检测技术基础 6-热电偶

检测技术基础检测就是去认识——科学家西门子（W.Ven.Siemens）四、热电偶传感器一.热电偶传感器的工作原理温度测量是通过某些测温物质的各种物理性能变化，例如固体的尺寸,密度,硬度,粘度,电导率,热辐射等的变化来判断被测物体的温度。在许多测量方法中，热电偶测温的应用为最广泛之一。主要优点：※接触式测温，准确度较高；※结构简单，体积小，安装方便；※测量范围广：-150ºC-1600ºC，采用特殊材料时可达2800ºC。※热容量小，响应速度快，热电极不受形状限制。1.热电效应如图所示，由两种导体A,B构成一个闭合回路，使两端结点处于不同温度下。回路中便产生热电势和电流。这种物理现象称为热电效应。定义：导体A，B为热电极；测温结点处在T温度场下为测量端，或工作端，热端。结点处在To温度场下为参考端，或自由端，冷端。•（1）接触电势（伯尔帖电势）互相接触的两种金属导体内部因自由电子密度不同，当接触时两种导体在接触界面上会发生电子扩散。电子扩散的速率与自由电子的密度及金属所处的温度呈正比。这种扩散运动逐渐在界面上建立电势，类似于势垒，它又阻碍自由电子进一步扩散，产生了一个动态平衡。假定,金属A的自由电子的密度为NA,金属B的自由电子的密度为NB.自由电子的密度大的向自由电子的密度小的方向扩散。失去电子一方带正电，得到电子一方带负电。BAABNNeKTTEln)(00BAABABNNeTTKTETEln)()()(00接触电势的关系式：BAABNNeKTTEln)(K:波尔兹曼常数1.38×10-28J/KT:接触界面处的温度e:电子电荷量4.802×10-19CNA,NB分别为金属A,B的自由电子密度.对于To结点有:回路总接触电势:•当T=To,或A，B导体同质材料时，则回路总接触电势为零.ABTT02.温差效应.(汤姆逊电势)在一根匀质的金属导体,若两端的温度不同,则在导体的内部也会产生电势,称温差效应。温差电势的形成是由于温度高的一端自由电子的动能大于温度低的一端自由电子的动能。高温端自由电子必然向低温端方向迁移。同样地,高温端失去自由电子带正电，低温端得到电子带负电,内部形成电势。这种迁移也回达到动态平衡也会达到动态平衡。温差电势的表达式:dTNTNdNTNdeKTTETTETTBTBTATATBA000]),(),([),(),(dTNTNdeKUUTTETTATATATATA00),(),(0dTNTNdeKUUTTETTBTBTBTBTB00),(),(0•回路总温差电势:显然,当T=To,或A,B导体同质材料时，则回路总温差电势为零.热电偶的总电势:000000(,)()()(,)(,)()(,)(,)ln[]ABABABABTAATBTTBATBTETTETETETTETTKTTNdNTdNTKdTeNeNN)()(),(00TETETTEBABABA)(),(0TTTEBA当热电偶导体材质确定之后，把冷端温度固定起来，那么热电偶回路总电动势仅同热端温度构成单值函数了。如上式所示，热电偶回路总电动势与两点接点温度与两种导体的电子密度有关。由于温差电势比接触电势小，所以热电偶总电动势取决于接触电势,EAB(T）的方向。可以简化为：ABTT0热电偶回路的几点结论：（1）热电偶回路的热电势大小仅与热电极材质的热电性质和两端温度差有关。（2）采用同一种匀质导体或半导体构成回路,都不会产生热电势。（3）热电偶两个接点温度T,T0，若T=T0,热电偶的热电势为零。（4）热电偶AB的热电势与A，B材料中间温度无关，只同两个接点的温度T，T0有关。(延长冷端）（5）在热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体的两端温度一致，则引入的第三种导体不影响原来的热电势大小。称中间导体定律。