热电式传感器2

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1、6.1 热电偶温度传感器6.2 电阻式温度传感器,第六章 热电式传感器,热电式传感器：将温度变化转换成电参量变化的装置。,热电式传感器,热电阻：金属式,热敏电阻：半导体式,热处理温控系统,6.1 热电偶温度传感器,热电偶测温系统组成如图6-1所示。,（1）热电极：组成热电偶的两根导体或半导体。 （2）热端：直接置于被测温场中的一端称为热端，又称测量端、工作端。,图61 热电偶测温系统示意图,（3）冷端：与导线连接的一端称为冷端，又称参考端、自由端。,特点：性能稳定、结构简单、使用方便、测温范围广（-270 1800 ）、准确度较高、信号可以远传等。,一、 热电偶测温原理 、热电效应两种不同材料

2、的导体（或半导体）组成一个闭合回路(如图-所示)，当两接点温度T和T0不同时，则在该回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应, 该电动势称为热电势。,图 热电偶回路,热电效应,两种不同的金属A和B构成闭合回路 当两个接触端 T T0时，回路中会产生热电势。,热电效应,两种不同的金属A和B构成闭合回路 当两个接触端 T T0时，回路中会产生热电势,、热电动势的形成 （）接触电势：接触电势是由于两种不同导体的自由电子密度不同（设）而在接触处形成的电动势。两种导体接触时，自由电子由密度大的导体向密度小的导体扩散，在接触处形成静电场，又阻碍扩散运动，最后达到动平衡时，在接触面的两侧就形成稳定的接触电

3、势。两接点的接触电势AB(T)和AB（T0）可表示为,(-),(-),式中： K波尔兹曼常数；(1.3810-23J/K)e单位电荷电量； (1.60210-19C)NA（T）、NB（T）和NA（T0）、NB（T0）温度分别为T和T0时，A、B两种材料的电子密度。,可见，接触电势的大小取决于两种不同导体的电子密度和接触点的温度。,（）温差电势温差电势是同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。同一导体的两端温度不同（设）时，高温端的电子能量要比低温端的电子能量大，因而从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多，结果高温端因失去电子而带正电，低温端因获得多余的电子而带负电，因此，在

4、导体两端便形成温差电势。,温差电势其大小由下面公式给出：,(-),式中, NAt和NBt分别为A导体和B导体的电子 密度，是温度的函数。,可见，温差电势的大小只与导体材料（电子密度）和两端温度有关。,（）热电偶回路中产生的总热电势在图-所示的热电偶回路中产生的总热电势为,AB(T, T0)=AB(T)+B(T,T0)-AB(T0)-A(T,T0),图 热电偶回路总热电势,在总热电势中，温差电势比接触电势小很多，可忽略不计， 则热电偶的热电势可表示为,对于已选定的热电偶，当参考端温度T0恒定时，AB(T0)=c为常数，则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，即,这一关系式在实际测量中是很有用的

5、，即只要测出EAB（T， T0）的大小，就能得到被测温度T，这就是利用热电偶测温的原理。,AB(T, T0)=AB(T)+B(T,T0)-AB(T0)-A(T,T0),（1） 热电偶回路热电动势的大小只与组成热电偶的材料和端点的温度有关；与热电偶的尺寸、形状无关。,结论,（2）热电偶的两个热电极必须使用不同的材料，相同材料不会产生热电动势。,（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产生热电动势；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。,实际应用中, 热电势与温度之间关系是通过热电偶分度表来确定的。分度表是在参考端温度为0时, 通过实验建立起来的热电势与工

6、作端温度之间的数值对应关系。用热电偶测温, 还要掌握热电偶基本定律。3、 热电偶基本定律（1 ）中间导体定律 内容在热电偶回路中, 接入 第三种材料的导体, 只要 中间导体两端温度相同, 该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。,证明 接入第三种导体回路等效原理如图 所示。由于温差电势可忽略不计, 则回路中的总热 电势等于各接点的接触电势之和。 即EABC(T,T0)=EAB(T)+EBC(T0)+ECA(T0) 当T= T0 时, 有BC(T0)+ECA(T0)= - E(T0) 得 (T, T0)=EAB(T)-EAB(T0)=EAB(T, T0) 同理, 加入第四、第五种导体后,

