第十一章 热电式传感器(河南理工大学)

1第二节热电偶温度传感器热电偶温度传感器是基于热电效应原理而工作的一种传感器。主要特点：（1）结构简单，使用方便；（2）发电型传感器，使用时不需加电源；（3）测温范围宽，测量温度高，可测1800°C以上的温度；（4）测量精度高，便于远距离测量。2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）一、热电偶的工作原理左端称为：测量端（工作端、热端）热电极B热电势AB3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。4两种不同金属导体两端分别接在一起构成闭合回路，当两个结点温度不等时，回路里会产生热电势，形成电流，这种现象称为热电效应。利用这种效应，就可实现对温度的测量。热电效应5两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，在金属A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象。设nA＞nB，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（称为接触电势）。自由电子＋ABeAB（T）T1.接触电势6BAABNNekTTeln)(eAB(T)——导体A、B结点在温度T时形成的接触电动势；e——电子电荷，e=1.6×10-19C；k——波尔兹曼常数，k=1.38×10-23J/K；NA、NB——导体A、B的电子密度。接触电势的大小与温度T及导体中的电子密度有关。7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.温差电势8AeA(T,To)ToTeA(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，与材料有关。dTTTeTTAA0),(0温差电势原理图9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0000(,)()()(,)(,)ABABABABETTETETETTETT000lnlnTTAAABBBTTkTnkTndTdTenen00ln()()TABABTknTTdTen10000(,)ln()()TAABABBTknETTTTdTen一般情况：温差电势远小于接触电势，通常可把温差电势忽略不计。则有()()()()BAABABABNNlnTTekTeTeT,TE000=≈－－在标定热电偶时，一般使T0为常数,所以EAB(T,T0)=f(T)+C111、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。二.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，T）=0。124、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。CTfTeTeT,TEABABAB－－00即：131、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。T0T0BTAC右图回路中的总电动势为：0CA0BCAB0ABCTeTeTeTTE，三、热电偶基本定律即：EABC(T,T0)=EAB(T,T0)14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：()()()0=++0CA0BC0ABTeTeTe0AB0CA0BCTeTeTe即0TTETeTeTTEAB0ABAB0ABC，－，则15T1CT0T1TBA如果按右图接入第三种导体C，则回路中的总电动势为：()()()()()1CA1AC0BAAB0ABCTeTeTeTeTTE+++=，1CA1TeT－ACe而0TTETeTeTeTeTTEAB0ABAB0BAAB0ABC，－，所以意义：可用测量仪表直接测量热电势162、参考电极定律如果两种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就可知。即：EAB(T,T0)=EAC(T,T0)-EBC(T,T0)17解：由标准电极定律，镍铬合金（A)和铐铜(B)热电偶的热电动势应等于镍铬合金(A)与纯铂（C)热电偶和考铜(B)与纯铂(C)热电偶的热电动势的差，即例.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，而铐铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为-4.0mV，求镍铬和铐铜组合而成的热电偶所产生的热电动势。=2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV000(,)(,)ABACBCETTETTETT，18BBAT2T1T3AAB3、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。即：EAB(T,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn，T0)即：EAB(T1,T3)=EAB(T1,T2)+EAB(T2,T3)例如：19热电偶的分度表——热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法我国从1991年开始采用国际计量委员会规定的“1990年国际温标”（简称ITS-90）的新标准。