热电式传感器

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1、第第7章章热电式传感器热电式传感器2009.11教学基本要求和重点教学基本要求和重点n掌握有关热电偶的基本概念n掌握热电偶传感器的工作原理n掌握热电偶的基本定律、基本类型、温度补偿方法、使用热电偶的测温方法概述概述 热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置。 将温度转换为电势的热电式传感器称作热电偶。 热电偶是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。 特点：特点： 结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号便于远距离传输或信号转换。 热电偶是一种有源传感器，测量时不需外加电源，使用十分方便，还能用来测量流体的温度、测量固体以及固体表面的温度。微型热电偶还可用于快速及动态

2、温度的测量。7.1 7.1 热电偶的工作原理热电偶的工作原理一、热电效应一、热电效应 两种不同材料的导体（或半导体）组成一个闭合回路，将它们的两个节点分别置于温度为T及T0（TT0）的热源中，则在该回路中就会产生热电动势（简称热电势），用eAB(T,T0)表示，这种现象称作热电效应。 热电偶回路热电偶回路 热电偶测温系统简图 热电偶两种导体或半导体的组合。热电极A和B;热端（测量端或工作端,T）;冷端（参考端或自由端,TO）n回路中所产生的电动势，叫热电势。n热电势组成温差电势和接触电势温差电势和接触电势。热电偶原理图TT0AB热端冷端（一）接触电势（一）接触电势含含义义：由于两种不同导体的自

3、由电子密度不同,而在接触处形成的电动势。ABeAB(T)机理：机理：接触面上自由电子密度不同发生电子扩散；电子扩散速率与两导体的电子密度有关，并和接触区的温度成正比。 若nAnB,则在接触面上由A扩散到B的电子比由B扩散到A的电子数多。导体A失去电子带正电荷，导体B获得电子而带负荷，在A,B的接触面便形成一个从A到B的静电场。 这个电场阻碍了电子的继续扩散，当达到动态平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电势。 （一）接触电势（一）接触电势两接点的接触电势eAB(T)和eAB（T0）可表示为eAB(T ),eAB(T0),导体A、B节点在温度T 和T0时形成的接触电动势；e电子电荷， e

4、 =1.610-19C； K波尔兹曼常数， K=1.3810-23 J/K ；NAT、NBT 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。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。 (二)温差电势温差电势AeA(T,To)ToT温差电势原理图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/。 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。大小表示：大小表示： (二)温差电动势温

5、差电动势机机理理：高温端的电子能量要比低温端的电子能量大，因而从高温端向低温端扩散的电子数比从低温端扩散到高温端的要多，结果高温端因失去电子而带正电， 低温端因获得电子而带负电，从而形成一个静电场。该电场阻碍了电子的继续扩散，当达到动态平衡时，在导体两端便形成温差电动势。（三）热电偶回路中产生的总热电势（三）热电偶回路中产生的总热电势 NAT、NAT0导体A在节点温度为T和T0时的电子密度(m-3) ； NBT、NBT0导体B在节点温度为T和T0时的电子密度(m-3)；A 、B导体A和B的汤姆逊系数（V/）。(1)影响因素取决于材料和接点温度，与形状、尺寸等无关。(2)两热电极材料相同时，nA

6、=nB,A = B ,即使温度不同,总电动势为0。（3）如果两电极材料不同，两接点温度相同时，总电动势为0。（4）只只有有当当热热电电偶偶两两端端温温度度不不同同,热热电电偶偶的的两两导导体体材材料料不不同同时时才才能能有有热电势产生热电势产生。分分析析 可可见见：只只要要测测出出EAB（T,T0）的的大大小小，就就能能得得到到被测温度被测温度T，这就是利用热电偶测温的原理。，这就是利用热电偶测温的原理。 由于温差电势很小，可略去。因此回路的电势为:（5）对于已选定的热电偶，当参考端温度T0恒定时，eAB(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 EAB(T,T0)=eA

7、B(T)c=f(T) c分分析析（二）（二） 热电偶基本定律热电偶基本定律1.1.中间导体定律中间导体定律 在热电偶测温回路内，接入第三种导体时，只要第三种导体的两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响。BTCBTCB1t1t（a)（b)T0T0AA假设，三个节点温度相同，均为假设，三个节点温度相同，均为T0而而所以所以即即将将(2)式代入式代入(1)式得式得即：导体即：导体C C的引入，并不改变的引入，并不改变A,BA,B热电偶的热电势输出。热电偶的热电势输出。 l）将第三种材料C接入由A、B组成的热电偶回路，图a中的A、C接点2与C、A的接点3，均处于相同温度T0之中，此回路的总电势不变，

