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1、第七章 热电式传感器第一节 热电偶热电式传感器是一种利用敏感元件的电磁参数随温度变化而变化的特性来测量温度的装 置。在各种热电式传感器中，把温度量转换为电势和电阻的方法最为普遍。其中将温度转换 为电势的热电式传感器叫热电偶温度传感器，将温度转换为电阻值的热电式传感器叫电阻式 温度传感器。金属热电式传感器简称热电阻，半导体式传感器简称热敏电阻。热电式传感器 目前在工业生产中得到了广泛的应用，并且可以选用定型的显示仪表和记录仪来进行显示和 记录。在计算机控制系统中，热电式传感器的输出信号可直接进入I/O卡，进行信号的预处 理、显示和控制。热电偶由于性能稳定、结构简单、制造方便、测温范围宽、热惯性小
2、、准确度高、输出 信号便于远传的特点，在工业和科研领域中得到广泛应用。常用的热电偶,低温可测到-50C, 高温可达至U+1600C。若配用特殊材料，其温度范围可达至O-150C2000C。如图7-1所示， 热电偶温度传感器将被测温度转换成毫伏级热电势，通过连接导线与显示表构成温度检测系 统，从而实现温度的显示、记录和调节。图 7-1 热电偶测温示意图一 热电偶的基本原理1 热电效应1821年，德国物理学家赛贝克(TJSeebeck)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)，发现放在回路中的电流表指针发生偏转。如果用两 盏酒精灯对两个结点同时加热，指针的偏转角反而减
3、小。显然，指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。据此，赛贝克发现和证明了将两种不同性质的导体A、B组成闭合回路，如图7-2所示。 若节点（1）、（2）处于不同的温度（T#T0）时，两者之间将产生一热电势，在回路中形成一定大 小的电流，这种现象称为热电效应。两种不同材料的导体所组成的回路称为“热电偶”，组成 热电偶的导体称为“热电极”，热电偶所产生的电动势称为热电势。热电偶的两个结点中，置 于温度为 T 的被测对象中的结点称之为测量端，又称为工作端或热端；而置于参考温度为 T0的另一结点称之为参考端，又称自由端或冷端。其电势由接触电势（珀尔帖电势
4、）和温差电 势（汤姆逊电势）两部分组成。图 7-2 热电效应示意图（1）接触电势当两种金属接触在一起时，由于不同导体的自由电子密度不同，在结点处就会发生电子 迁移扩散。失去自由电子的金属呈正电位，得到自由电子的金属呈负电位。当扩散达到平衡 时，在两种金属的接触处形成电势，称为接触电势。其大小除与两种金属的性质有关外，还 与结点温度有关。在温度为T时的接触电势：Eab（T）二kT Nlnae NB（7-1）式中， EAB（T）A、B两种金属在温度T时的接触电势；k波尔兹曼常数,k=1.38x10-23（J/K）； e电子电荷，e=1.6x10-i9（C）； NA、NB金属A、B的自由电子密度；T
5、结点处的 绝对温度。（2）温差电势热电回路各电势示意图如图7-3 所示。对于单一金属，如果两端的温度不同，则温度高 端的自由电子向低端迁移，使单一金属两端产生不同的电位，形成电势，称为温差电势。其 大小与金属材料的性质和两端的温差有关，可表示为：E（T,T ）=1 丁& dTA 0T0 A（7-2）式中Ea ST0 ）金属A两端温度分别为T与T0时的温差电势；b A温差系数；T、0高、低温端的绝对温度。TT图7-3热电回路各电势对于图7-3所示A、B两种导体构成的闭合回路，总的温差电势为:E（T,T ）-E（T,T ）=JT（0 -cTA0B0 T A BTo(7-3)于是，回路的总热电势为:
