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1、第八章 热电式传感器 第一节 热电偶传感器 第二节 热电阻传感器 第三节 热敏电阻传感器 第四节 集成温度传感器 2 2 两种不同的导体或半导体A和B组合成闭合回路， 若导体A和B的连接处温度不同（设TT0），则在此 闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势 存在，这种现象叫做热电效应。 热电偶原理图 TT0 A B 一、工作原理 回路中所产生的电 动势，叫热电势。 热电势由两部分组 成，即温差电势和 接触电势。 热端冷端 第一节 热电偶温度传感器 1、热电效应 3 3 1. 接触电势 + AB T eAB(T) - eAB(T)导体A、B结点在温度T 时形成的接触电动势； e单位电荷，
2、 e =1.610-19C； k波尔兹曼常数， k =1.3810-23 J/K ； NA、NB 导体A、B在温度为T 时的电子密度。 接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。 接触电势 原理图 4 4 AeA(T,To ) To T eA(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； A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，例如在0时，铜的 =2V/。 2. 温差电势 温差电势原理图 5 5 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TT0，则必存在着两个接触电势和两个温差 电势，回路总电势： T0T
3、 eAB(T)eAB(T0) eA(T,T0) eB(T,T0) A B 3. 回路总电势 NAT、NAT0导体A在结点温度为T和T0时的电子密度； NBT、NBT0导体B在结点温度为T和T0时的电子密度； A 、 B导体A和B的汤姆逊系数。 有关热电偶回路的几点结论：有关热电偶回路的几点结论： n n 热电偶必须采用两种不同的材料作为热热电偶必须采用两种不同的材料作为热 电极。电极。 n n 如果热电偶两结点温度相等，则尽管导如果热电偶两结点温度相等，则尽管导 体体A A、B B的材料不同，热电偶回路内的总的材料不同，热电偶回路内的总 电动势亦为零。电动势亦为零。 n n 热电偶热电偶ABA
4、B的热电动势与的热电动势与 A A 、 B B 材料的中材料的中 间温度无关，只与结点温度有关。间温度无关，只与结点温度有关。 三种不同导体组成的热电偶回路 T A B C T0 T0 （1）中间导体定律 如图,A,B中接入第三导体C，当A、B结点温度为T，其余结点 温度为T0，且TT0时，则回路中总热电动势为: 2、热电偶基本定律 v由于在TT0的情况下回路中总电动势为 零 有 将此式带入上式 n n 中间导体中间导体定律定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导线，只在热电偶回路中接入第三种材料的导线，只 要其两端的温度相等，第三导线的引入不会影响要其两端的温度相等，第三导线的引入不会影响 热
5、电偶的热电动势。热电偶的热电动势。 T2 T1 A a B C23 EAB A T0 2 3 A EAB T1 T2 C (a) (b) T0T0 第三种材料 接入热电偶 回路图 B 1010 E T0 T0 T E T0 T1 T1 T 电位计接入热电偶回路 根据上述原理，在热电偶回路中接入电位计E，只要保 证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，不会影响 回路中原来的热电势，接入的方式见下图所示。 n n 参考电极定律参考电极定律 图中导体图中导体C C 接接在在 A A 、 B B 之间，形成三个热电偶组成的回路。当结点之间，形成三个热电偶组成的回路。当结点 温度为温度为 T T ， T
6、T 0 0 时时，用导体，用导体 A A 、 B B 组成的热电偶的热电动势等于组成的热电偶的热电动势等于AC AC 热电偶热电偶 和和CBCB热电偶的热电动势的代数和。这一规律称为热电偶的热电动势的代数和。这一规律称为参考电极定律参考电极定律。 （2）参考电极定律 T0TEAB (T,T0) A B T0 T EAC(T,T0) A C T0TECB(T,T0) C B 1212 (3) 中间温度定律 如果不同的两种导体材料组成热电偶回路,其接点温度分别为T1 、T2(如图所示)时,则其热电势为EAB(T1, T2)；当接点温度为T2、 T3时，其热电势为EAB(T2, T3)；当接点温度为
7、T1、T3时，其热电 势为EAB(T1, T3)，则 B B A T2 T1 T3 A A B EAB（T1, T3）=EAB（T1, T2）+EAB（T2, T3） 1313 EAB（T1,T3）=EAB（T1, 0）+EA B（0, T3） =EAB（T1, 0）-EAB（T3, 0）=EAB（T1）-EAB（T3） A B T1 T2 T2 A B T0 T0 热电偶补偿 导线接线图 E 对于冷端温度不是零度时，热电偶如何分度表的问题提供了依据 。如当T2=0时，则： 只要T1、T0不变，接入AB后不管接点温度T2如何变化，都不影 响总热电势。这便是引入补偿导线原理。 EAB=EAB(T
8、1)EAB(T0) 说明：当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A、B同样热电 特性的材料A、B(如图)即引入所谓补偿导线时，当 EAA(T2)=EBB(T2)时，则回路总电动势为 由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体是 否存在温度梯度，回路中没有电流(即不产生电动势) ；反之，如果有电流流动，此材料则一定是非均质的 ，即热电偶必须采用两种不同材料作为电极。 (4) 均质导体定律 二、常用热电偶二、常用热电偶 v1铂铑10铂热电偶 v2镍铬镍硅热电偶 v3镍铬考铜热电偶 v4钨铼5钨铼20热电偶 1515 1. 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
