第7章 热电式传感器

7.1热电偶本节主要内容7.1.1热电效应(重点)7.1.2热电偶基本定律(重点)7.1.3常用的热电偶及结构7.1.4热电偶冷端温度补偿(难点)7.1.1热电效应热电效应：把两种不同的导体或半导体材料A、B连接成闭合回路，将它们的两个接点分别置于温度为T及T0(设TT0)的热源中，则在该回路内就会产生热电动势(简称热电势)，可用EAB(T，T0)表示，这种现象称做热电效应。热电偶：把两种不同导体或半导体的这种组合称为热电偶。热电极：A和B。热端（工作端）：温度高的接点。冷端（自由端）：温度低的接点。图7-1热电效应原理图7.1.1热电效应热电偶回路中所产生的热电势由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势所组成。1、接触电势2、温差电势图7-2接触电势AABB()lnnKTeTen0A0(,)TTeTTdT图7-3温差电势7.1.1热电效应3、热电偶回路热电势对于由导体A、B组成的热电偶闭合回路，当温度TT0，nAnB时，闭合回路总的热电势EAB(T，T0)为结论：①如果热电偶两电极材料相同，即nA=nB，，虽然两端温度不同，但闭合回路的总热电势仍为零，因此热电偶必须用两种不同材料作为热电极；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T=T0，闭合回路中也不产生热电势。AB0ABAB0A0B0(,)[()()][(,)(,)]ETTeTeTeTTeTT000A0AAB0BABB(,)lnln()dTTTTTTnKTnKTETTTenenAB7.1.1热电效应结论：①当热电偶回路的一个端点保持温度不变，则热电势EAB(T，T0)只随另一个端点的温度变化而变化。②两个端点温差越大，回路总热电势EAB(T，T0)也就越大，这样回路总热电势就可以看成温度T的单值函数。AB0ABAB0A0B0(,)[()()][(,)(,)]ETTeTeTeTTeTTAB0ABAB0(,)()-()ETTeTeTABBA0()()eTeTAB00()()eTfTcAB0AB0(,)()-()()-ETTeTfTfTc温差电势很小7.1.2热电偶基本定律1、中间导体定律在图7-5热电偶中，回路总电势为设三个接点温度相等均为T0，则有00ABC0ABBC0CA0AB(,)()()()-ddTTTTETTeTeTeTTT0ABBC0CA0BA()()()()dTTeTeTeTT0ABC0AB0BC0CA0BA(,)()()()(-)d0TTETTeTeTeTT图7-5中间导体定律7.1.2热电偶基本定律应用：热电偶之后接入测量仪表和放大电路时，不会影响热电偶的热电势输出，造成测量误差。AB0BC0CA0()()()0eTeTeTAB0BC0CA0-()()()eTeTeT0ABC0ABAB0BAAB0(,)()-()(-)d(,)TTETTeTeTTETT0ABC0AB0BC0CA0BA(,)()()()(-)d0TTETTeTeTeTT0ABC0AB0BC0CA0BA(,)()()()(-)d0TTETTeTeTeTT00ABC0ABBC0CA0AB(,)()()()-ddTTTTETTeTeTeTTT0ABBC0CA0BA()()()()dTTeTeTeTT7.1.2热电偶基本定律2、标准电极定律当接点温度为T、T0时，用导体A、B组成热电偶产生的热电势等于A、C热电偶和C、B热电偶热电势的代数和，即这一规律称为标准电极定律。导体C称为标准电极。