（6）导体A,B的热电偶的热电势等于由导体A,C和B,C两种热电偶的热电势的代数和来表示（标准热电极定律）000(,)(T,)(,)ABACCBETTETETT基本定律及其应用若将参考端（To）分开，串接第三种导体C(中间导体),根据这种情况分析热电偶回路的总热电势。回答：只要符合一定条件,就不必担心产生这类误差。是否会产生新的接触与温差电势呢？实际利用热电偶测温,必须将热电偶回路串入电表去测量热电势。但是插入的电表与导线往往与热电极的材质不尽相同。1.中间导体定律),()()(),()(),(),(00000543210TTETETETTETETTEeeeeeTTEAACBCBABABcABc00000000(,)()()()(,)0()()()ABcABACBCABcABACBCETTETETETTTETTETETET当时，即)()(),(00TETETTEABABABc由此可知，总的热电动势与C无关。同理，热电偶回路中插入多种导体后，只要保证插入的每种导体的两端温度相同，则对热电偶的电动势也无影响。利用热电偶来实际测温时，连接导线、显示仪表和接插件等均可看成是中间导体，只要保证中间导体两端的温度相同，则对热电偶的热电动势没有影响。因此中间导体定律对热电偶的实际应用是非常重要的。由此可得：忽略温差电势，整理：0,TTEABnABTTE,+++++0TnT0T=TnABTTE,ABABT++在生产实际中，例如：化工厂、火力发电厂等使用的热电偶数量达几千支，将热电偶的冷端（参比端）保持在0℃是很不现实的。所以，在工程实际中应用《中间温度定律》可以解决此类问题。),(),(),(00TTETTETTEnABnABAB2.中间温度定律（p145,例4-7）),()()()]()([)]()([),(),(0000TTETeTeTeTeTeTeTTETTEABABABABnABnABABnABnAB中间温度定律为制定热电偶分度表奠定了基础。许多年来，科学家们试图研究能否用函数关系式甚至用分段函数来表达热电偶的热端（测量端）温度与热电偶回路所产生的热电势之间的关系，最终没能成功。所谓分度表就是热电偶自由端（冷端）温度为0℃时，热电偶工作端（热端）温度与输出热电动势之间的对应关系的表格。如果自由端温度不为0℃，则可通过该定律及分度表求得工作端的温度t。3.标准电极定律不同材料的电极可以组成不同的热电偶,只要把参考温度确定不变,则每一种组合所产生的热电势就有对应的温度关系.国家规定了常用的几种热电偶,将其热电势与温度关系,制定出标准分度表,如同一本词典供查阅对照.但不能把所有的热电偶组合都编制分度表,为了扩展使用范围,可以采用分析关系进行理论转换,这个理论称:标准电极定律.若两种导体A，B分别与第三导体组成热电偶，那么导体A，B组合的热电偶的热电势可以用标准电极定律来确定。（1）式减（2）式：第三种导体C，即热电极C，称为标准电极，也称参考电极，通常用纯铂丝制成。因为铂的物理和化学性能稳定、熔点高、易提纯。热电偶的两个热电极材料是根据需要进行选配的。由于采用了标准电极就大大地方便了这种选配工作，只要知道一些材料与标准电极相配的热电势值，就可以用标准电极定律求出其中任意两种材料配成热电偶后的热电势值。)2.(..........).........()(),()1(..........).........()(),(0000TETETTETETETTEBCBCBCACACAC00000000(,)(,)()()()()[()()][()()]()()(,)ACBCACACBCBCACBCBCACABABABETTETTETETETETETETETETETETETT00000(,)(,)(,)=(,)(,)ABACBCACCBETTETTETTETTETT热电偶的结构与材料,类型上述要求在实际使用中很难完全符合。一般地,纯金属容易复制,但热电势小,平均为20V/ºC,非金属电极1000V/ºC,但是复制性与稳定性差。