第十章热电式传感器

1、第十章热电式传感器 第十章 热电式传感器 温度是表征物体冷热程度的物理量。它反 映物体内部各分子运动平均动能的大小。 温度可以利用物体的某些物理性质（电阻、 电势、等）随着温度变化的特征进行测量。 测量方法按作用原理分接触式和非接触式。 接触式传感器接触温度场，二者进行热交换。 （热电偶、热电阻温度传感器）。 第十章热电式传感器 测温范围在-2501800度，适用于远距离多点 测量。 非接触式测温方法是应用物体的热辐射能量随 温度的变化而变化的原理。物体辐射能量的大小与 温度有关, 当选择合适的接收检测装置时, 便可测得 被测对象发出的热辐射能量并且转换成可测量和显 示的各种信号, 实现温度的

2、测量。这类测温方法的 温度传感器主要有光电高温传感器、红外辐射温度 传感器、光纤高温传感器等。测量范围6006000度。 第十章热电式传感器 第一节第一节 热电偶传感器热电偶传感器 热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器。 它构造 简单, 使用方便, 具有较高的准确度、稳定性及复现性, 温度测量范围宽, 在温度测量中占有重要的地位。 一、热电偶工作原理一、热电偶工作原理 1.热电效应热电效应 两种不同材料的导体或半导体连成闭合回路，两个接 点分别置于温度为T和T0的热源中，该回路内会产生热 电势。热电势的大小反映两个接点温度差，保持T0不 变，热电势随着温度T变化而变化。测得热电势的值， 即可知

3、道温度T的大小。 第十章热电式传感器 两种不同的导体（或半导体）组成一个闭合回路, 在闭合回路中，A、B导体称为热电极。T端结点称 为工作端或热端；T0端结点称为冷端或自由端。 产生的热电势由两部分组成产生的热电势由两部分组成: 温差电势和接触电势温差电势和接触电势 第十章热电式传感器 (1)接触电势 产生原因：由于两种不同导体的自由电子密度不产生原因：由于两种不同导体的自由电子密度不 同而在接触处形成的电动势。同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, （NANB,A到B）在接触处失去电子的一侧带正 电, 得到电子的一侧带负电, 形成稳定的接触电

4、势。 接触电势的数值取决于两种不同导体的性质和接接触电势的数值取决于两种不同导体的性质和接 触点的温度。触点的温度。 第十章热电式传感器 式中: K波尔兹曼常数; e单位电荷电量; NAT、NBT和NAT0、NBT0分别在温度为T和T0时, 导 体A、B的自由电子密度。 两接点的接触电势 和 可表示为 0 0 0 0 ()ln AT AB BT N KT eT eN ()ln AT AB BT N KT eT eN () AB eT 0 () AB eT 第十章热电式传感器 （2）同一导体温差电势）同一导体温差电势 同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势同一导体的两端因其温度不同而产生的

5、一种热电势。 同一导体的两端温度不同时, 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, 形成一个静电场，该静电场阻止电子 继续向低温端迁移，最后达到动态平衡。因此, 在 导体两端便形成温差电势, 其大小由下面公式给出: 第十章热电式传感器 0 0 ( ,) T AA T e T TdT 温差电动势： 热电偶回路中总的热电势应是接触电势与温差电势之和热电偶回路中总的热电势应是接触电势与温差电势之和 AB(T, T0)=eAB(T) -eAB(T0) +eB(T, T0

6、) -eA(T, T0) 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。 0 0 0 0 lnln() T ATAT BA T BTBT NN KTKT dT eNeN 第十章热电式传感器 在总热电势中, 温差电势比接触电势小很多, 在精度 要求不高的情况下, 热电偶的热电势可近似表示为： AB(T, T0) eAB(T) -eAB(T0) 对于已选定的热电偶, 当参考端温度T0恒定时, eAB(T0) 为常 数, 则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系, 即 AB(T, T0) =EAB(T)-c=f(T) 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

7、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作端温度之间的数值对应关系。 第十章热电式传感器 热电偶回路的几点结论热电偶回路的几点结论： 如果构成热电偶的两个热电极为材料相同的均质导体， 则无论两结点温度如何，热电偶回路内的总热电势为零。 必须采用两种不同的材料作为热电极。 如果热电偶两结点温度相等，热电偶回路内的总电 势亦为零。 热电偶AB的热电势与A、B材料的中间温度无关，只 与结点温度有关。 第十章热电式传感器 2. 热电偶基本定律热电偶基本定律 （1） 中间导体定律中间导体定律 利用热电偶进行测温, 必须在回路中引入连接导线和仪表, 接入导线和仪表后会不会影响回路中

