《传感器与检测技术》课件-6.1热电偶传感器

《传感器与检测技术》热电偶传感器Co

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1.热电效应2.热电势的组成4.热电偶的结构及外形6.正确使用热电偶传感器5.热电偶的种类3.热电偶的基本定律01SENSORSANDAUTOMATICDETECTIONTECHNOLOGY热电效应一、热电效应

(a)(b)a.热电效应原理图b.结点产生热电动势示意图图6.1热电偶原理图将两种不同材料的导体组成一个闭合回路，当两个触点温度T和TO不同时，则在该回路中就会产生电动势，该回路称为热电偶，这种现象称为热电效应，相应的电动势称为热电势。两种导体A、B称为热电极。置于被测温度（T）中的结点称为测量端，又称工作端或热端。置于恒定温度（TO）中的结点称为参考端，又称自由端或冷端。02SENSORSANDAUTOMATICDETECTIONTECHNOLOGY热电势的组成二、热电势的组成

热电势由两种导体的接触电动势和温差电动势两部分组成。

1.接触电动势两种不同材料的导体A、B接触时，由于两导体的自由电子密度不同，假设A的自由电子密度大于B的自由电子密度，则A的自由电子向B扩散，形成A到B的电场,如图6.1（b）所示。在电场作用下，电子反方向运动，当达到动态平衡时，A与B之间的电位差就是接触电动势。接触电动势：EAB＝EAB（T）－EAB（T0）

2.温差电动势同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势。同一导体的两端温度不同时，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，低温端带负电，形成温差电动势。二、热电势的组成

2.温差电动势其大小为：E(T,T0）＝EA(T,T0）-EB(T,T0）

3.总电动势热电偶的总电势为接触电动势与温差电动势之和，即

EAB(T,T0)=EAB(T)+EB(T,T0)−EAB(T0)−EA(T,T0)

温差电动势较小，可忽略，则总电动势：

EAB(T,T0)=EAB(T)−EAB(T0)

热电偶产生的热电动势只随热端（测量端）温度的变化而变化，即—定的热电动势对应—定的温度，测得热电动势通过热电偶分度表就可确定温度了。03SENSORSANDAUTOMATICDETECTIONTECHNOLOGY热电偶的基本定律三、热电偶的基本定律(1)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触点温度有关，与热电偶的尺寸大小、形状无关。热电偶必须由两种不同性质的均质材料构成。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，热电偶回路内的总热电动势均为零。三、热电偶的基本定律

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。(2)中间导体定律三、热电偶的基本定律如图6.2所示，在热电偶测温回路中，Tn为热电极上某一点的温度，热电偶AB在触点温度为T、TO时的热电势EAB(T,TO)等于热电偶AB在触点温度为T、Tn和Tn、TO时的热电势EAB(T,Tn)和EAB(Tn,TO)的代数和，即EAB(T,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)(3)中间温度定律(a)(b)a.热电偶回路b.应用补偿导线图6.2中间温度定律04SENSORSANDAUTOMATICDETECTIONTECHNOLOGY热电偶的结构及外形四、气敏传感器性能测试

普通热电偶由热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒等几部分组成，如图6.3所示。常用于测量气体和各种液体等介质的温度。1.普通型热电偶(a)(b)a.活动法兰连接式b.固定螺纹连接式1．接线柱；2.接线盒外罩；3.接线盒固定螺钉；4.引出线套管；5.接线绝缘座；6.接线盒底座；7.上保护套管；8.固定法兰；9.绝缘珠管；10.下保护套管；11.绝缘套；12.热电偶工作端图6.3普通型热电偶的结构及外形四、气敏传感器性能测试2.铠装型热电偶按图示意接线，注意传感器的引线号码。（1红色，3黑色，2蓝色）图6.4铠装型热电偶的外形

铠装热电偶是将热电极、绝缘材料连同保护管—起拉制成型，经焊接密封和装配等工艺制成的坚实的组合体，如图6.4所示。可做得很细、很长，可弯曲，外径小到1～3ｍｍ。主要特点是测量端热容量小、动态响应快、线性好、强度高。四、气敏传感器性能测试3.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、化学涂层等办法蒸镀到绝缘基板上而制成的一种特殊热电偶，薄膜热电偶的热触点可以做得很小（可薄到0.01～0.1），具有热容量小、反应速度快等特点，热响应时间达到微秒级，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。05SENSORSANDAUTOMATICDETECTIONTECHNOLOGY热电偶的种类五、热电偶的种类工业上常用的4种标准化热电偶材料为：铂铑30-铂铑6（B型）、铂铑10-铂（S型）、镍铬-镍硅（K型）和镍铬-铜镍（我国通常称为镍铬-康铜）（E型）。热电偶名称的含义如下：

1.铂铑30-铂铑６：正负极均为铂铑合金，其中正极含铂70％、铑30％；负极含铂94％、铑30％。

2.铂铑10-铂：正极为铂铑合金，含铂90％、铑10％；负极为纯铂。

3.镍铬-镍硅：正极为镍铬合金，含镍90.5％、铬9.5％；负极为镍硅材料，含镍97.5％、硅2.5％。

4.镍铬-铜镍：正极为镍铬合金，含镍89％、铬10％，铁1％；负极为镍铜合金，含镍40％、铜60％。06SENSORSANDAUTOMATICDETECTIONTECHNOLOGY正确使用热电偶传感器六、正确使用热电偶传感器1.热电偶要求冷端补偿热电偶测温是将温度的变化转换为电势的变化，它们的对应关系是用分度表列出，而分度表上的值是在TO＝0℃时测得的。因此，用热电偶的分度表查时，必须满足TO＝0℃的条件。在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化，这样TO不但不是0℃，而且也不恒定，将产生误差。因此要采用—些措施进行补偿或者修正。六、正确使用热电偶传感器2.热电偶冷端补偿方法

（1）0℃恒温法将热电偶冷端置于0℃恒温容器中，从而保证冷端温度恒为0℃，此时热电偶的热电势与分度表—致。这种方法精度较高，适用于实验室或精密测量中。

(2)补偿导线法热电偶一般做得较短，通常为350～2000mm，当测温仪表与测量点距离较远时，冷端温度会波动，为使冷端温度稳定，又节省热电偶的材料，通常采用补偿导线来延长热电偶的冷端，使之远离高温区。这种方法称为补偿导线法，即冷端温度延长法，补偿导线是由两种不同性质的金属材料制成，在0～150℃范围内与配接的热电偶具有—致的热电特性，起着延长热电偶冷端的作用。六、正确使用热电偶传感器2.热电偶冷端补偿方法

（3）计算修正法采用补偿导线可使热电偶的冷端延伸到温度比较稳定的地方，但只要冷端温度T0不等于0℃，需要对热电偶回路的测量电势值EAB(T,T0)加以修正。根据中间温度定律可得：

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