通常合金材料比较合适。※易于复制,工艺简单,价格便宜。※配置的热电势灵敏度高,热电势与温度之间成线性;※电导率高,电阻温度系数小;※有较宽的测温范围,长期使用的物理化学性能稳定;任意两种导体或半导体材料都可以配置成热电偶。但真正能作为测温元件具有一些技术要求。热电偶的种类:(1)耐熔性:钨铼5-钨铼8(2)高稳定:铂铑30-铂铑6(3)廉价性:镍镉-镍硅(4)非金属:石墨-碳化硅.热电偶的结构（1）普通热电偶主要用途:测量气体,蒸汽,液体等介质温度。主要有热电偶,套管,端子盒，法兰盘。(2)嵌装热电偶在航空和原子能等特殊场合要求小型化、高稳定、寿命长、结构可靠、抗震.产生嵌装热电偶,它可以测量2800°C.（e）盖帽型:可以测量腐蚀介质的温度。（d）露头型:强调响应速度,仅用于非腐蚀介质；（c）不碰底型:常用结构（b）碰底型:测量端与外壳焊在一起。（a）单芯结构:外套管也为一个电极；热电偶的特性与误差热电偶的使用特性热电偶的热电势大小与结点温度和电极材料有关。为了保证热电势与温度的单一函数,必须保持一个结点的温度为恒定。热电偶的分度表与根据分度表制定的温度表刻度都是以参考端为0ºC，若参考端To不能恒定,则EAB(T,To）将随变化而变化。冷端温度补偿及修正把冰屑与干净水相混合,放在保温瓶内，然后把热电偶的冷端置于保温瓶内.在一个大气压下可使冰水保持在0ºC。（1）0ºC恒温法要保持To=0ºC，一般只有实验室作精密测量时才能实现。在现场，参考端To通常在室温下或波动温区里，则必须对参考端作修正或补偿处理。冷端温度补偿及修正（2）热电势修正法：)0,(),()0,(nABnABABTETTETE实际上使冷端保持在0ºC很不方便。通常可以把冷端保持在一个恒定值，采用修正的方法，解决冷端问题。假定To=Tn不为0ºC,当被测温度为T，则热电势：查表EAB(T,0)=4137μV,T=101ºC.EAB(T,0)=EAB(T,30)+EAB(30,0)=2934+1203=4137μV解：查表EAB(30,0)=1203μV某一支镍铬-镍硅热电偶测得的热电势为2934μV，冷端温度为Tn=30ºC，求被测温度T。第三项为修正值,可以从分度表中查出。当冷端温度To=Tn不为0ºC，只要Tn恒定已知，通过修正一个EAB（Tn，0ºC），将测量值转移到冷端温度为0ºC的热电势冷端温度补偿及修正（3）电桥补偿法热电偶与温度表之间插入一个直流不平衡电桥，又称冷端补偿器。冷端补偿器的结构形式：电桥三个桥臂由温度系数极小的锰铜丝绕制,另一个桥臂则为铜电阻。外加直流电压,这个补偿器被封装在一个盒子里,但能与环境相通（感受温度）。冷端补偿器的工作原理：通常直流不平衡电桥的输出电压与配用的热电偶在环境温度范围内特性保持相近,它的作用是补偿冷端的温度,使得冷端不管处在什么温度下,都可以补偿到To=0ºC。环境温度0ºC时，电桥输出电压与热电势变化方向一致;环境温度0ºC时，电桥输出电压与热电势变化方向相反.),(),()0,(0TTUTTETEnabnABAB)0,(),()0,(nABnABABTETTETE环境温度提高了表示热电势减小;Rt增加,使得电桥输出增加,恰好补偿了冷端的影响。反之,环境温度下降,热电势增加,Rt减小,电桥输出减小。若电桥输出:Uab=E(Tn,To),那么温度表得到的是设热电偶的结点温度为T,Tn,则有:在使用补偿器时,一般把电桥设计在环境温度=20ºC时，电桥输出电压为0。所以把温度表的起始点用机械调零的方法调整到20ºC.冷端补偿器有各种规格,选用时必须与相应型号的热电偶配用;冷端补偿器局限于一定的环境温度范围内存在补偿作用;冷端补偿器具有极性,与热电偶配用切勿接反,否则反而导致误差增加。注意:例:某一个测温电路使用铂铑-铂热电偶,其补偿电桥的平衡点为0ºC，但用了配置镍铬-镍硅热电偶的温度表。请问:当仪表指示