9、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。 mV A B A B T C C 仪表 铜导线 试管 补偿导线 热电偶 冰点槽 冰水溶液 T0 三、热电偶温度补偿 1616 2. 计算修正法 用普通室温计算出参比端实际温度TH，利用公式计算 例 用铜-康铜热电偶测某一温度T，参比端在室温环境 TH中，测得热电动势EAB(T，TH)=1.979mV，又用室温 计测出TH=21,查此种热电偶的分度表可知， EAB(21,0)=0.84mV，故得 EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，T0) =1.979+0.84
10、 =2.819(mV) 再次查分度表，与2.819mV对应的热端温度T=69。 注意:既不能只按1.979mV查表，认为T=49，也 不能把49加上21，认为T=70。 EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0) 1717 3. 补正系数法 把参比端实际温度TH乘上系数k，加到由EAB(T，TH)查 分度表所得的温度上，成为被测温度T。用公式表达即 式中：T为未知的被测温度； T为参比端在室温下热 电偶电势与分度表上对应的某个温度； TH室温； k为补正系数，其它参数见下表。 例 用铂铑10铂热电偶测温，已知冷端温度TH=35， 这时热电动势为11.348mV查S型热电偶的分
11、度表，得 出与此相应的温度T=1150。再从表中查出，对应于 1150的补正系数k=0.53。于是，被测温度 T=1150+0.5335=1168.3（） 用这种办法稍稍简单一些，比计算修正法误差可能大 一点，但误差不大于0.14。 T T k T H 1818 例 用动圈仪表配合热电偶测温时，如果把仪表的机械 零点调到室温TH的刻度上,在热电动势为零时，指针指 示的温度值并不是0而是TH。而热电偶的冷端温度已 是TH,则只有当热端温度T=TH时，才能使EAB(T,TH)=0， 这样，指示值就和热端的实际温度一致了。这种办法非 常简便，而且一劳永逸，只要冷端温度总保持在TH不变 ，指示值就永远
12、正确。 4. 零点迁移法 应用领域：如果冷端不是0，但十分稳定（如恒温车 间或有空调的场所）。 实质：在测量结果中人为地加一个恒定值，因为冷端温 度稳定不变，电动势EAB(TH,0)是常数，利用指示仪表上 调整零点的办法，加大某个适当的值而实现补偿。 1919 5. 冷端补偿器法 利用不平衡电桥产生热电势补偿热电偶因冷端温度变化 而引起热电势的变化值。不平衡电桥由R1、R2、R3(锰铜 丝绕制)、RCu(铜丝绕制)四个桥臂和桥路电源组成。 设计时，在0下使电桥平衡(R1=R2=R3=RCu),此时Uab=0 ,电桥对仪表读数无影响。 冷端补偿器的作用 注意：桥臂RCu必须和热电偶的冷 端靠近，
13、使处于同一温度之下。 mV EAB(T,T0) T0 T0 T A B + +- ab U Uab RCu R1R2 R3 R T0 EAB(T,T0) RCu Ua Uab 供电4V直流，在040或-2020的范围起补偿作用。 注意，不同材质的热电偶所配的冷端补偿器，其中的限流电阻R 不一样，互换时必须重新调整。 2020 6. 软件处理法 u冷端温度恒定T0 ：但T0不为0时，只需在采样后 加一个与冷端温度对应的常数即可。 u冷端温度T0波动：可利用热敏电阻或其它传感器把 T0信号输入计算机，按照运算公式设计一些程序，便 能自动修正。后一种情况必须考虑输入的采样通道中 除了热电动势之外还应
14、该有冷端温度信号，如果多个 热电偶的冷端温度不相同，还要分别采样，若占用的 通道数太多，宜利用补偿导线把所有的冷端接到同一 温度处，只用一个冷端温度传感器和一个修正T0的输 入通道就可以了。冷端集中，对于提高多点巡检的速 度也很有利。 2121 一、铂电阻温度传感器 分度号为Pt10和Pt100，适用温度范围 优点：物理、化学性质稳定,常用制造基准热电阻 ,标 准电阻和工业用热电阻 缺点：易被金属蒸气污染变脆，但可用保护套管 保护；属贵金属，成本高。 第二节 热电阻传感器 在0850范围内，铂电阻的电阻值与温度的关系为 在2000范围内为： 式中 R0、Rt温度为0及t时的铂电阻的电阻值； A
15、、B、C常数值 Rt=R0（1+At+Bt2） Rt=R01+At+Bt2+C(t-100) t3 铂电阻的纯度以R100/R0表示，R100表示在标准大气压下 水沸点时的铂的电阻值。国际温标规定，作为基准器的 铂电阻，其R100/R0不得小于1.3925。我国工业用铂电阻 分度号为BA1、BA2，其R100/R0=1.391。 用途：钢铁,地质,石油,化工等生产工艺流程,各种食品加 工,空调设备及冷冻库,恒温槽等的温度检测与控制中。 2323 测量电路 1. 三线制 图中G为指示电表，R1、R2、R3为固定电阻，R0为零位调 节电阻。铂电阻通过电阻分别为r2 、 r3 、 Rg的三根导线 和
16、电桥连接， r2和r3分别接在相邻的两臂，当温度变化 时，只要它们的长度和电阻温度系数相同，它们的电阻 变化就不会影响电桥的状态，即不产生温度误差。而Rg 分别接在指示电表和电源回路，其阻值变化也不会影响 电桥的平衡状态。 R2 Ra R1 R3 E Rt r3 Rg r2 G 2424 2. 四线制 注意：无论三线制或四线制，都必须从铂电阻感温体 的根部引出，不能从铂电阻的接线端子上分出。因为 从感温体到接线端子之间的导线处于温度变化剧烈的 地段(距被测温度太近)，虽然在保护套管里的这一段 导线不长，但其电阻的影响不容忽视。 二、铜电阻温度传感器 分度号 和 ，适用温度范围50150 ， 优点：铜电阻与温度近似呈线性关系，铜电阻温度 系数大，易加工和提纯，成本低。 缺点：当温
