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1、第8章 热电式传感器 第8章 热电式传感器 8.1 热电偶传感器 8.2 热电阻传感器 8.3 PN结温度传感器 8.4 集成温度传感器 思考题与习题 第8章 热电式传感器 8.1 热电偶传感器 8.1.1 热电效应 热电偶是由两种不同导体(或半导体)材料A与B串联组成 的闭合回路，如图8.1(a)所示。若两个结点处于不同的温度T 和T0，且TT0，则回路中就会产生热电势EAB(T, T0)，这种现 象称为热电效应。其中A、B称为热电极，温度为T的结点称 为热端或工作端，温度为T0的结点称为冷端或参考端。热电 极与测量仪表相连，如图8.1(b)所示，根据热电势EAB(T, T0) 及冷端温度T
2、0就可得到待测介质的温度T。 第8章 热电式传感器 图8.1 热电偶及其测温原理图 第8章 热电式传感器 热电偶产生的热电势EAB(T, T0)是由两种导体材料的接触 电势(又称珀尔帖电势)和单一导体材料的温差电势(又称汤姆 逊电势)组成，如图8.2所示。热电势的大小与两种导体材料 的性质和结点温度有关，而与导体材料A、B的中间温度无 关。 第8章 热电式传感器 图8.2 热电偶产生的热电势 第8章 热电式传感器 1. 接触电势 由于不同导体材料A和B内的自由电子密度不同，所以 当它们相互接触时，在接触处将发生电子扩散，由此形成的 电位差称为接触电势。设A、B中自由电子密度分别为NA和 NB，
3、且NANB，则单位时间内由A扩散至B的电子数要比从B 扩散至A的多。于是导体材料A失去电子带正电，导体材料B 得到电子带负电，在结点处形成的接触电势分别为 (8.1) 第8章 热电式传感器 式中：k波尔兹曼常数(k=1.381023 J/K)； T、T0热端与冷端的绝对温度，单位为K； NA、NB导体材料A和B的自由电子密度。 (8.2) 第8章 热电式传感器 2. 温差电势 对于单一导体材料，若两端温度不同，其两端的电子能 量也不同，高温端电子能量大，自由电子从高温端扩散的速 率比从低温端扩散的速率快，则高温端的自由电子就会向低 温端扩散，由此形成的电位差称为温差电势。设TT0，则高 温端失
4、去电子带正电，低温端得到电子带负电，形成的温差 电势分别为 (8.3) (8.4) 第8章 热电式传感器 式中：A、B导体材料A、B的汤姆逊系数，与导体材料 和两端温度有关。 由A、B两种导体材料组成的热电偶，其热电势为接触 电势和温差电势的代数和，即 (8.5) 第8章 热电式传感器 8.1.2 热电偶的基本定律 1. 匀质导体定律 两种匀质导体材料组成的热电偶，其热电势与热电极的 长度、截面积以及沿热电极长度方向的温度分布无关，仅与 热电极材料的性质和热端、冷端的温度有关。如果热电极的 材质不均匀，则当处于不均匀的温度场中测温时会产生测量 误差。 该定律表明，热电极材质的均匀性是衡量热电偶
5、质量的 重要技术指标。 第8章 热电式传感器 2. 中间导体定律 如图8.3所示，在热电偶的冷端接入与热电极A、B不同 的另一种导体C(称为中间导体)，只要被接入导体两端的温 度相同，则回路中的热电势不受中间接入导体的影响, 即 EABC(T, T0)=EAB(T, T0) (8.6) 第8章 热电式传感器 图8.3 具有中间导体的热电偶回路 第8章 热电式传感器 3. 标准电极定律 如图8.4所示，若热电极A、B与第三种电极C分别组成 三种热电偶，在相同的结点温度(T, T0)下，每种热电偶的热 电势分别为EAB(T, T0)、EAC(T, T0)和EBC(T, T0)，则有 EAB(T,