8、即同理，图b中C、A接点2与C、B的接点3，同处于温度T0之中，此回路的电势也为：两点结论：两点结论：EAB(T1,T2)=eAB(T1)-eAB（T2）EAB（T1, T2）=eAB（T1）-eAB（T2）23T0T2T1AaBC23EABaAT0ABEABT1T2 CT0(a)(b)T0第三种材料接入热电偶回路图 利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线和仪表，接入导线和仪表后不会影响回路中的热电势。T1电位计接入热电偶回路ET0T1TET0T0T 应用应用2.标准电极定律标准电极定律T0TEAB(T,T0)BAT0TEAC(T,T0)ACT0TECB(T,T0)CB当节点温度为当节点

9、温度为T,T0时，用导体时，用导体A,B组成的热电偶产生组成的热电偶产生的热电势等于的热电势等于A,C热电势和热电势和C,B热电势的代数和。热电势的代数和。 EAB（T, T0）= EAC（T, T0）+ ECB（T, T0）证明：证明：所以所以标准导体定律的意义标准导体定律的意义n通常选用高纯铂丝作标准电极n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律计算出来。 例例已知某特定条件下材料A与铂配对的热电动势为13.967mv，材料B与铂配对的热电动势为8.345mv，求在此特定条件下材料A与材料B配对后的热电动势.【解解】:可将铂材料

10、看成是中间导体材料可将铂材料看成是中间导体材料C C。则根据中间导体。则根据中间导体 定律：定律：EAB（T,T0）=EAC（T,T0）+ECB（T,T0）=EAC（T,T0）EBC（T, T0）=13.967-8.345=5.622mv3.连接导体定律与中间温度定律连接导体定律与中间温度定律 在热电偶回路中，若导体A,B分别与导体A,B相连，节点温度分别为T,Tn,T0,则回路的总电势为TAABBTnTnT0当导体A与A，导体B与B材料分别相同时，上式可写为Tn称为中间温度。 中间温度定律为制定热电势分度表奠定了理论基础。中间温度定律为制定热电势分度表奠定了理论基础。只要求得参考温度为只要求

11、得参考温度为0时的热电势与温度的关系，就时的热电势与温度的关系，就可利用上式求出参考温度不等于可利用上式求出参考温度不等于0时的热电势。时的热电势。均质导体定律均质导体定律 由两种均质导体组成的热电偶，其热电动势的大小只与两材料及两接点温度有关，与热电偶的大小尺寸、形状及沿电极各处的温度分布无关。即热电偶必须由两种不同性质的均质材料构成。 意义：意义：有助于检验两个热电极材料成分是否相同及材料的均匀性。 7.27.2常用热电偶材料与结构常用热电偶材料与结构对热电偶材料的基本要求：对热电偶材料的基本要求： 物理性能稳定，热电特性不随时间改变； 化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐蚀； 热

12、电势高，热电势与温度呈线性或近似单值函数关系，且导电率高，且电阻温度系数小； 便于制造； 复现性好，便于成批生产。目前工业上常用的标准热电偶有四种目前工业上常用的标准热电偶有四种1.铂铑10-铂(S型）2.镍铬-考铜(E型)3.镍铬-镍硅（铝）(K型)4.铂铑30-铂铑6（B型）热热电电偶偶型型号号命命名名方方法法一、热电偶常用材料一、热电偶常用材料 1铂铑铂铑铂热电偶铂热电偶(S型型) 工业用热电偶丝：0.5mm，实验室用可更细些。正极：铂铑合金丝,用90铂和10铑(重量比)冶炼而成。负极：铂丝。 测量温度：长期：1300、短期：1600。 应用：精密温度测量和作标准热电偶。 缺点: 热电势

