热电式传感器2

2013年-41-42热电式传感器2第一页，共39页。一.概述热电偶传感器是一种将温度的变化转换为电势的变化的装置。第二页，共39页。耐磨热电偶带软导线的热电偶带铠装电缆线头的热电偶大负荷热电偶组件第三页，共39页。普通装配型热电偶的外形安装螺纹安装法兰第四页，共39页。普通装配型热电偶的

结构放大图

接线盒引出线套管

固定螺纹

（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）

不锈钢保护管

第五页，共39页。铠装型热电偶外形法兰铠装型热电偶可长达上百米薄壁金属保护套管（铠体）

BA绝缘材料铠装型热电偶横截面第六页，共39页。隔爆型热电偶外形厚壁保护管压铸的接线盒电缆线第七页，共39页。其他热电偶外形小形K型热电偶第八页，共39页。看一个实验——热电偶工作原理演示

热电极A自由端（参考端、冷端）

测量端（工作端、热端）

热电极B热电势AB

二.热电偶测温原理第九页，共39页。1)热电效应1.热电偶的工作原理

将二种不同的导体A和B连成闭合回路,且二接触端的温度不同,即T>T0时,则回路内将有电动势产生EAB(T,T0),这种现象叫热电效应,回路内的电动势叫热电势.其中T为热端,T0为冷端(参考端),A和B称为热电极.第十页，共39页。BATT02)热电势EAB(T,T0)接触电势:eAB(T),eAB(T0)热电势EAB(T,T0)温差电势:热电势的大小是由二种材料的接触电势和温差电势所决定.第十一页，共39页。①接触电动势eAB(T),eAB(T0)若金属A的自由电子浓度大于金属B的，则在同一瞬间由A扩散到B的电子将比由B扩散到A的电子多，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，从而产生了一定的接触电动势。自由电子＋ABeAB（

T）T第十二页，共39页。接触电动势的大小与两种金属的材料、接点的温度有关，与导体的直径、长度及几何形状无关。

对于温度为T或T0的接点，有下列接触电动势公式：上式中k为玻尔兹曼常数,NA,NB为金属电极的自由电子密度,e为单位电荷量,T和T0为二接点温度.上式说明接触电动势的大小与接点温度(T)的高低及导体中的电子密度(NA,NB)有关。或第十三页，共39页。对于任何一种金属，当其两端温度不同时，两端的自由电子浓度也不同，温度高的一端浓度大，具有较大的动能；温度低的一端浓度小，动能也小。因此高温端的自由电子要向低温端扩散，高温端因失去电子而带正电，低温端得到电子而带负电，形成温差电动势，又称汤姆森电动势,其符号可表示为:。

②温差电动势第十四页，共39页。温差电动势的大小取决于导体的材料及两端的温度。导体A两端的温差电动势可用下式表示：eA（T，T0）——导体A两端温度分别为T、T0时形成的温差电动势；T、T0——高、低温端的绝对温度；σA——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。同样导体B两端的温差电动势如下式所示：

第十五页，共39页。

③回路总电动势:EAB(T,T0)图:闭合回路总的热电势ABTT0eA(T,T0)eB(T,T0)eAB(T)eAB(T0)第十六页，共39页。由于在金属中自由电子数目很多，温度对自由电子密度的影响很小，故温差电动势可以忽略不计，在热电偶回路中起主要作用的是接触电动势。则有在标定热电偶时，一般使T0为常数，则

第十七页，共39页。实际应用中，热电势与温度之间的关系是通过热电偶分度表来确定。分度表是在参考端温度为00C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。

热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法

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，制定了相应的分度表，并且有相应的线性化集成电路与之对应。

2.热电偶的分度表

直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是：自由端（冷端）温度必须为0C。第十八页，共39页。K热电偶的分度表

比较查出的3个热电势，可以看出热电势是否线性？第十九页，共39页。3.热电偶基本定律（三大定律）

①匀质导体定律如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，无论两接点的温度如何，热电动势均为零；反之，如果有热电动势产生，两个热电极的材料则一定是不同的。②中间导体定律在热电偶回路中接入第三种导体C，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变。第二十页，共39页。证明：右图回路中的总电动势为：