6、T0)=EAC(T, T0)EBC(T, T0)(8.7) 第8章 热电式传感器 图8.4 三种电极分别组成的热电偶 第8章 热电式传感器 4. 中间温度定律 如图8.5所示，若热电极A、B分别与连接导线A、B相 连，结点温度分别为T、Tn和T0，则回路中的热电势等于热 电偶的热电势EAB(T, Tn)与连接导线的热电势EAB(Tn, T0)之代 数和，即 EABAB(T, Tn, T0)=EAB(T, Tn)+EAB(Tn, T0)(8.8) 若A与A、B与B的材料分别相同，则式(8.8)可写为 EAB(T, Tn, T0)=EAB(T, Tn)+EAB(Tn, T0)(8.9) 根据匀质导
7、体定律，式(8.9)又可写为 EAB(T, T0)=EAB(T, Tn)+EAB(Tn, T0) (8.10) 第8章 热电式传感器 图8.5 具有连接导线的热电偶回路 第8章 热电式传感器 8.1.3 热电偶的冷端补偿 1. 计算修正法 在冷端温度不等于0，但保持恒定不变的情况下，可 采用计算修正法。 1) 热电势修正法 当环境温度为Tn，且Tn0时，热电偶输出的热电势为 EAB(T, Tn)。由式(8.10)可知，根据该热电势查分度表，显然 对应较低的温度，因此必须修正到冷端T0=0的热电势，即 实测电势EAB(T, Tn)再加上修正电势EAB(Tn, T0)，得到冷端温 度T0=0时的热
8、电势EAB(T, T0)，由EAB(T, T0)再反查分度表即 可得到准确的被测温度值。 第8章 热电式传感器 2) 温度修正法 该方法无需将冷端温度换算成热电势，在工业现场应用 较为广泛。设热电偶回路中测量仪表的指示温度为T，冷端 温度为Tn，则被测的真实温度T为 T=T+kTn (8.11) 式中：k热电偶的修正系数，与热电偶的类型和被测温 度范围有关。 第8章 热电式传感器 2. 电桥补偿法 电桥补偿法是利用直流不平衡电桥的补偿电势来消除热 电偶冷端温度变化的影响，如图8.6所示。电桥串接在热电 偶回路中，桥臂电阻R1、R2、R3和限流电阻Rd均由温度系数 很小的锰铜丝绕制，其电阻值几乎
9、不随温度变化，桥臂电阻 RC由温度系数较大的铜丝绕制，其阻值随温度升高而增大 。 第8章 热电式传感器 图8.6 电桥补偿法原理图 第8章 热电式传感器 3. 补偿导线法 补偿导线法是工业上常用的一种方法。实际测温时，被 测点与指示仪表之间往往有较远的距离，而热电偶的长度有 限，冷端温度容易受周围环境影响而波动，为此可采用补偿 导线法(又称为冷端延长线法)。补偿导线在规定的温度范围 内(一般为100以下)具有与热电极相同的温度特性，把它 与热电偶的冷端配接，如图8.7所示，其作用是将热电偶的 冷端迁移至远离热源且环境温度(T0)较稳定的地方，从而消 除冷端温度(Tn)变化所造成的影响。在规定的
10、温度范围内， 补偿导线产生的热电势等于热电偶产生的热电势，即 EAB(Tn, T0)=EAB(Tn, T0) (8.12) 第8章 热电式传感器 图8.7 补偿导线法原理图 第8章 热电式传感器 4. 0恒温法 将纯水和冰屑相混合，置于保温瓶内，并使水面略低于 冰屑面。在一个标准大气压下，将热电偶的冷端置于其中， 可使冷端保持在0，此时热电偶的热电势与分度表一致。 该方法通常用于实验室中。 补偿方法还有热电偶补偿法、调整指示仪表起始点法及 数字补偿法等。数字补偿法是利用计算机对热电偶的输出端 和冷端温度同时采集，按补偿规律运算处理，得到修正结果 。 第8章 热电式传感器 8.1.4 常用热电偶