6、E (T, T ) = E (T) - E (T ) + JT GAB0ABAB 0 丁To(7-4)由此可以得出如下结论:如果热电偶两电极的材料相同，即NA=NB，ga=gb，虽然两端温度不同，但闭合回 路的总热电势仍为零。因此，热电偶必须用两种不同材料作热电极。如果热电偶两电极材料不同，而热电偶两端的温度相同，即T=T0，闭合回路中也不产生热电势。在实际测温时，必须在热电偶闭合回路中引入连接导线和仪表。图7-4热电偶连接导线示意图图7-5三导体热电回路2热电偶基本定律（1）中间导体定律设在图7-4的To处断开，接入第三种导体C,如图7-5所示。若三个结点温度均为T0, 则回路中的总热电势为
7、：E （T ）+ E （T ）+ E （T ）= 0AB 0 BC 0 CA 0（7-5）若A、B结点温度为T,其余结点温度为T0，而且TT0，则回路中的总热电势为：E（T,T ）= E （T,0）+ E （T ,0）+ E （T ,0）ABC 0ABBC 0C 0（7-6）由式（7-5）可得:-E （T ）= E （T ）+ E （T ） /AB 0 BC 0 CA 0 （7-7） 将式（7-7）代入式（7-6）可得：E （T,T ）= E （T,0）- E （T ,0）ABC 0 AB AB 0 （7-8）结论：导体A、B组成的热电偶，当引入第三导体时，只要保持其两端温度相同，则 对回路总
8、热电势无影响，这就是中间导体定律。利用这个定律可以将第三导体换成毫伏表 只要保证两个接点温度一致，就可以完成热电势的测量而不影响热电偶的输出。根据这一定 则，可以将热电偶的一个接点）断开接入第三种导体，也可以将热电偶的一种导体断开接入 第三种导体，只要每一种导体的两端温度相同，均不影响回路的总热电动势。在实际测温电 路中，必须有连接导线和显示仪器，若把连接导线和显示仪器看成第三种导体，只要他们的 两端温度相同，则不影响总热电动势。若在热电偶回路中接入多种导体，只要每种导体两端 的温度相同，也可以得到相同的结论。（2）连接导体定律与中间温度定律在热电偶回路中，如图7-4所示，若导体A、B分别与连
9、接导线A、B相接，接点温度 分别为T、二、To，则回路的总热电势为：E（T,T ,T ）= E （T,T ）+ E （T ,T ）ABB An 0 AB nBA n 0（7-9）连接导体定律：回路的总电势等于热电偶电势EAB Tn）与连接导线电势EBA n TQ ） 的代数和。连接导体定律是工业上运用补偿导线进行温度测量的理论基础。中间温度定律：当导体A与A、B与B材料分别相同时，则式（7-9）可写为：E （T,T ,T ）= E （T,T ）+ E （T ,T ）AB n 0 AB nBA n 0（7-10）EAB S T0）回路的总热电势等于EAB S Tn）与EAB n TQ ）的代数和
10、。T称为中间温 度。中间温度定律为制订分度表奠定了理论基础。热电偶的热电势只取决于构成热电偶的两 个电极A、B的材料性质以及A、B两个接点的温度值T、T0，而与温度热电极的分布以 及热电极的尺寸和形状无关。中间温度定律在热电偶测温中应用极为广泛。根据该定律，我们可以在冷端温度为任 一恒定值时，利用热电偶分度表求出工作端的被测温度值。例如，用镍铬一镍硅热电偶测量炉温时，当冷端温度T0=30C时，测得热电势）=39.7mv，求实际炉温。由T0=30C查分度表得E30,0）=1.2mv，根据中间温度定律得：ES0）= E（T，30）+ EgoL 3917 +1? - 40.37阳）。则查表得炉温 t
11、=946Co（3）标准电极定律图 7-6 标准电极定律示意图图 7-6 为标准电极定律示意图。图中 C 为标准电极，接在热电偶 A、B 之间，形成三个热电偶组成的回路。经过推导得：E(T, T )二AB 0E(T, T ) - E(T, T )AC 0 BC 0(7-11)表明标准电极C与各种电极配对时的总热电势为两电极A、B配对后的电势之差。由 于铂的物理和化学性能稳定，熔点高，易提纯，通常采用纯铂丝制成标准电极Co由此可见, 只要知道两种导体分别与标准电极组成热电偶时的热电动势，就可以依据标准电极定律计算 出任意两种导体组成热电偶时的热电动势。从而简化了热电偶的选配工作。二 热电偶的类型及
