传感器与检测技术 第七章 热电式传感器

1、第7章 热电式传感器1基本要求：7-1了解热电效应及热电偶结构；7-2掌握常用热电偶的型号特点及选用方法。7-3了解冷端延长的方法及补偿导线的用途；7-4掌握计算修正法；7-5掌握热电偶与控温仪表及用电设备之间的接线。重点：冷端延长的方法及补偿导线的用途难点：热电偶与控温仪表及用电设备之间的接线第7章 热电式传感器2 图7-1所示的热电偶回路中所产生的热电势由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势所组成。图7-1 热电效应原理图7-1 热电偶一、热电效应第7章 热电式传感器3 (一)接触电势所有金属中都有大量自由电子，而不同的金属材料其自由电子密度不同。当两种不同的金属导体接触时，在接触面上因

2、自由电子密度不同而发生电子扩散。第7章 热电式传感器4 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，其大小可以表示为 (7-1)式中 eAB(T)导体A和B的接点在温度T时形成的接触 电势； e电子电荷，e=1.610-19 C； K玻耳兹曼常数，K=1.3810-23 J/K。图7-2 接触电势AABB( )lnnKTeTen第7章 热电式传感器5 (二)温差电势 由于导体内自由电子在高温端具有较大的动能，因而向低温端扩散，结果高温端因失去电子而带正电荷，低温端因得到电子而带负电荷，从而形成一个静电场，如图7-3所示。图7-3 温差电势第7章 热

3、电式传感器6式中eA(T,T0)导体A两端温度为T、T0时形成的温差电 势；汤姆逊系数，表示单一导体两端温度差为1 时 所产生的温差电势，其值与材料性质及两端温度 有关。第7章 热电式传感器7 (三)热电偶回路热电势对于由导体A、B组成的热电偶闭合回路，当温度 T T0，nAnB时，闭合回路总的热电势为EAB(T，T0)，如图7-4所示。并可用下式表示 或者AB0ABAB0A0B0( ,)( )() ( ,)( ,)ET TeTeTeT Te T T 000A0AAB0BABB( ,)lnln()dTTTTTTnKTnKTET TTenen(7-3)(7-4)第7章 热电式传感器8式中 导体A

4、在接点温度为T和T0时的 电子密度； 导体B在接点温度为T和T0时的 电子密度； 导体A和B的汤姆逊系数。由此可以得出如下结论：如果热电偶两电极材料相同，即nA=nB， ，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为热电极；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。0BB,TTnn0AA,TTnnAB,AB第7章 热电式传感器9上式可以近似改变为(7-5)AB0ABAB0( ,)( )-()ET TeTeTABBA0( )()eTeT第7章 热电式传感器10 二、热电偶基本定律 (一)中间导体定律 在图7-5所示的

5、热电偶中，回路总电势为00ABC0ABBC0CA0AB( ,)( )()()-ddTTTTET TeTeTeTTT0ABBC0CA0BA( )()()()dTTeTeTeTT图7-5 中间导体定律第7章 热电式传感器11如果设三个接点温度相等均为T0，则有而所以或将(7-8)式代入(7-7)式则有 (7-9)式即为中间导体定律表达式。 0ABC0AB0BC0CA0BA( ,)()()()(-)d0TTET TeTeTeTT00BA(-)d0TTTAB0BC0CA0()()()0eTeTeTAB0BC0CA0-()()()eTeTeT0ABC0ABAB0BAAB0( ,)( )-()(-)d(

6、,)TTET TeTeTTET T（7-8）（7-9）第7章 热电式传感器12 (二)标准电极定律当接点温度为T、T0时，用导体A、B组成热电偶产生的热电势等于A、C热电偶和C、B热电偶热电势的代数和，即导体C称为标准电极(一般由铂制成)。这一规律称为标准电极定律。三种导体分别构成的热电偶如图7-6所示。对A、B热电偶有AB0AC0CB0( ,)( ,)( ,)ET TET TET T0AB0ACAB0BA( ,)( )-()(-)dTTET TeTeTT(7-10)第7章 热电式传感器13图7-6 三种导体分别组成的热电偶第7章 热电式传感器14对A、C热电偶有对B、C热电偶有所以得到0AC

7、0ACAC0CA( ,)( )-()(-)dTTET TeTeTT0BC0BCBC0CB( ,)( )-()(-)dTTET TeTeTT000000000AC0CB0AC0BC0A0ACACCB0BCBCCA0ABABBAB0( ,)( ,)( ,)-( ,)ln-ln(-)dlnln-(-)dln-ln(-)d( ,)TTTTTTTTTTTTTTTTTTET TET TET TET TnKTnKTTenennKTnKTTenennKTnKTTenenET T(7-11)第7章 热电式传感器15 (三)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分别与连接导线A、B相接，接点温度

8、分别为T、Tn、T0，如图7-7所示，则回路的总热电势为nn000ABBd-d-dTTTTTTTTT图7-7 热电偶连接导线示意图0ABBA0ABBBBA0AA0A( ,)( )()()()dTnnTET T TeTeTeTeTT(7-12)第7章 热电式传感器16因为同时将(7-13)、(7-14)式代入(7-12)式化简可得nnnnBAnBBnAAnBA()()lnlnTTTTnnKTeTeTennnnnnAAnBBln-lnTTTTnnKTennABnABn()-()eTeTBA0AB0()-()eTeTABBAn0ABnABn0( ,)( ,)(,)ET T TET TET T(7-1