7、只要加入的导体两端温度相等, 同样不影响回路中的总热电势。 ,应用中间导体定律使得热电势测量成为可能。因热电势测量必须接入导线和仪表，相当于接入第三种导体，只要保持第三种导体两端温度相同就不影响总电动势。实际应用中可方便地在热电偶回路中直接接入各种显示仪表和放大电路，也可将热电偶两端不焊接而直接插入液态金属中或直接焊在金属表面上进行温度测量。,（2）中间温度定律 内容热电偶回路两接点温度为T、T0间 的热电势，等于热电偶在接点温度为 T、Tn和Tn、T0时的热电势的代数和。,即,证明,即,应用中间温度定律为热电偶补偿导线的使用和冷端温度计算修正提供了理论依据。 热电偶分度表按冷端温度为0时分度

8、，若在实际热电偶测温回路中,冷端温度不为0，则可视实际冷端温度T0为中间温度Tn，则满足 ,二、热电偶种类与结构理论上讲, 任何两种不同材料的导体都可以组成热电偶, 但为了准确可靠地测量温度, 对组成热电偶的材料必须经过严格的选择。工程上用于热电偶的材料应满足以下条件: 热电势变化尽量大, 热电势与温度关系尽量接近线性关系, 物理、化学性能稳定, 易加工, 复现性好, 便于成批生产, 有良好的互换性。 （一）标准热电偶目前在国际上被公认比较好的热电材料只有几种。国际电工委员会（IEC）向世界各国推荐S、B、K、E、J、T、R共8种标准化热电偶, 所谓标准化热电偶, 它已列入工业标准化文件中,

9、具有统一的分度号（名称用专用的字母表示）和分度表。 我国从1988年开始采用IEC标准生产热电偶。热电偶名称由热电极材料命名，正极写在前面，负极写在后面。表6-1 为我国采用的几种热电偶的主要性能和特点。,表6-1 热电偶特性表,铂铑30表示该合金含70%的 铂及30% 的铑，以下类推。 括号内为我国旧的分度号。,表6-6 铜-康铜热电偶（分度号T）分度表,冷端温度0,（二）非标准化热电偶非标准化热电偶在生产工艺上还不够成熟，在应用范围和数量上均不如标准化热电偶。没有统一的分度表，也没有与其配套的显示仪表。能满足一些特殊条件下测温的需要，如超高温、极低温、高真空或核辐射环境。非标准化热电偶由铂

10、铑系、铱铑系、钨铼系及金铁热电偶、双铂钼等热电偶。,1、 铱和铱合金热电偶：如铱50铑铱10钌、铱铑40-铱、铱铑60-铱热电偶。它能在氧化环境中测量高达2100的高温，且热电动势与温度关系线性好。,2、钨铼热电偶：60年代发展起来的，是目前一种较好的高温热电偶，可使用在真空惰性气体介质或氢气介质中，但高温抗氧能力差。 国产钨铼3-钨铼25、钨铼-钨铼20热电偶使用温度范围在3002000，分度精度为1。主要用于钢水连续测温、反应堆测温等场合。,3、金铁镍铬热电偶：主要用在低温测量，可在2273K范围内使用，灵敏度约为10V。,4、钯铂铱15热电偶：是一种高输出性能的热电偶，在1398时的热电

11、势为47.255mV，比铂铑10铂热电偶在同样温度下的热电势高出3倍，因而可配用灵敏度较低的指示仪表，常应用于航空工业。,（三） 热电偶的结构形式为了适应不同生产对象的测温要求和条件，热电偶的结构形式有普通型热电偶、铠装型热电偶和薄膜热电偶等。 1、普通型热电偶普通型结构热电偶工业上使用最多，它一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成，其结构如图6-9 所示。感温元件结构如图6-8所示。普通型热电偶按其安装时的连接形式可分为固定螺纹连接、固定法兰连接、活动法兰连接、无固定装置等多种形式。,图6-9 普通型热电偶结构,图6-8 热电偶的感温元件,接线盒,引出线套管,不锈钢保护管,固定螺纹,热电

