《传感器与检测技术第八章热电式传感器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器与检测技术第八章热电式传感器（68页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、（优选）传感器与检测技术第八章热电式传感器1页，共68页，星期二。l温标温标 不是温度标准不是温度标准(Temperature Standard)(Temperature Standard)，而是温度标，而是温度标尺尺(Temperature Scale)(Temperature Scale)的简称。的简称。国际上规定的温标有很多种，最常用的是华氏温标国际上规定的温标有很多种，最常用的是华氏温标( (美国美国) )、摄氏温标、热力学温标等。、摄氏温标、热力学温标等。下页下页上页上页返回返回2页，共68页，星期二。温标名称有关规定华氏温标（ ）1714年， Fahrenheit把标准大气压下纯水
2、的沸点和冰点这两个恒定温度作固定点(212 和32 )，这两个温度点之间用水银温度计分成180等份，每等份定为1华氏度()。列氏温标(oR)1731年Raumur提出：水的冰点被定为列氏0度，而沸点则为列氏80度。因为标准浓度的酒精在水的冰点和沸点之间体积从1000单位膨胀到1080单位。 摄氏温标 ()1742年Celsius提出：最初定义“水的冰点定为一百摄氏度，沸点定为零摄氏度，其间分成一百等分，一等分为一摄氏度”。第二年将刻度颠倒过来使用，即当今用法。当前应用最广，ITS-90有专门定义。开氏温标 (K)1854年Kelvin提出：把绝对零度(0K)到水的三相点温度(273.16K)等
3、分为273.16份，每份就是1开氏度。其分度间隔和摄氏温标间隔一致，t(1)=T(1K)。兰氏温标(oR)Rankine 温标是美国工程界使用的一种温标。起点也为绝对零度，水的冰点和沸点分别为491.67和671.67兰氏度(oR) ，中间分成180等分，每一等分为1oR 。下页下页上页上页返回返回3页，共68页，星期二。几种温标间的换算关系摄氏度=5(华氏度-32)/9摄氏度=开氏度-273.15摄氏度=5兰氏度/9-273.15摄氏度=1.25列氏度=华氏度=1.8摄氏度+32华氏度=1.8开氏度-459.67华氏度=兰氏度-459.67华氏度=2.25列氏度+32=开氏度=摄氏度+273
4、.15开氏度=1.25列氏度+273.15开氏度=5(华氏度-32)/9+273.15开氏度=5兰氏度/9下页下页上页上页返回返回4页，共68页，星期二。下页下页上页上页返回返回5页，共68页，星期二。下页下页上页上页返回返回8.1 热电偶热电偶 把两种不同导体或半导体连接成闭合回路，如果将把两种不同导体或半导体连接成闭合回路，如果将它们的两个接点分别置于温度各为它们的两个接点分别置于温度各为T T和和T T0 0（设（设T TT T0 0) )的热的热源中，则在该回路内就会产生热电动势，这种现象称作热电源中，则在该回路内就会产生热电动势，这种现象称作热电效应。效应。由这两种导体的组合并将温度
5、转换成热电势的传感器称由这两种导体的组合并将温度转换成热电势的传感器称为热电偶。为热电偶。图图8-1 8-1 热电效应示意图热电效应示意图6页，共68页，星期二。热电偶作为敏感元件优点为：热电偶作为敏感元件优点为： 结构简单：其主体实际上是由两种不同性质的导体结构简单：其主体实际上是由两种不同性质的导体或半导体互相绝缘并将一端焊接在一起而成的；或半导体互相绝缘并将一端焊接在一起而成的； 具有较高的准确度具有较高的准确度 ； 测量范围宽，常用的热电偶，低温可测到测量范围宽，常用的热电偶，低温可测到-50-50，高，高温可以达到温可以达到16001600左右，配用特殊材料的热电极，最低左右，配用特