9、3)(7-14)(7-15)第7章 热电式传感器17 三、常用热电偶及结构一般对热电偶的电极材料基本要求是：在测温范围内，热电性质稳定，不随时间而变化，有足够的物理化学稳定性，不易氧化或腐蚀；电阻温度系数小，导电率高，比热小；测温中产生热电势要大，并且热电势与温度之间呈线性或接近线性的单值函数关系；材料复制性好，机械强度高，制造工艺简单，价格便宜。第7章 热电式传感器18 在热电偶实际使用中，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”，表中温度按10 分档，其中间值可按内插法计算。各表皆按参考端温度为0 的条件取值。名称型号分度号测温范围（）允许偏差长期短期温度（）偏差温度（）

10、偏差铂铑铂铑WRLLB01 60001 8001 0001 5000.5%1 5007.5%铂铑铂WRLBS01 30001 60006002.4%6000.4%镍镉镍硅WREUK01 00001 30003004%4001%镍镉考铜WREAE0600080003004%3001%铜康铜T060001 000090001 2000400表7-1 常用热偶电阻型号、测温范围及允许误差第7章 热电式传感器19 (二)热电偶的结构 工程上实际使用的热电偶大多数是由热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒等几部分构成，如图7-8所示。图7-8 热电偶的结构第7章 热电式传感器20 1.热电极热电极的直径是由

11、材料的价格、机械强度、导电率以及热电偶的用途和测量范围等来决定的。贵金属热电偶的热电极多采用直径为0.350.65 mm的细导线，这种直径不仅保证了必要的强度，而且整个热电偶的阻值不会太大。非贵重金属热电极的直径一般是0.53.2 mm，热电极的长度由安装条件，特别是工作端在介质中插入深度来决定，通常为3502 000 mm，最长可达3 500 mm。热电偶热电极的工作端牢固地焊接在一起，焊接后的热电偶均需经过退火处理。第7章 热电式传感器21 2.绝缘套管绝缘套管又叫绝缘子，用来防止热电偶的两个电极之间短路。绝缘材料种类很多，应根据测量范围来选择。 3.保护管为了使热电偶能够有较长的使用寿命

12、和保证测量的准确度，需要有适当的保护装置，这样可以防止热电极直接和被测介质接触，避免各种有害气体和物质的侵蚀，同时还可以避免火焰和气流的直接冲击作用。保护套管采用的材料须根据各种热电偶的类型和实际使用时热电偶所处介质情况而定。第7章 热电式传感器22 4.接线盒热电偶接线盒供热电偶和测量仪表之间连接使用，多采用铝合金制成，为防止灰尘及有害气体进入内部，接线盒出线孔和接线盒都具有密闭用的垫片和垫圈。第7章 热电式传感器23 四、热电偶冷端温度补偿由热电偶测温的原理知道，只有当热电偶冷端温度保持不变时，热电势才是被测温度的单值函数。在应用时，由于热电偶工作端与冷端距离很近，冷端又暴露于空间，容易受

13、到周围环境温度波动的影响，因而冷端温度难以保持恒定，为此可采用下述几种方法进行补偿。第7章 热电式传感器24 (一)补偿导线法为了使热电偶的冷端温度保持恒定(最好为0 )，可以把热电偶做得很长，使冷端远离工作端，并连同测量仪表一起放置到恒温或温度波动较小的地方。第7章 热电式传感器25 必须指出，只有当新移的冷端温度恒定或配用仪表本身具有冷端温度自动补偿装置时，应用补偿导线才有意义。因此，热电偶冷端必须妥善安置。 此外，热电偶和补偿导线连接处温度不应超过100 ，同时所用的补偿导线不应选错，否则会由于热电特性不同而带来新的误差。图7-9 补偿导线在回路中连接第7章 热电式传感器26 (二)冷端

14、温度计算校正法由于热电偶的分度表是在冷端温度保持0 的情况下得到，与它配套使用的仪表又是根据分度表进行刻度的，因此，尽管已采用了补偿导线使热电偶冷端延伸到温度恒定的地方，但只要冷端温度不等于0 ，就必须对仪表示值加以修正。例如，冷端温度高于0 ，但恒定于t0，则测得的热电偶热电势要小于该热电偶的分度值，此时可用下式进行修正00( ,0 )( , )( ,0 )E tE t tE t第7章 热电式传感器27例：K型热电偶在工作时冷端温度t0=30 ，测得热电势EK(t，t0)=39.17 mV。求被测介质的实际温度t?解：由分度表查出Ek(30,0)=120mV则 EK(t，0 )=EK(t，30 )+EK(30 ，0) =39.17+1.20=40.37 mV查分度表求出真实温度t=977 。第7章 热电式传感器28 (三)冰浴法 为避免经常校正的麻烦，可采用冰浴法使冷端保持0 ，如图7-10所示。这种办法最为妥善，但是不够方便，所以仅限于科学实验和实验室使用。图7-10 冷端处理冰点槽法第7章 热电式传感器29 (四)补偿电桥法 如图7-11所示，在它的四个桥臂中，有一个铜电阻RCu，铜的电阻温度系数较大，阻值随温度而变，其余三个臂由阻值恒定的锰铜电阻制成，铜电阻必须和热电偶冷端靠近，使之处于同一温度。 设计时使RCu在20