料及两端的温度。导体A两端的温差电动势可用下式表示：dTTTETTAA00，EA（T，T0）——导体A两端温度分别为T、T0时形成的温差电动势；T、T0——高、低温端的绝对温度；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。同样导体B两端的温差电动势如下式所示：dTTTETTBB00，图6-5热电偶回路总热电势ABTT0EA(T,T0)EB(T,T0)EAB(T)EAB(T0)3、回路总电动势dTTNTNekTTNTNekTTTETTETETETTETTBABAABABABAB00000000ln)()(ln,,,ＡＢ－－－－处的总电势。点温度为材料构成的热电偶在端、由—处的总电势；点温度为材料构成的热电偶在端、由—时的总电势；和点温度为材料构成的热电偶在端、由—式中：＝势为则有热电偶回路的总电＝＝令：－－－ＡＢＡＢＡＢＡＢＡＡＢＢＡＢ000000000000000000000000000000000,0,,0,0,,ln0,)()(ln0,ln)()(lnln)()(lnln)()(ln,00000000000TBATETBATETTBATTETETETTEdTdTTNTNekTTEdTdTTNTNekTTEdTdTTNTNekTdTdTTNTNekTdTdTdTdTTNTNekTTNTNekTdTdTTNTNekTTNTNekTTTEABABABABABABTTBAABTTBAABTTBATTBATTTTBABATTTTBABAAB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。NA（T）和NA（T0）可记做NA，NB（T）和NB（T0）可记做NB，则有000ln,TfTfNNTTekTTEBAAB－－在标定热电偶时，一般使T0为常数，则CTfTTEAB－0,①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。热电偶基本性质：②只有用不同性质的材料才能组合成热电偶，相同材料不会产生热电动势。因为当A、B两种导体是同一种材料时，ln（NA/NB）=0，所以EAB（T，T0）=0。③只有当热电偶两端温度不同时，不同材料组成的热电偶才能有热电动势产生；当热电偶两端温度相同时，不同材料组成的热电偶也不产生热电动势，即EAB（T，T0）=0。④导体材料确定后，热电动势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使eAB（T0）=常数，则回路热电动势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基本原理。BBATnTT0AAB1、中间温度定律热电偶在两接点温度分别为T、T0时的热电动势等于该热电偶在接点温度分别为T、Tn和接点温度分别为Tn、T0时的相应热电动势的代数和。（二）热电偶基本定律证明：)()()()(00TeTeTeTeEBAABABAB0000ABABEETTETETETETETETETTTTABABABABnABnABABnn，＝－－－，，即：()()()00+=TTETTETTEnABnABAB，，，对于冷端温度不是零度时，热电偶为如何分度表的问题提供了依据。当Tn=0℃时，则：()()()()()00=0+0=000，－，　　　　　　，，，TETETETETTEABABABABAB上式说明：只要A、B组成的热电偶在冷端温度为零时的“热电动势—温度”关系已知，则它在冷端温度不为零时的热电动势即可知。中间温度定律表明：当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A、B相同热电特性的材料C、D即引入所谓补偿导线时，只要它们之间连接的两点温度相同，则总回路的热电动势与两连接点温度无关，只与热电偶两端的温度有关。2、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。