第十一章 热电式传感器

二、热电偶测温的基本原理1.热电效应（赛贝克效应）（1）有关概念两种不同的导体（或半导体）A、B组成闭合回路，如图所示。当A、B相接的两个接点温度不同时，则在回路中产生热电动势，通常称为热电势，这种现象称为热电效应。这两种不同导体或半导体的组合就称为热电偶。每根单独的导体或半导体称为热电极。两个接点中，一端称为工作端（测量端或热端），如t端。另一端称为自由端（参比端或冷端），如t0端。（2）热电势产生的原理热电势=接触电势+温差电势A.接触电势两种不同的导体A和B互相接触时，由于不同材料的自由电子浓度不相同（如NANB），在结点就要发生电子扩散。电子在两个方向上扩散的速率不同，从A到B的电子数要比从B到A的多，结果A因失去电子而带正电荷，B因得到电子而带负电荷，在A、B的接触面上便形成一个从A到B的静电场Es。这个电场将阻碍扩散作用的继续进行，同时加速电子向相反方向转移，使从B到A的电子增多，在一定温度下，如果从导体A扩散到导体B的电子数等于从导体B到A的电子数时，就达到了动态平衡。此时导体A、B之间形成的电位差称为接触电势，如图所示。接触电势的大小取决于两种不同导体接触点的温度，而与材料的几何形状和尺寸无关。A和B在接点温度为t和t0时产生的接触电势分别记作和，则）（teAB）（0teAB000BtAtABBtAtABUUteUUte）（）（B.温差电势温差电势是同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电动势。当同一导体的两端温度不同时，由于高温端的电子能量比低温端的电子能量大，因而从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的电于数要多，结果高温端因失去电子而带正电荷，低温端因得到电子而带负电荷，从而在高、低温端之间便形成一个从高温端指向低温端的静电场，如图所示。该电场将阻止电子继续大量地从t端跑t0端，同时加速电子从t0端跑向t端，最后达到平衡状态，即从t端跑到t0端的电子数等于从t0端跑向t端的电子数。此时在导体两端便产生一个相应的电位差，该电位差就称为温差电势。设导体A和B的温差电势分别记为和，则有0ttUU），（0tteA），（0tteB0000BtBtBAtAtAUUtteUUtte），（），（C.热电偶闭合回路的热电势在如图所示的热电偶回路中，两导体接触处有接触电势，导体A和B中还各有一个温差电势，故回路的总电势为由于温差电势比接触电势小得多，故可略去，从而得又因tt0，所以在总电势中，以导体A、B在t端的接触电势所占的百分比最大，故总电势的方向取决于的方向。在图所示闭合回路中，导体A的电子密度大，所以A为正极，B为负极。),()(),()(),(0000ttetettetettEAABBABAB)()(),(00tetettEABABAB）（teAB根据物理学中的推导（此处从略），可得出下列公式由上式可知，热电偶总热电势与电子密度NA、NB及其接点温度有关。电子密度NA、NB不仅取决于热电偶材料的特性，且随温度变化而变化，它并非常数。故当热电偶材料一定时，热电偶的总电势成为温度t和t0的函数差，即这就是热电偶测温的基本公式。如果能使冷端温度t0固定，即为某一常数，则对一定的材料，其总热电势就只与温度t成单值函数关系，从而得ttBAABdtNNettE0ln),(0)()()()(),(000tetetftfttEABABAB)()(),(0tctfttEAB上式表示，当热电偶回路的一个端点保持温度不变，则热电偶回路的总热电势只随另一端点的温度变化而变化。两个端点的温差越大，回路的总热电势也越大。这样回路的总热电势就可看成为t的函数了。这给工程中用热电偶测量温度带来极大的方便。对于各种不同金属组成的热电偶，温度与热电势之间有不同的函数关系。一般是用实验方法来求取这个函数关系。通常令t0=0℃，然后在不同的温差（t-t0）情况下，精确地测定出回路总热电势，并将所测得的结果列成表格（称为热电偶分度表），供使用时查阅。2.