13、小，系贵重金属，成本高。 2 2镍铬镍铬镍硅热电偶镍硅热电偶(K(K型型) ) 工业用热电偶丝： 1.22.5mm，实验室用可细些。正极：镍铬合金(用88.489.7镍、910铬，0.6硅，0.3锰，0.40.7钴冶炼而成)。负极：镍硅合金(用95.797镍,23硅,0.40.7钴冶炼而成)。测量温度：长期900，短期1300。特点特点： 价格比较便宜，在工业上广泛应用。 高温下抗氧化能力强，在还原性气体和含有SO2，H2S等气体中易被侵蚀。 复现性好，热电势大。3镍铬镍铬考铜热电偶考铜热电偶(E型型) 工业用热电偶丝:1.22mm，实验室用可更细些。正极：镍铬合金负极：考铜合金（用56铜，4

14、4镍冶炼而成）。测量温度：长期600，短期800。特点特点： 价格比较便宜，工业上广泛应用。 在常用热电偶中它产生的热电势最大。 气体硫化物对热电偶有腐蚀作用。考铜易氧化变质，适于在还原性或中性介质中使用。4 4铂铑铂铑3030铂铑铂铑6 6热电偶热电偶(B(B型型) ) 正极：铂铑30合金（用70铂，30铑冶炼而成）。负极：铂铑6合金（用94铂，6铑冶炼而成）。测量温度：长期可到1600，短期可达1800。特点特点： 材料性能稳定，测量精度高。 还原性气体中易被侵蚀。应用于氧化性或中型介质中使用。 输出温热电势小，成本高。 冷端温度在50以下可不加补偿。 5.5.铜康铜热电偶铜康铜热电偶(T

15、)(T)正极：铜负极：康铜（铜55，镍45）；属于非标准分度热电偶。测量温度：-200200应用：实验室和科研场所。特点：低温下有较好的稳定性。复制性差，做出的各种铜康铜热电偶的热电势也不一致。6.钨铼钨铼5钨铼钨铼20热电偶热电偶正极：钨铼5（W:95%,Re:5%）；负极：钨铼20；测量温度：3002000;精度：10；特点：可在氢气中连续使用100h,真空中使用8h。热电偶分度表热电偶分度表 在实际使用热电偶中，编制出了针对各种热电偶的热电势与温度对照表，称为分度表。 温度按100分档，其中间温度值可按内差值法计算。 表中均按参考端温度为0 的条件取值。 根据对照表，测出热电势根据对照表

16、，测出热电势V，查表可求得，查表可求得T,但是参但是参考端是以考端是以0为基础的。为基础的。 若参考端温度不为若参考端温度不为0，如其它温度，如其它温度Tx,则首先测出两则首先测出两点间的电势点间的电势Ex,再加上低温端的电势再加上低温端的电势E0,根据总电势根据总电势ExE0，求温度，求温度T=Tx+T0。（二）热电偶的结构（二）热电偶的结构1.热电极热电极 其直径0.350.65细导线（贵金属热电偶） 2.2.绝缘套管绝缘套管 防止热电偶的两个电极之间短路。3.3.保护管保护管 防止热电偶直接和被测介质接触，避免各种有害气体和物质的侵害。同时，还可以避免火焰和气流的直接冲击作用。使热电偶有

17、较长的使用寿命和保证测量的准确度。4.4.接线盒接线盒 供热电偶和测量仪表之间的连接用，多采用铝合金制成。0.53.2非贵金属热电偶结构示意图1接线盒；2保护套管; 3绝缘套管;4热电偶丝1234接线盒接线盒热电极热电极热端热端绝缘管绝缘管保护管保护管（1 1）普通型热电偶结构）普通型热电偶结构 优优点点：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。 （2）铠装型热电偶）铠装型热电偶（3）薄膜热电偶）薄膜热电偶 特特点点：热接点可以做得很小（m），具有热容量小、反应速度快（s）等特点，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。 常见普通工业装配式热电偶

18、的外形结构 常见铠装型工业装配式热电偶的外形结构 7.3热电偶冷端温度补偿热电偶冷端温度补偿 当热端温度为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： eAB(t,0)= eAB(t,t0)+eAB(t0，0) 由此可见，eAB(t0，0)是冷端温度t0的函数，因此需要对热电偶冷端温度进行补偿。 补偿的方法补偿的方法补偿导线法补偿导线法计算修正法计算修正法水浴法（冰点槽法）水浴法（冰点槽法）补偿电桥法补偿电桥法软件处理法软件处理法 热电偶做得较短， 一般为3502000mm。 在实际测温时，需要把热电偶输出的电势信号传