AB0AC0CB0(,)(,)(,)ETTETTETT图7-6三种导体分别组成的热电偶7.1.2热电偶基本定律AB0AC0CB0(,)(,)(,)ETTETTETT0AC0ACAC0CA(,)()-()(-)dTTETTeTeTT0BC0BCBC0CB(,)()-()(-)dTTETTeTeTT000000000AC0CB0AC0BC0A0ACACCB0BCBCCA0ABABBAB0(,)(,)(,)-(,)ln-ln(-)dlnln-(-)dln-ln(-)d(,)TTTTTTTTTTTTTTTTTTETTETTETTETTnKTnKTTenennKTnKTTenennKTnKTTenenETT0AB0ACAB0BA(,)()-()(-)dTTETTeTeTT应用：电极选配。7.1.2热电偶基本定律3、连接导体定律在热电偶回路中，若导体A、B分别与连接导线A′、B′相接，接点温度分别为T、Tn、T0，回路的总热电势为nn'000A'BBd-d-dTTTTTTTTT0ABB'A'0ABBB'B'A'0A'A0A(,,)()()()()dTnnTETTTeTeTeTeTT图7-7热电偶连接导线示意图7.1.2热电偶基本定律应用：热电偶冷端温度误差补偿。nnnnBA'nBB'nA'AnB'A()()[lnln]TTTTnnKTeTeTennnnnnA'AnB'B[ln-ln]TTTTnnKTennA'B'nABn()-()eTeTB'A'0A'B'0()-()eTeTABB'A'n0ABnA'B'n0(,,)(,)(,)ETTTETTETTnn'000A'BBd-d-dTTTTTTTTT0ABB'A'0ABBB'B'A'0A'A0A(,,)()()()()dTnnTETTTeTeTeTeTT0ABB'A'0ABBB'B'A'0A'A0A(,,)()()()()dTnnTETTTeTeTeTeTT7.1.2热电偶基本定律4、中间温度定律应用：制定热电势分度表。上式为中间温度定律的数学表达式，即回路总热电势等于EAB(T，Tn)与EAB(Tn，T0)的代数和。只要求得参考端温度0℃时的热电势与温度关系，就可根据上式求出参考温度不等于0℃时的热电势。AB0ABAB0(,,)(,)(,)nnnETTTETTETTA与A′、B与B′材料分别相同时ABB'A'n0ABnA'B'n0(,,)(,)(,)ETTTETTETT7.1.2热电偶基本定律温度℃0102030405060708090热电动势mV00.0000.0550.1130.1730.2350.2990.3650.4320.5020.5731000.6450.7190.7950.8720.9501.0291.1091.1901.2731.3562001.4401.5251.6111.6981.7851.8731.9622.0512.1412.2323002.3232.4142.5062.5992.6922.7862.8802.9743.0693.1644003.2603.3563.4523.5493.6453.7433.8403.9384.0364.1355004.2344.3334.4324.5324.6324.7324.8324.9335.0345.1366005.2375.3395.4425.5445.6485.7515.8555.9606.0656.1697006.2746.3806.4866.5926.6996.8056.9137.0207.1287.236表7-1铂铑-铂（S型）热电偶分度表7.1.3常用热电偶及结构1、热电偶电极材料的要求①在测温范围内，热电性质稳定，不随时间而变化，有足够的物理化学稳定性，不易氧化或腐蚀；②电阻温度系数小，导电率高，比热小；③测温中产生热电势要大，并且热电势与温度之间呈线性或接近线性的单值函数关系；④材料复制性好，机械强度高，制造工艺简单，价格便宜。7.1.3常用热电偶及结构2、常用热电偶(1)铂铑—铂热电偶1)由φ0.5mm的纯铂丝和相同直径的铂铑丝(铂90%，铑10%)制成，其分度号为S。