6、殊材料的热电极，最低可测到可测到-180-180，最高可达到，最高可达到+2800+2800的温度；的温度； 具有良好的敏感度；具有良好的敏感度； 使用方便。使用方便。下页下页上页上页返回返回7页，共68页，星期二。下页下页上页上页返回返回8.1.1 热电效应热电效应 热电偶产生的热电势称为温差电势热电偶产生的热电势称为温差电势或塞贝克电势，通称热电势。回路中产或塞贝克电势，通称热电势。回路中产生的电流称为热电流，导体生的电流称为热电流，导体A、B称为称为热电极。测温时结点热电极。测温时结点1置于被测的置于被测的温度场中，称为测量端温度场中，称为测量端(工作端、工作端、热端热端)；结点；结点2
7、一般一般处在某一恒定温处在某一恒定温度，称为参考端度，称为参考端(自由端、冷端自由端、冷端)。热电效应（塞贝克效应热电效应（塞贝克效应 Seekbeck 1821 Seekbeck 1821） ：8页，共68页，星期二。下页下页上页上页返回返回 式中式中 k 波尔兹曼常数，为波尔兹曼常数，为1.3810-23 J/K； t 接触处的绝对温度；接触处的绝对温度； e 电子电荷数；电子电荷数； NA、NB 金属金属A、 B在温度为在温度为T时的自由电子密度。时的自由电子密度。图8-2接触电势l接触电势接触电势( (两种导体）两种导体）9页，共68页，星期二。下页下页上页上页返回返回同理可以计算出同
8、理可以计算出A、B两种金属构成回路在温度两种金属构成回路在温度t0端的端的 接触电势为：接触电势为： 但但 与与 方向相反，所以回路的总接触电势方向相反，所以回路的总接触电势 由上式可见，当两结点的温度相同，即由上式可见，当两结点的温度相同，即t=t0 ，回路中总电势，回路中总电势将为零。将为零。10页，共68页，星期二。 含义含义：同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。：同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。l 温差电势温差电势（单一导体）（单一导体）机机理理：高高温温端端的的电电子子能能量量要要比比低低温温端端的的电电子子能能量量大大，从从高高温温端端跑跑到到低低温温端端的
9、的电电子子数数比比从从低低温温端端跑跑到到高高温温端端的的要要多多，结结果果高高温温端端因因失失去去电电子子而而带带正正电电，低低温温端端因因获获得得多多余余的的电电子子而而带带负负电电，在在导导体体两两端端便便形形成成温温差差电电动动势。势。下页下页上页上页返回返回11页，共68页，星期二。热电偶回路中产生的热电偶回路中产生的总热电势总热电势EAB(t, t0)=EAB(t)EB(t,t0)EAB(t0)EA(t,t0)温差电势较小，温差电势较小，忽略忽略，故热电偶的热电势可表示为：，故热电偶的热电势可表示为：下页下页上页上页返回返回12页，共68页，星期二。影响因素取决于材料和接点温度，与
10、形状、尺寸等无关影响因素取决于材料和接点温度，与形状、尺寸等无关两热电极相同时，总电动势为两热电极相同时，总电动势为0两接点温度相同时，总电动势为两接点温度相同时，总电动势为0对对于于已已选选定定的的热热电电偶偶，当当参参考考端端温温度度t0恒恒定定时时，eAB(t0)=c为为常常数数，则则总总的的热电动势就只与温度热电动势就只与温度T成单值函数关系，即成单值函数关系，即 可可见见：只只要要测测出出E EAB（t,t0）的的大大小小，就就能能得得到到被被测测温温度度t，这这就就是是利利用用热电偶测温的原理。热电偶测温的原理。 讨论讨论下页下页上页上页返回返回13页，共68页，星期二。热电偶的分
11、度表不同金属组成的热电偶，温度与热电动势之间有不同的函数不同金属组成的热电偶，温度与热电动势之间有不同的函数关系，一般通过实验的方法来确定，并将不同温度下测得的关系，一般通过实验的方法来确定，并将不同温度下测得的结果列成表格，编制出热电势与温度的对照表，即分度表。结果列成表格，编制出热电势与温度的对照表，即分度表。供查阅使用，每供查阅使用，每1010分档分档 。中间值按内插法计算。中间值按内插法计算。下页下页上页上页返回返回14页，共68页，星期二。S型型(铂铑铂铑10-铂铂)热电偶分度表热电偶分度表 15页，共68页，星期二。8.1.2 热电偶基本规律热电偶基本规律 中间导体定律中间导体定律