右图回路中的总电动势为：0TE0T0TTT0CA0BCAB0ABC，，，，EEET0T0BTAC（6-11）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：00,TE0,TE0,T0CA0BC0ABE0,TE0,TE0,TE0AB0CA0BC即00ABAB0ABC,0,TET,0TTTTEEEAB－，代入式（6－11）则如果按右图接入第三种导体C，则回路中的总电动势为：T1CT0T1TBA0,TE0,T0,TET,0ETT1CA10BAAB0ABCACEE，0,TE0,T1CA1－ACE而00ABAB0BA0ABC0,TET,0E0,TET,0TTTTEEEABAB，－，所以从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七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。但其中的R型（铂铑13-铂）热电偶，因其温度范围与S型（铂铑10-铂）重合,我国没有生产和使用。二、热电偶的种类与结构（一）标准型热电偶(1)铂铑30-铂铑6热电偶（分度号B）它的正极是铂铑丝(铂70%，铑30%)，负极也是铂铑丝(铂94%，铑6%)，俗称双铂铑。测量温度最高长期可达1600℃，短期可达1800℃。优点是材料性能稳定，测量精度高，测温上限高。缺点是在还原性气体中易被侵蚀，成本高。铂——pt78，性软，易受机械处理，溶点1772°C，化学性质稳定，但溶于王水（硝酸和盐酸1：3混合）。铂族元素：钌、锇、铑、铱、钯、铂，溶点都在1500°C以上，性质稳定，在自然界中多以游离态存在。金——AU79，延展性强，比重19.32,熔点1064°C，在空气中极稳定，不溶于酸或碱，溶于王水及氯化钾、氯化钠溶液中。(2)铂铑10-铂热电偶（分度号S）正极是铂铑丝(铂90%，铑l0%)，负极是纯铂丝。测量温度最高长期可达1300℃，短期可达1600℃，一般用来测量1000℃以上的高温。优点是材料性能稳定；测量准确度较高，可做成标准热电偶或基准热电偶；抗氧化性强，宜在氧化性、惰性气氛中工作。缺点是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；另外其热电极材料属贵金属，成本较高，热电势也较弱。国际温标中规定它为630.74~1064.43℃温度范围内复现温标的标准仪器。正极是镍铬合金(88.4～89.7％镍、9～10％铬，0.6％硅，0.3％锰，0.4～0.7％钴)，负极为镍硅(镍95.7～97％镍,2～3％硅,0.4～0.7％钴)。测温范围为-200~+1300℃。优点是测温范围很宽、热电动势与温度关系近似线性、热电动势大、高温下抗氧化能力强、价格低，所以在工业上应用广泛。(3)镍铬-镍硅热电偶（分度号K）缺点是热电动势的稳定性和精度较B型或S型热电偶差，在还原性气体和含有SO2、H2S等气体中易被侵蚀。测量温度长期可达1000℃，短期可达1300℃。(4)镍铬-铜镍热电偶（分度号E）正极是镍铬合金，负极是铜镍合金(铜55%，镍45%)。测温范围为-200~+1000℃。优点是热电动势较其他常用热电偶大。适宜在氧化性或惰性气氛中工作。正极是铁，负极是铜镍合金。测温范围为-200℃~+1300℃。其特点是价格低、热电动势较大（仅次于E型热电偶）、灵敏度高（约为53μV/℃）、线性度好、价格便宜，可在800℃以下的还原介质中使用。主要缺点是铁极易氧化。(5)铁-铜镍热电偶（分度号J）正极是铜，负极是铜镍合金，测温范围为-200℃~+400℃，热电势略高于镍铬-镍硅热电偶，约为43μV/℃。优点是精度高、复现性好、稳定性好、价格便宜。缺点是铜极易氧化，故在氧化性气氛中使用时，一般不能超过300℃。(6)铜-铜镍热电偶（分度号T）在0~-100℃范围内，铜-铜镍热电偶已被定为三级标准热电偶，用以检测低温仪表的精度，误差不超过0.1℃。热电偶类别代号分度号测温范围允许误差铂铑30-铂铑6WRRLL-2或B0～1800℃≤800℃，±4.0℃800℃±0.5%t铂铑10-铂WRPLB-3或S0～1600℃≤600℃，±3.0℃600℃±0.5%t镍铬-镍硅WRNEU-2或K0～1300℃≤400℃，±3.0℃400℃±0.75%t镍铬-考铜镍铬-铜镍WRKWREEA-2或E0～800℃0～1000℃≤300℃，±3.0℃300℃±1.0%t几种常用热电偶的测温范围及精确度几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线分析哪几种热电偶的测温上限较高？结论：哪几种热电偶的线性较差？哪一种热电偶的灵敏度较高？哪一种热电偶的灵敏度较低？为什么所有的曲线均