19、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。 (1) (1) 热电偶补偿导线热电偶补偿导线 解解决决办办法法：工程中采用一种补偿导线。将热电偶的冷端延伸出来。在0100温度范围内，要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性。 显示仪表tABAB冷端t0t0图中，A,B为补偿导线，t0为原冷端温度；t0为新冷端温度。补偿基于连接导体定律补偿基于连接导体定律EABBA(t,t0,t0)=EAB(t,t0)+EAB(t0,t0)所以，只要对冷端温度EAB(t0,t0)进行标定（分度），然后，测出EABBA(t,t0,t0)的电势差，就可求出EAB(t,t0)。

20、补偿材料A,B一般选用较接近的材料，对于低端热电偶可采用本身的材料作为补偿导体。分度号补偿导线100C时的热电势/ mV代号正极负极材料颜色材料颜色SSC铜红镍铜绿0.647KKC铜红康铜蓝4.10KKX镍铬红镍硅黑EEX镍铬红康铜棕6.319JJX铁红康铜紫5.264TTX铜红康铜白4.279 由于热电偶的分度是在冷端温度保持在0 的情况下得到的。当冷端温度t0不等于0时，在冷端有电势输出，此时实际测量的热电势小于该热电偶的分度值，需要对热电偶回路的测量电势值eAB（t，t0）加以修正。当工作端温度为t时，由分度表可查eAB(t,0)与eAB(t0,0)。 根据中间温度定律得到： eAB(t

21、,0)= eAB(t,t0)+eAB(t0，0) (2) (2) 冷端温度修正法冷端温度修正法 例例 用镍铬-镍硅热电偶测量加热炉温度。已知冷端温度t0=30，测得热电势eAB（t，t0）为33.29mV, 求加热炉温度。 解解 ： 查 镍 铬 -镍 硅 热 电 偶 分 度 表 得 eAB（ 30，0）=1.203 mV。 可得 eAB（t，0）= eAB(t,t0)+eAB(t0,0)=33.29+1.203=34.493mV由镍铬-镍硅热电偶分度表得t=829.8。 3 3、冷端、冷端00恒温法恒温法 在实验室及精密测量中，通常把冷端放入0恒温器或装满冰水混合物的容器中，以便冷端温度保持0

22、。 这是一种理想的补偿方法，但工业中使用极为不便。 (4)冷端温度自动补偿法（电桥补偿法）冷端温度自动补偿法（电桥补偿法） 在电桥的四个桥臂中，有一个铜电阻Rcu,铜的电阻温度系数较大，阻值随温度的升高（降低）而变大（小），其余三个臂由阻值恒定的锰铜电阻组成。铜电阻和热电偶冷端靠近，处于同一温度。，设计时，使在20时：Rcu=R1=R2=R3温度升高时温度升高时，EABUABT05.软件处理法软件处理法n 对于计算机系统，不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。例如冷端温度恒定但不为0的情况，只需在采样后加一个与冷端温度对应的常数即可。n 对于T0经常波动的情况，可利用热敏电阻或其它传感器把T0信号输

23、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，对于提高多点巡回检测的速度很有利。热电偶典型测温线路(a)普通测温线路； (b) 带有补偿器的测温线路；(b)(c) 具有温度变送器的测温线路； (d) 具有一体化温度变送器的测温线路 热电偶测温线路热电偶测温线路测量某一点的温度测量某一点的温度 特殊情况下，热电偶可以串联或并联使用，但只能是同一分度号

24、的热电偶，且冷端应在同一温度下。如热电偶正向串联， 可获得较大的热电势输出和提高灵敏度；在测量两点温差时，可采用热电偶反向串联；利用热电偶并联可以测量平均温度。测量两点间温度差（反向串联）测量两点间温度差（反向串联）TO测量多点平均温度（并联或正向串联）测量多点平均温度（并联或正向串联） 优点：热电动势大，仪表的灵敏度大大增加，且避免了热电偶并联线路存在的缺点，可立即可以发现有断路。缺点：只要有一支热电偶断路，整个测温系统将停止工作。ET=(E1+E2+E3)特点：当有一只热电偶烧断时，难以觉察出来。当然，它也不会中断整个测温系统的工作。ET=1/3(E1+E2+E3)作业：作业：P1237-1, 7-2,7-3,7-5,7-6,7-7,7-8,7-9