按此标准，制定了相应的分度表，并且有相应的线性化集成电路与之对应。直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是：自由端（冷端）温度必须为0C。20热电偶的分度表21热电偶的分度表22热电偶的分度表23四、热电偶的结构和种类（1）热电极（2）绝缘套（3）保护套管（4）接线盒与介质隔离，优良传热性能防止电极间短路。氧化铝管、耐火陶瓷铝合金热电性质稳定物理化学性质稳定电阻温度系数小、电阻率高输出热电势大、输出呈线性复制性好、工艺简单、价格低贵金属普通金属1、热电偶的结构24普通装配型热电偶的外形安装螺纹安装法兰25普通装配型热电偶的结构放大图接线盒引出线套管固定螺纹（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）不锈钢保护管26铠装型热电偶外形法兰铠装型热电偶可长达上百米薄壁金属保护套管（铠体）BA绝缘材料铠装型热电偶横截面27隔爆型热电偶外形厚壁保护管压铸的接线盒电缆线28隔爆型热电偶结构特点：(1)接线盒:防爆的特殊结构，压铸而成，有一定的厚度、隔爆空间，机构强度较高；(2)连接螺纹：隔爆接合面，并采用密封圈进行密封。（3）防爆、隔爆。使用场合：隔爆型热电偶多用于化学工业、煤矿井下等的自控系统中。292、热电偶的种类从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。并形成系列化、标准化。其中S、R、B属于贵金属热电偶，N、K、E、J、T属于廉金属热电偶。30几种常用热电偶的测温范围及热电势分度号名称测量温度范围1000C热电势/mVB铂铑30－铂铑650～1820C4.834R铂铑13—铂-50～1768C10.506S铂铑10—铂-50～1768C9.587K镍铬－镍硅-270～1370C41.276E镍铬－铜镍(康铜)－270～800C——31五、热电偶实用测量电路1、测量单点温度MCZABRRRTTEI0，RZ、RC、RM—热电偶、补偿导线和仪表内阻。322、测量两点之间的温差仪表AABB1T2TCCDTE0T0T回路内的总电动势为:002001Te'TeTe'TeTeTeECAACBADBBDABT0000()()()()BDDBDBCAACACeTeTeTeTeTeT因为所以ET=eAB(T1)+eBA(T2)=eAB(T1)-eAB(T2)333、测量平均温度（并联）AABB1T2TTE0T0TAB0T3T1E2E3E仪表3R2R1R1233TEEEE1020301(,)(,)(,)3ABABABETTETTETT缺点：当有一只热电偶烧断时，不易察觉。344、测量几点温度之和（串联）AABB1T2TTE0TAB3T仪表0T0T0TCCCDDD102030(,)(,)(,)TABABABEETTETTETT13TEE平均35电路调试步骤：1.调零：T=0℃时调整调零电位器RP2使运放输出为零；2.调输出：温度600℃时调节负反馈电阻RP2，使运放输出在6V。3.确定放大倍数：600℃时，K型热电偶热电势为E=24.902mv，放大器增益为6V/24.902mv=240.945。应用电路36六、冷端处理及补偿原因:热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定；热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0℃为依据，当冷端温度不为0℃时，要进行补偿，否则会产生误差。371.冰点槽法把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里，使T0=0℃。这种办法仅限于科学实验中使用。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。mVABA’B’TCC’仪表铜导线试管补偿导线热电偶冰点槽冰水溶液T0382.补偿导线法利用补偿导线，将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所(如仪表室)。根据中间导体定律，只要补偿导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变。39本章小结一、热电阻传感器1.热电阻效应：物质的电阻率随温度的变化而变化的现象。2.热电阻传感器.材料：铂、铜；正温度系数；测量范围：负几十度到五、六百度。3.低温热电阻。材料：铟、锰、碳，测量范围：负二百多度到室温。4.热敏电阻。材料：半导体；正、负温度系数，灵敏度高。二、热电偶1.热电效应：两种不同金属导体两端分别接在一起构成闭合回路，当两个结点温度不等时，回路里会产生热电势，形成电流，这种现象称为热电效应。402.热电偶的两种电势：接触电势、温差电势。3.热电偶的主要性质：（1）两导体的材料相同，热电动势为0；（2）热电偶两结点温度相同，热电势为0；（3）热电偶回路的热电势只与两导体的材料和两结点的温度有关，而与热电偶的尺寸、形状及材料的中间温度无关。4.中间导体定理：在热电偶中插入第三种材料，只要插入材料两端的温度相同，对热电偶的总电势无影响。415.中间温度定理：EAB(T,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)6.热电偶的基本结构：热电极、绝缘套管、保护套管、接线盒。7.用途：高温测量。思考与练习题：11-2、11-4、11-7、11-9、11-13