2)在S型热电偶中铂铑丝为正极，铂丝为负极。3)1300℃以下范围内可长期使用，在良好的使用环境下可短期测量1600℃高温。4)S型热电偶的复制精度和测量准确性较高，可用于精密温度测量和作标准热电偶，在氧化性或中性介质中具有较高的物理化学稳定性。5)热电势较小。6)在高温时易受还原性气体发出的蒸气和金属蒸气的侵害而变质；铂铑丝中铑分子在长期使用后受高温作用产生挥发现象，使铂丝受到污染而变质，从而引起热电偶特性变化，失去测量的准确性。7)S型热电偶的材料系贵重金属，成本较高。7.1.3常用热电偶及结构(2)镍铬—镍硅热电偶1)镍铬为正极，镍硅为负极。2)热偶丝直径为φ1.2～2.5mm，分度号为K。3)化学稳定性较高，可在氧化性或中性介质中长时间地测量900℃以下的温度，短期可测1200℃。4)复制性好，产生热电势大，线性好，价格便宜。5)在还原性介质中易受腐蚀，只能测500℃以下的温度，测量精度偏低。6)完全能满足工业测温要求，是工业生产中最常用的一种热电偶。7.1.3常用热电偶及结构(3)镍铬—考铜热电偶1)镍铬为正极，考铜（镍、锰、铜合金）为负极。2)热偶丝直径为φ1.2～2mm，分度号为E。3)E型热电偶适用于还原性和中性介质，长期使用温度不超过600℃，短期测温可达800℃。4)该热电偶灵敏度高，价格便宜。5)测温范围窄而低。6)考铜合金丝易受氧化而变质。7)由于材质坚硬而不易得到均匀线径。7.1.3常用热电偶及结构(4)铂铑30—铂铑6热电偶1)铂铑30丝(铂70%，铑30%)为正极，铂铑6(铂94%，铑6%)为负极，分度号为B。2)可长期测1600℃高温，短期可测1800℃。3)B型热电偶性能稳定，精度高，适用于氧化性或中性介质的使用。4)其输出热电势小，价格高。5)B型热电偶由于在低温时热电势极小，因此冷端在40℃以下范围内对热电势值可不必修正。7.1.3常用热电偶及结构(5)铜—康铜热电偶1)测量范围为-200～+200℃，其分度号为T。2)由于康铜电极热电特性复制性差，所以做出的各种铜—康铜热电偶的热电势也不一致。3)铜—康铜热电偶的热电势与温度的关系可以近似地由下式决定式中Et—热电势(冷端为0℃时)；a、b—常数，用其测负温时a≈-39.5，b≈-0.05。4)铜—康铜热电偶在低温下有较好的稳定性，所以在低温技术应用较多。2tEatbt7.1.3常用热电偶及结构名称型号分度号测温范围（℃）允许偏差长期短期温度（℃）偏差温度（℃）偏差铂铑——铂铑WRLLB0～16000～18001000～1500±0.5%1500±7.5%铂铑——铂WRLBS0～13000～16000～600±2.4%600±0.4%镍镉——镍硅WREUK0～10000～13000～300±4%400±1%镍镉——考铜WREAE0～6000～8000～300±4%300±1%表7-2常用热电偶型号、测量范围即允许偏差7.1.3常用热电偶及结构3、热电偶的结构热电极绝缘套管保护套管接线盒图7-8热电偶的结构7.1.3常用热电偶及结构(1)热电极热电极多采用直径为0.35～0.65mm的细导线;热电极的长度通常为350～2000mm，最长可达3500mm。(2)绝缘套管用来防止热电偶的两个电极之间短路。(3)保护管为了使热电偶能够有较长的使用寿命和保证测量的准确度，需要有适当的保护装置，这样可以防止热电极直接和被测介质接触，避免各种有害气体和物质的侵蚀，同时还可以避免火焰和气流的直接冲击作用。(4)接线盒热电偶接线盒供热电偶和测量仪表之间连接使用，多采用铝合金制成，为防止灰尘及有害气体进入内部，接线盒出线孔和接线盒都具有密闭用的垫片和垫圈。7.1.3常用热电偶及结构7.1.4热电偶冷端温度补偿1、补偿导线法用一导线(称之为补偿导线)将热电偶的冷端延伸出来，如图7-9所示。图中A′、B′为补偿导线；t0′为原冷端温度