12、结构1 热电偶的类型常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所谓标准热电偶是指国家标准 规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶。标准热电偶有 与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电 偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。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，共有8种标准化了的通用热电偶。我国标准化热电偶也有8种分别是：铂 铑10铂(分度号为S)、铂铑13铂(R)、铂铑30铂铑6(B)、镍铬一镍硅(K)、镍铬一康铜(E)、 铁一康铜J
13、)、铜-康铜(T)和镍铬硅-镍硅(N)。2 热电偶的结构热电偶的基本结构是热电极，绝缘材料和保护管。热电偶简单分为装配式热电偶，铠 装式热电偶和特殊形式热电偶；按使用环境细分有耐高温热电偶，耐磨热电偶，耐腐热电偶， 耐高压热电偶，隔爆热电偶，铝液测温用热电偶，循环硫化床用热电偶，水泥回转窑炉用热 电偶，阳极焙烧炉用热电偶，高温热风炉用热电偶，汽化炉用热电偶，渗碳炉用热电偶，高 温盐浴炉用热电偶，铜、铁及钢水用热电偶，抗氧化钨铼热电偶，真空炉用热电偶，铂铑热 电偶等。工业热电偶作为测量温度的传感器，通常与显示仪表、记录仪表或计算机等配套使用。可以直接测量各种生产过程中气体、液体、熔体及固体表面的
14、温度。(1) 普通热电偶 普通工业装配式热电偶作为测量温度的感应元件，通常和显示仪表、记录仪表和计算 机控制系统配套使用。它可以直接测量各种生产过程中从0C到1800C范围的液体、蒸汽和 气体介质温度。热电偶通常由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等几个主要部分组成，其 常见外形结构如图7-7 所示。图 7-7 普通热电偶结构示意图1-热电极；2-绝缘套管；3-保护管；4-接线盒；5-接线盒盖 热电极 又称偶丝，它是热电偶的基本组成部分。普通金属做成的偶丝，其直径一般 为0.53.2mm,贵重金属做成的偶丝，直径一般为0.30.6mm。偶丝的长度则由使用情况、 安装条件，特别是工作端在被测介质中
15、插入的深度来决定，通常为3001000m m,常用的 长度为 350mm。 绝缘管 又称绝缘子，它是用于热电极之间及热电极与保护套管之间进行绝缘保护的 零件。形状一般为圆形或椭圆形，中间开有二个、四个或六个孔。偶丝穿孔而过。材料为粘 土质、高铝质、刚玉质等，材料选用视使用的热电偶而定。在室温下，绝缘管的绝缘电阻应 在5MQ以上。 保护套管 它是用来保护热电偶感温元件免受被测介质化学腐蚀和机械损伤的装置。 保护套管应具有耐高温、耐腐蚀的性能，要求导热性能好，气密性好。其材料有金属、非金 属以及金属陶瓷三大类。保护套管的材料选择主要是依据被测介质和使用的环境条件。金属 材料有铝、黄铜、碳钢、不锈钢等，其中lCrl8Ni9Ti不锈钢是目前热电偶保护套管使用的典 型材料。非金属材料有高铝质(85%-90%A1203)、刚玉质(99%A12O3),使用温度都在1300C 以上。金属陶瓷材料如氧化镁加金属钼，这种材料使用温度在1700C，且在高温下有很好 的抗氧化能力，适用于钢水温度的连续测量。形状一般为圆柱形。 接线盒 根据被测量温度的对象及现场环境条件，设计有普通式、防溅式、防水式和