8、的热电势呢？中间导体定 律说明, 在热电偶测温回路内在热电偶测温回路内, 接入第三种导体接入第三种导体, 只要其两端温只要其两端温 度相同度相同, 则对回路的总热电势没有影响。则对回路的总热电势没有影响。 接入第三种导体回路如图 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 第十章热电式传感器 EABC(T,T0)=eAB(T)+eBC(T0)+eCA(T0) （1） 当T= T0 时, 有 EABC(T0)=eAB(T0 )+eBC(T0)+eCA(T0) =0 由此得eAB(T0 )eBC(T0)eCA(T0) =0 代入（1）式 (T, T0)

9、=eAB(T)-eAB(T0)=eAB(T, T0) 同理, 加入第四、第五种导体后, 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。 第十章热电式传感器 （2）参考电极定律）参考电极定律 当结点温度为T, T0时，用导体A，B组成的热电偶的热电 动势等于AC热电偶和CB热电偶的热电动势的代数和。 000 ( ,)( ,)( ,) ABACCB ET TET TET T 证明过程为今天作业 第十章热电式传感器 参考电极的实用价值在于：它可大大简化热 电偶的选配工作。实际测温中，只要获得有关热 电极与参考电极配对时的热电势值，那么任何两 种热电极配对时的热电势均可按公式而无需再逐

10、个去测定。 用作参考电极(标准电极)的材料，目前主要 为纯铂丝材，因为铂的熔点高，易提纯，且在 高温与常温时的物理、化学性能都比较稳定。 第十章热电式传感器 (3)中间温度定律中间温度定律 热电偶AB在接点温度为 、 )(),(),( 00 TTETTETTE CABCABAB C T 0 T 中间温度为 T 该定律是参考端温度计算修正法的理 论依据。 在实际热电偶测温回路中,利用热 电偶这一性质,可对参考端温度不为0的 热电势进行修正。 第十章热电式传感器 二、常用热电偶二、常用热电偶 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

11、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。 实际上并非所有材料都能满足上述要求。 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, 具有统一的分度表。 我国从1988年开始采 用IEC标准生产热电偶。表11-1 为我国采用的几种热电偶的主 要性能和特点。 第十章热电式传感器 目前工业上常用的有四种标准化热电偶 1.铂铑10铂热电偶 2.镍

12、铬镍硅热电偶 3.镍铬考铜热电偶 4.钨铼5钨铼20热电偶 第十章热电式传感器 三、三、 热电偶的结构形式热电偶的结构形式 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 第十章热电式传感器 (2)铠装热电偶铠装热电偶 铠装热电偶又称套管热电偶。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, 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

13、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。 第十章热电式传感器 (3)薄膜热电偶薄膜热电偶 薄膜热电偶是由两种薄膜热电极材料, 用真空蒸 镀、 化学凃层等办法蒸镀到绝缘基板上面制成的一 种特殊热电偶, 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 等的特点, 热相应时间达到微秒级, 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。 第十章热电式传感器 四四.热电偶温度补偿方法热电偶温度补偿方法 从热电偶测温基本公式可以看到, 对某一种热电偶 来说热电偶产生的热电势只与工作端温度t和自由端温 度t0有关,

14、 即: EAB(t, t0)=e AB(t)-eAB(t0) 热电偶的分度表是以t0=0作为基准进行分度的, 而在实际使用过程中, 参考端温度往往不为0, 那么 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: EAB(t, 0)= EAB(t, t0)+ EAB(t0, 0) 第十章热电式传感器 由此可见, EAB(t, 0) 是参考端温度t0的函数, 因此需要 对热电偶参考端温度进行处理。 (1)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的控制 室里的显示

15、仪表或控制仪表, 这样参考端温度t0 也比较稳定。热电偶一般做得较短 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, 它通常由两种不同性质的廉价金属导线制 成, 而且在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。 第十章热电式传感器 (2)参考端温度修正法采用补偿导线可使热电偶的参考端 延伸到温度比较稳定的地方, 但只要参考端温度不等于0, 需要对热电偶回路的电势值加以修正, 修正值为EAB(t0 , 0)。 经修正后的实际热电势, 可由分度表中查出被测实际温度值 (3)参考端0恒温法 在实验室及精密测量中, 通常把参考 端放入装满冰水混合物的容器中,