有关热电偶回路的几个结论（1）由上式可见，如组成热电偶回路的两种导体材料相同，则无论热电偶两端温度如何，热电偶回路的总热电势为零。（2）如热电偶两端温度相同，则即使两热电偶的材料不同，热电偶回路内的总热电势亦为零。（3）热电偶A、B的热电势与A、B材料的中间温度无关，而只与接点温度有关。（4）在热电偶回路中按入第三种材料的导线。只要第三种导线的两端温度相同，第三种导线的引入不会影响热电偶的热电势。这是热电偶回路很重要的性质。正是由于这种性质的存在，才可以在回路中引入各种仪表、连接导线等（如图所示），且不必担心会对热电势有影响。同时应用这一性质还可以采用开路热电偶对液态金属和金属壁面进行温度测量。即，有时为了提高测量的准确性和方便起见，热电偶的工作端不焊在一起，而是直按把两电极A、B的端头插入或焊在被测金属上，如图所示。此时，液态金属和金属壁面即为接入热电偶A、B的第三种导体，只要保证两热电极A、B插入地点的温度一致，则对整个回路的总热电势将不产生影响。（5）热电偶A、B在接点温度为t、t0时的热电势，等于热电偶在接点温度为t、tn和tn、t0时的热电势总和。即各种热电偶的分度表都是在冷端温度为0℃时制成的，而在实际运用热电偶测温时，利用上式就可以求出冷端为任意温度tn时的热电偶热电势。),(),(),(00ttEttEttEnABnABAB三、热电偶冷端的温度补偿由热电偶测温的原理可知，只有当热电偶的冷端温度保持不变时，热电偶才是被测温度的单值函数。在应用时，由于热电偶的工作端（热端）与冷端离得很近，冷端又暴露于空间，容易受到周围环境温度波动的影响，因而冷端温度难以保持恒定。为此采用下述几种方法处理。1.补偿导线法为了使热电偶冷端温度保持恒定（最好为0℃），当然可以把热电偶做得很长，使冷端远离工作端，并连同测量仪表一起放置到恒温或温度波动比较小的地方，但这种方法更多耗费许多贵重的金属材料，因此一般是用一种导线（称补偿导线）将热电偶冷端延伸出来，如图所示。这根导线在一定温度范围内（0~100℃）具有和所连接的热电偶相同的热电性能，其材料又是廉价金属。对于用廉价金属制成的热电偶，则可用其本身的材料作补偿导线将冷端延伸到温度恒定的地方。必须指出，只有当新移的冷端温度恒定或配用仪表本身具有冷端温度自动补偿装置时，应用补偿导线才有意义。因此，热电偶冷端必须妥善安置。2.冷端温度校正法由于热电偶的温度—热电势的关系曲线（刻度特性）是冷端温度为0℃的情况下得到的，与它配套使用的仪表又是根据这一关系曲线进行刻度的，因此冷端温度不等于0℃时，就需要对仪表指示值加以修正。例如，冷端温度高于0℃，如恒定于t0℃，则测得的热电势要小于该热电偶的分度值。此时，为求得真实温度，可利用下式进行修正)0,(),()0,(00tEttEtE3.冰浴法为了避免经常校正的麻烦，可采用冰浴法使冷端温度保持恒定的0℃。在实验室条件下采用冰浴法，通常是把冷端放在盛有绝缘油的试管中，然后再将其放入装满冰水混合物的保温容器中，使冷端保持0℃。当有几支（或更多的）热电偶配用一台仪表时，为节省补偿导线以及不用特制的大恒温槽，可采用加装补偿热电偶的方法，其连接电路参见图之一和图之二所示。4.补偿电桥法补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶。因冷端温度变化引起的热电势变化值，如图所示。不平衡电桥（即补偿电桥）由电阻r1、r2、r3（锰铜丝绕制、rcu铜丝绕制）四个桥臂和桥路稳压电源所组成，串联在热电偶测量回路中，热电偶冷端与电阻rcu感受相同的温度。通常，取20℃时，电桥平衡，此时对角线α、b两点电位相等（即Uab=0）,电桥对仪表的读数无影响。当环境温度高于20℃时，rcu增加，平衡被破坏，α点电位高于b点，产生一不平衡电压Uab与热端电势相叠加，一起送入测量仪表。适当选择桥臂电阻和电流的数值，可使电桥产生的不平衡电压正好补偿由于冷端温度变化而引起的热电势变化值，仪表即可指示出正确的温度。由于电桥是在20℃时平衡，所以采用这种补偿电桥需把仪表的机械零位调整到20℃。在上述的四种方法中，补偿导线是最基本的，它常被单独地或与其它三种方法中任一种一起使用。