T0T0BTAC如果回路中三个接点的温度都相同，即T＝T0，则回路总电动势必为零，即：第二十一页，共39页。即则这一定律对于热电偶的实际运用十分重要，因为要测量回路的热电势，就需要接入测量仪表，那么仪表中肯定有导线等其他第三种导体C，因此仪表的接入不会引起回路热电势的变化。第二十二页，共39页。BBA

Tn

TT0

AAB③

连接导体定律热电偶在两接点温度分别为T、T0时的热电动势等于该热电偶在接点温度分别为T、Tn和Tn、T0时相应的热电动势的代数和,即第二十三页，共39页。证明：若T0=0,则有上式说明：热电偶分度表是在参比端的温度为00C

时热端温度与热电势之间的对应关系，根据这一定则，当热电偶冷端温度不为00C时，也可以使用分度表。第二十四页，共39页。例1.用镍铬-镍硅热电偶测某一水池内水的温度，测出的热电动势E(T,Tn)=2.436mV。再用温度计测出环境温度为30℃(即Tn=30℃)，求该水池的真实温度。因为由镍铬-镍硅热电偶分度表查出E(30，0)=1.203mVE(T,T0)=E(T，Tn)+E(Tn,T0)=

E(T，30)+E(30，0)=2.436mV+1.203mV=3.639mV解：再用3.639mV查分度表知其对应的实际温度为T=88℃。即池水的真实温度是88℃。第二十五页，共39页。4.热电偶冷端处理及其补偿由热电偶测温公式可知，热电偶的热电势的大小不仅与热端温度由关，而且也与冷端温度有关，只有在冷端温度恒定时，才能通过测量热电势得到热端温度。当热电偶冷端处在温度波动较大的地方时，必须首先使用补偿导线将冷端温度延长到一个温度稳定的地方，在考虑将冷端处理为0度，这称为热电偶的冷端温度补偿。补偿的方法主要有以下几种：1）补偿导线法：补偿导线的作用是对热电偶冷端延长。第二十六页，共39页。

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0-100℃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。第二十七页，共39页。第二十八页，共39页。补偿导线外形

A’B’屏蔽层保护层第二十九页，共39页。2）冷端恒温法

冰点槽法:将热电偶的冷端置于冰点槽内(冰水混合物)，使冷端温度处于0℃，如下图所示。mVABT铜导线铜导线试管补偿导线热电偶冰点槽冰水溶液T0仪表补偿导线第三十页，共39页。图6-13冰点槽法为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。这种方法通常用于实验室或精密的温度测量。mVABT铜导线铜导线试管补偿导线热电偶冰点槽冰水溶液T0仪表补偿导线第三十一页，共39页。若冷端温度恒定，但并非0℃，而是环境温度T1，这时测量出的回路热电势要小，要使测出的热电动势只反映热端的实际温度，则必须对温度进行修正。修正公式如下：3）计算修正法（即连接导体定律）第三十二页，共39页。4）电桥补偿（又称冷端补偿器）法T0I2I1+ERSRTR3R1R2－ATT0BU补偿电桥如图所示：为一直流平衡电桥，电桥的4个桥臂中RT为补偿电阻，R1-R3为固定电阻。由于Uab和热电偶同相串连，所以补偿电阻RT和热电偶的冷端处于同一温度下。且调整在00C下的RT阻值和固定电阻的阻值相等，电桥处于平衡Uab=0（冷端补偿器的电压）,电桥的输出U=Uab+E(T,T0)=E(T,T0），当冷端温度T0>00C时，热电偶的热电势减少，RT加大，电桥不平衡，出现Uab>0，由于Uab与热电偶同向串联，电势相加增大，起到了补偿的作用。第三十三页，共39页。5）显示仪表零位调整法当热电偶通过补偿导线连接显示仪表时，如果热电偶冷端温度不是0℃，但十分稳定（如恒温车间或有空调的场所），可预先将有零位调整器的显示仪表的指针从刻度的初始值调至已知的冷端温度值上，这时显示仪表的示值即为被测量的实际温度值。第三十四页，共39页。6）软件处理法对于计算机系统，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。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信号输入计算机，按照运算公式设计一些程序，便能自动修正。

第三十五页，共39页。5.热电偶测温线路

1）单点温度测量图6-15单点测温线路第三十六页，共39页。2)测量两点