12、 下页下页上页上页返回返回图图8-3 具有中间导体的热电偶电路具有中间导体的热电偶电路 在热电偶回路中，只要中间导体两端的温度相同，那么接入中间导体在热电偶回路中，只要中间导体两端的温度相同，那么接入中间导体后，对热电偶回路的总热电势无影响。可用式子表示为：后，对热电偶回路的总热电势无影响。可用式子表示为：16页，共68页，星期二。下页下页上页上页返回返回EABC(t t0, t0)=EAB(t t0)EBC(t0)+ECA(t0) =0对于对于(a)：（1 1）当）当t=t0时，回路总电势为时，回路总电势为0 0，即：，即：（2 2）当当A和和B两点温度分别为两点温度分别为t,t0 且且tt
13、0时：时：EABC(t t, t0)=EAB(t t)EBC(t0)+ECA(t0) =0由由 EBC(t0)+ECA(t0) = EAB(t0)EABC(t, t0)=EAB(t) EAB(t0) = EAB(t, t0)故故17页，共68页，星期二。EABC(t t, t0)=EAB(t)eBC(t1)+eCB(t1) + E EBABA( (t t0 0) )对于对于(b)：回路总电势为：回路总电势为：由于由于EBC( (t t1)=-)=-E ECB( (t t1) )EABC(t, t0)=EAB(t) EAB(t0) = EAB(t, t0)故故下页下页上页上页返回返回18页，共6
14、8页，星期二。例：测量仪表及引线作为第三种导体的热电偶回路例：测量仪表及引线作为第三种导体的热电偶回路 利利用用热热电电偶偶进进行行测测温温，必必须须在在回回路路中中引引入入连连接接导导线线和和仪仪表表，接接入入导线和仪表后不会影响回路中的热电势。导线和仪表后不会影响回路中的热电势。应用应用下页下页上页上页返回返回19页，共68页，星期二。中间温度定律中间温度定律EAB(t,t0)=EAB(t,tc)+EAB(tc,t0) 在在热热电电偶偶测测温温回回路路中中，tc为为热热电电极极上上某某一一点点的的温温度度，热热电电偶偶AB在在接接点点温温度度为为t、t0时时的的热热电电势势EAB(t, t
15、0)等等于于热热电电偶偶AB在在接接点点温温度度t、tc和和tc、t0时时的的热热电电势势EAB(t, tc)和和EAB(tc, t0)的的代代数数和，即和，即 下页下页上页上页返回返回20页，共68页，星期二。应用应用l 根根据据这这个个定定律律，可可以以连连接接与与热热电电偶偶热热电电特特性性相相近近的的导导体体A A和和B B ，将将热热电电偶偶冷冷端端延延伸伸到到温温度度恒恒定定的的地地方方，这这就就为为热热电电偶偶回回路路中中应应用用补偿导线补偿导线提供了理论依据。提供了理论依据。l 该该定定律律是是参参考考端端温温度度计计算算修修正正法法的的理理论论依依据据。在在实实际际热热电电偶
16、偶测测温温回回路路中中, , 利利用用热热电电偶偶这这一一性性质质, , 可可对对参参考考端端温温度度不不为为00的的热电势进行修正。热电势进行修正。下页下页上页上页返回返回21页，共68页，星期二。标准导体（电极）定律标准导体（电极）定律下页下页上页上页返回返回22页，共68页，星期二。通常选用高纯铂丝作标准电极。通常选用高纯铂丝作标准电极。只要测得它与各种金属组成的热电偶的热电动势，则各种只要测得它与各种金属组成的热电偶的热电动势，则各种金属间相互组合成热电偶的热电动势就可根据标准电极定金属间相互组合成热电偶的热电动势就可根据标准电极定律计算出来。律计算出来。 应用应用【例例】热端为热端为100，冷端为，冷端为0时，镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电时，镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为动势为2.95mV，而考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为，而考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为4.0mV，则，则镍铬和考铜组成的热电偶所产生的热电动势应为：镍铬和考铜组成的热电偶所产生的热电动势应为： =2.95(4.0)=6.95(mV)下页下页上页上页返回返回23页，共68页，星期二。均质导体