12、偶工作端（热端）,普通热电偶的结构,无固定装置热电偶,固定螺纹式热电偶,活动法兰式热电偶,固定法兰式热电偶,固定螺纹锥形热电偶,直形管接头式热电偶,2、铠装型热电偶铠装热电偶又称套管热电偶（铠缆热电偶）。它是由热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体，如图15-12所示。它可以做得很细很长，使用中随需要能任意弯曲。铠装热电偶的主要优点是测温端热容量小，动态响应快，机械强度高，挠性好，可安装在结构复杂的装置上，因此被广泛用在许多工业部门中。,铠装型热电偶,铠装型热电偶可长达上百米,铠装型热电偶外形,防水式铠装热电偶,圆接插式铠装热电偶,扁接插式铠装热电偶,手柄式铠装热电偶,补偿

13、导线式铠装热电偶,江苏金科 仪表有限公司,防喷式铠装热电偶,3、薄膜热电偶薄膜热电偶是由两种薄膜热电极材料用真空蒸镀、化学涂层等办法蒸镀到绝缘基板上而制成的一种特殊热电偶， 如图所示。,薄膜热电偶的热接点可以做得很小（可薄到0.010.1m），具有热容量小、反应速度快等特点， 热响应时间达到微秒级，适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量。由于使用温度受胶粘剂和衬垫材料限制，目前只能用于-200300 范围。 4、表面热电偶主要用于测量金属块、炉壁、涡轮叶片、轧辊等固体表面温度。 5、浸入式热电偶主要用于测量钢水、铜水、铝水及熔融合金的温度。,三、 热电偶冷端温度的补偿方法 冷端温

14、度补偿修正的原因： 当热电偶材料选定以后，热电动势只与热端和冷端温度有关。因此只有当冷端温度恒定时，热电偶的热电势和热端温度才有单值的函数关系。此外热电偶的分度表是以冷端温度0作为基准进行分度的，而在实际使用过程中，冷端因靠近被测对象，受到周围环境温度的影响，其温度不是恒定的，冷端温度往往也不为0，所以必须对冷端温度进行处理，消除冷端温度的影响。,热端温度为t时，分度表所对应的热电势EAB(t, 0)与热电偶实际产生的热电势EAB(t,t0)之间的关系可根据中间温度定律得到下式：,EAB(t,0)= EAB(t,t0)+EB(t0，0),由此可见，EAB(t0，0)是冷端温度t0的函数，因此需

15、要对热电偶冷端温度进行处理。,（一） 热电偶补偿导线 在实际测温时，需要把热电偶输出的电势信号传输到远离现场数十米远的控制室里的显示仪表或控制仪表，这样, 冷端温度t0比较稳定。热电偶一般做得较短， 一般为3502000mm，需要用导线将热电偶的冷端延伸出来。 工程中采用一种补偿导线，它是由两种不同性质的廉价金属导线制成，而且在一定温度范围（ 0100）内，与所配接的热电偶具有相同的热电特性的特殊导线。,表6-2 常用热电偶补偿导线,延伸型（X）补偿导线：选用的金属材料与热电极材料相同； 补偿型（C）补偿导线：选用的金属材料与热电极材料不同；,使用补偿导线时，要注意补偿导线型号与热电偶型号匹配

16、、正负极与热电偶正负极对应连接、补偿导线所处温度不超过使用温度范围。,A,B,屏蔽层,保护层,补偿导线外形,热电偶用补偿导线的作用是用来延伸热电偶的冷端，与测温仪连接构成测温系统。本产品等效采用IEC584-3热电偶第三部分补偿导线国际标准。产品技术优于GB4989-94热电偶用补偿导线国家标准，耐热补偿导线绝缘层和护层选用进口优质氟塑料，并采用了整体连续挤出新工艺,使该产品具有优良的防水、耐酸、碱、耐化学试剂、耐磨、耐油、耐老化和不燃之性能，可浸入油水中长期使用，使用温度在-60205，属于当代国际先进水平。,沈阳瑞华特种电缆厂,（二） 冷端温度校正法采用补偿导线可使热电偶的冷端延伸到温度比较稳定的地方，但只要冷端温度t0不等于0，需要对热电偶回路的测量电势值EAB（t，t0）加以修正。 1、计算修正法当工作端温度为t时，分度表所对应的热电势EAB(t,0)与热电偶实际产生的热电势EAB(t,t0)之间的关系可根据中间温度定律得到下式：,