11、 根据热电偶的测温原理可知，任意两种不同的导体或半 导体都可以配制成热电偶，但作为实用的测温元件，必须保 证测温精度并满足工程技术的各项要求。按照工业标准化的 要求，可分为标准化热电偶和非标准化热电偶。 1. 标准化热电偶 标准化热电偶的工艺比较成熟，性能稳定，可批量生产 ，互换性好，具有统一的分度表。国际电工委员会(IEC)推 荐了8种标准化热电偶，如表8.1所示。 第8章 热电式传感器 表8.1 标准化热电偶技术参数 第8章 热电式传感器 1) 铂铑10-铂热电偶 铂铑10-铂热电偶为贵金属热电偶，其正极材料为铂铑 合金，含铂90%、铑10%，负极材料为纯铂。该热电偶具有 精度高、稳定性好
12、、测温范围宽、使用寿命长，适用于氧化 或惰性气氛中的温度测量。其不足之处在于输出热电势小、 灵敏度低、价格昂贵，在高温还原介质中易被污染和侵蚀。 2) 铂铑30-铂铑6热电偶 铂铑30-铂铑6热电偶为贵金属热电偶，其正极和负极材 料均为铂铑合金，其中正极含铂70%、铑30%；负极含铂 94%、铑6%。该热电偶的特点与铂铑10-铂热电偶相近，但 无需进行冷端补偿，因为冷端温度在050范围内，热电 势变化量小于3 V。 第8章 热电式传感器 3) 镍铬-镍硅热电偶 镍铬-镍硅热电偶为贱金属热电偶，其正极材料含镍 89%、铬10%、铁1%，负极材料含镍97%、硅2.5%、锰0.5% 。该热电偶具有线
13、性度好、灵敏度较高、热电势较大、稳定 性和复现性较好、抗氧化性强、价格低廉等诸多优点，是目 前使用量最大的热电偶，可用于氧化或惰性介质中。但该热 电偶在还原性介质或含硫气氛中易被侵蚀，也不可用于真空 中。 4) 镍铬-康铜热电偶 镍铬-康铜热电偶为贱金属热电偶，其正极材料含镍 89%、铬10%、铁1%，负极材料含镍40%、铜60%。该热电 偶的灵敏度最高，适宜制成热电堆来测量温度的微小变化， 此外还具有稳定性好、抗氧化性强、价格低廉等优点，但不 适于还原性介质或含硫气氛中。 第8章 热电式传感器 2. 非标准化热电偶 非标准化热电偶复制性差，没有统一的分度表，其应用 受到了很大的限制，但近年来
14、非标准化热电偶的发展很快， 主要用于进一步扩展高温和低温的测量以及某些特殊场合的 测量。 第8章 热电式传感器 8.1.5 热电偶传感器的应用 在锅炉节能控制系统中，通常需要对炉膛、蒸汽、水等 的温度进行测定。为了提高测量精度和灵敏度，常采用串联 测温电路。将n支同型号的热电偶串联，仪表示值为n支热电 偶的热电势之和，即 E=E1+E2+En (8.13) 若将n支同型号的热电偶并联，仪表示值为n支热电偶热 电势的算术平均值，即 (8.14) 第8章 热电式传感器 图8.8所示为测量两点间温差的测量电路。其中两支热 电偶的型号相同，且配接相同的补偿导线，按图所示反向串 接，则测量仪表示值E=E
15、1E2，由此得到T1和T2的温度差。 第8章 热电式传感器 图8.8 两点间温差测量电路 第8章 热电式传感器 图8.9所示为炉温测量实例，将热电偶的热端插入炉内 感受待测温度T，冷端通过补偿导线与测量仪表的输入导线( 铜线)相连，并插入冰瓶以保证T0=0，由测量仪表测得的 热电势来确定炉内的实际温度。若测温现场不便保证冷端 T0=0，则必须进行修正。 第8章 热电式传感器 图8.9 炉温测量实例 第8章 热电式传感器 8.2 热电阻传感器 8.2.1 金属热电阻 1. 铂电阻 铂电阻具有精度高、稳定性好、性能可靠等优点，主要 用于温度基准、标准传递、高精度工业测温等。铂电阻的精 度与其纯度有关，其纯度常用百度电阻比W(100)来表示, 即 (8.15) 第8章 热电式传感器 铂电阻的电阻值与温度之间近似于线性关系，被测温度 在1900范围内可表示为 Rt=R01+At+Bt2+C(t100)t3 (8.16) 被测温度在0630.74范围内可表示为 Rt=R0(1+At+Bt2) (8.17) 第8章 热电式传感器