16、以便参考端温度保持0, 这种方法又称冰浴法。 (4)参考端温度自动补偿法（补偿电桥法补偿电桥法） 补偿电桥法 是利用不平衡电桥产生的不平衡电压作为补偿信号, 来自动 补偿热电偶测量过程中因参考端温度不为0或变化而引起 热电势的变化值。 第十章热电式传感器 不平衡电桥由三个电阻温度系数较小的锰铜丝绕制 的电阻R1、 R2 、R3、电阻温度系数较大的铜丝绕制的电 阻RCU 和稳压电源组成。 补偿电桥法补偿电桥法 第十章热电式传感器 补偿原理：将带有铜热电阻的补偿电桥与被 补偿的热电偶串联，铜与热电偶的冷端置于 同一温度场。室温时，电桥输出为零，当冷 端温度变化时，铜电阻阻值变化造成电桥不 平衡输出

17、。此不平衡输出电压对热电偶输出 变化有抵消作用。 第十章热电式传感器 五五 热电偶测温线路热电偶测温线路 热电偶测温时, 它可以直接与显示仪表（如电子电位差 计、 数字表等）配套使用, 也可与温度变送器配套, 转换成标 准电流信号, 下图 为典型的热电偶测温线路。 第十章热电式传感器 如用一台显示仪表显示多点温度时, 可按下图 连接, 这 样可节约显示仪表和补偿导线。 第十章热电式传感器 特殊情况下, 热电偶可以串联或并联使用, 但只能是同 一分度号的热电偶, 且参考端应在同一温度下。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

18、偶并联 可以测量平均温度。 第十章热电式传感器 （1）、单点温度测量 第十章热电式传感器 （2）、测量两点的温度差 用两只相同型号的热电偶，配用相同的补偿导线， 反向串联。产生热电势为 ET=EAB（T1，T0）EAB（T2，T0） 显示仪表 C B A D BA T2T1 T0T0 C 第十章热电式传感器 （3）、测量平均温度 用几只型号特性相同的热电偶并联在一起。 仪表 R1 E1 R2R3 E2E3 T2T1T3 T0 ET )( 3 1 321 EEEET 第十章热电式传感器 例 用镍铬一镍硅热电偶测炉温时，其冷端温度 to30 ，在直流电位差计上测得的电动势 EAB(t,30)=38

19、500mV，求炉温为多少? 镍铬一镍硅热电偶分度表（自由端温度为0 ） 第十章热电式传感器 第十章热电式传感器 解：查镍铬一镍硅热电偶K分度表得： (30,0)1.203 AB EmV 根据中间温度定律得： ( ,0)( ,30)(30,0) ABABAB EtEtE 38.500 1.203 39.703mV 查镍铬一镍硅热电偶K分度表得： 960t 第十章热电式传感器 第二节 热电阻传感器 一、概述一、概述 热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻 值随温度变化而变化的原理进行测温的。 优点：测量精度高； 有较大的测量范围；200500 易于使用在自动测量和远距离测量中 第十章热电式传感器 分

20、类分类 热电阻传感器分为金属热电阻和半导体热电阻两大 类, 一般把金属热电阻称为热电阻, 而把半导体热电 阻称为热敏电阻。 二、热电阻材料和 常用热电阻 用于制造热电阻的材料应具有尽可能大和 稳定的电阻温度系数和电阻率, R-t 关系最好成 线性, 物理化学性能稳定, 复现性好等。 目前最 常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。 第十章热电式传感器 (1)铂热电阻 热电特性 铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠, 所 以在温度传感器中得到了广泛应用。按IEC标准, 铂 热电阻的使用温度范围为-200+850。 铂热电阻的特性方程为 在-2000的温度范围内: 23 01 (100) t RR

21、AtBtC tt 第十章热电式传感器 在0850的温度范围内: 2 0(1 ) t RRAtBt 式中Rt和R0分别为t和0时铂电阻值; A、 B和C为常数。 热电阻在温度t时的电阻值与R0 有关。目前我 国规定工业用铂热电阻有R0=10和R0=100两种, 它们的分度号分别为Pt10和Pt100, 其中以Pt100为常 用。铂热电阻不同分度号亦有相应分度表, 即Rt-t 的关系表, 这样在实际测量中, 只要测得热电阻的 阻值Rt, 便可从分度表上查出对应的温度值。 第十章热电式传感器 (2)铜热电阻 由于铂是贵重金属, 因此, 在一些测量精度要求 不高且温度较低的场合, 可采用铜热电阻进行测温, 它的测量范围为-50+150。 铜热电阻在测量范围内其电阻值与温度的关系 几乎是线性的, 可近似地表示为: Rt=R0（