第十一章熱電式傳感器(河南理工大學(xué))

第二節(jié)熱電偶溫度傳感器熱電偶溫度傳感器是基于熱電效應(yīng)原理而工作的一種傳感器。主要特點：（1）結(jié)構(gòu)簡單，使用方便；（2）發(fā)電型傳感器，使用時不需加電源；（3）測溫范圍寬，測量溫度高，可測1800°C以上的溫度；（4）測量精度高，便于遠(yuǎn)距離測量。1先看一個實驗——熱電偶工作原理演示

結(jié)論：當(dāng)兩個結(jié)點溫度不相同時，回路中將產(chǎn)生電動勢。

熱電極A右端稱為：自由端（參考端、冷端）

一、熱電偶的工作原理

左端稱為：測量端（工作端、熱端）

熱電極B熱電勢AB2從實驗到理論：熱電效應(yīng)

1821年，德國物理學(xué)家賽貝克用兩種不同金屬組成閉合回路，并用酒精燈加熱其中一個接觸點（稱為結(jié)點），發(fā)現(xiàn)放在回路中的指南針發(fā)生偏轉(zhuǎn)（說明什么？），如果用兩盞酒精燈對兩個結(jié)點同時加熱，指南針的偏轉(zhuǎn)角反而減?。ㄓ终f明什么？）

。顯然，指南針的偏轉(zhuǎn)說明回路中有電動勢產(chǎn)生并有電流在回路中流動，電流的強(qiáng)弱與兩個結(jié)點的溫差有關(guān)。

3兩種不同金屬導(dǎo)體兩端分別接在一起構(gòu)成閉合回路，當(dāng)兩個結(jié)點溫度不等時，回路里會產(chǎn)生熱電勢，形成電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。利用這種效應(yīng)，就可實現(xiàn)對溫度的測量。熱電效應(yīng)4兩種不同的金屬互相接觸時，由于不同金屬內(nèi)自由電子的密度不同，在金屬A和B的接觸點處會發(fā)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象。設(shè)nA＞nB，自由電子將從密度大的金屬A擴(kuò)散到密度小的金屬B，使A失去電子帶正電，B得到電子帶負(fù)電，從而產(chǎn)生熱電勢（稱為接觸電勢）。

自由電子＋ABeAB（

T）T1.接觸電勢5eAB(T)——導(dǎo)體A、B結(jié)點在溫度T時形成的接觸電動勢；e——電子電荷，e=1.6×10-19C；

k——波爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J/K

；NA、NB

——導(dǎo)體A、B的電子密度。接觸電勢的大小與溫度T及導(dǎo)體中的電子密度有關(guān)。6對于任何一種金屬，當(dāng)其兩端溫度不同時，兩端的自由電子濃度也不同，溫度高的一端濃度大，具有較大的動能；溫度低的一端濃度小，動能也小。因此高溫端的自由電子要向低溫端擴(kuò)散，高溫端因失去電子而帶正電，低溫端得到電子而帶負(fù)電，形成溫差電動勢，又稱湯姆森電動勢。2.溫差電勢7AeA(T,To)ToTeA(T，T0)——導(dǎo)體A兩端溫度為T、T0時形成的溫差電動勢；T，T0——高、低端的絕對溫度；σA——湯姆遜系數(shù)，與材料有關(guān)。溫差電勢原理圖8

由導(dǎo)體材料A、B組成的閉合回路，其接點溫度分別為T、T0,如果T＞T0，則必存在著兩個接觸電勢和兩個溫差電勢，回路總電勢：T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3.回路總電勢9一般情況：溫差電勢遠(yuǎn)小于接觸電勢，通?？砂褱夭铍妱莺雎圆挥?。則有在標(biāo)定熱電偶時，一般使T0為常數(shù),所以EAB(T,T0)=f(T)+C101、熱電偶回路的熱電動勢只與組成熱電偶的材料及兩端接點的溫度有關(guān)；與熱電偶的長度、粗細(xì)、形狀無關(guān)。二.熱電偶基本性質(zhì)2、只有用不同性質(zhì)的材料才能組合成熱電偶，相同材料不會產(chǎn)生熱電動勢。因為當(dāng)A、B兩種導(dǎo)體是同一種材料時，ln（NA/NB）=0，所以EAB（T，T0）=0。3、只有當(dāng)熱電偶兩端溫度不同時，不同材料組成的熱電偶才能有熱電動勢產(chǎn)生；當(dāng)熱電偶兩端溫度相同時，不同材料組成的熱電偶也不產(chǎn)生熱電動勢，即EAB（T，T）=0。114、導(dǎo)體材料確定后，熱電動勢的大小只與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。如果使eAB（T0）=常數(shù)，則回路熱電動勢EAB（T，T0

）就只與溫度T有關(guān)，而且是T的單值函數(shù)，這就是利用熱電偶測溫的基本原理。即：121、中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體C，只要第三種導(dǎo)體的兩接點溫度相同，則回路中總的熱電動勢不變。T0T0BTAC右圖回路中的總電動勢為：

三、熱電偶基本定律

即：EABC(T,T0)=EAB(T,T0)13如果回路中三個接點的溫度都相同，即T＝T0，則回路總電動勢必為零，即：即則14T1CT0T1TBA如果按右圖接入第三種導(dǎo)體C，則回路中的總電動勢為：而所以意義：可用測量儀表直接測量熱電勢152、參考電極定律如果兩種導(dǎo)體分別與第三種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢已知，則由這兩種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢也就可知。T0TEAB(T,T0)ABT0TEAC(T,T0)ACT0TEBC(T,T0)BC即：EAB(T,T0)=EAC(T,T0)-EBC(T,T0)16解：由標(biāo)準(zhǔn)電極定律，鎳鉻合金（A)和銬銅(B)熱電偶的熱電動勢應(yīng)等于鎳鉻合金(A)與純鉑（C)熱電偶和考銅(B)與純鉑(C)熱電偶的熱電動勢的差，即例.熱端為100℃、冷端為0℃時，鎳鉻合金與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為2.95mV，而銬銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為-4.0mV，求鎳鉻和銬銅組合而成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢。=2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV17BBA

T2

T1

T3

AAB3、中間溫度定律熱電偶在兩接點溫度分別為T、T0時的熱電動勢等于該熱電偶在接點溫度分別為T、Tn和接點溫度分別為Tn、T0時的相應(yīng)熱電動勢的代數(shù)和。即：EAB(T,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn，T0)即：EAB(T1,T3)=EAB(T1,T2)+EAB(T2,T3)例如：18熱電偶的分度表

——熱電偶的線性較差，多數(shù)情況下采用查表法我國從1991年開始采用國際計量委員會規(guī)定的“1990年國際溫標(biāo)”（簡稱ITS-90）的新標(biāo)準(zhǔn)。按此標(biāo)準(zhǔn)，制定了相應(yīng)的分度表，并且有相應(yīng)的線性化集成電路與之對應(yīng)。

直接從熱電偶的分度表查溫度與熱電勢的關(guān)系時的約束條件是：自由端（冷端）溫度必須為0C。19熱電偶的分度表

20熱電偶的分度表

21熱電偶的分度表

22四、熱電偶的結(jié)構(gòu)和種類（1）熱電極（2）絕緣套（3）保護(hù)套管（4）接線盒與介質(zhì)隔離，優(yōu)良傳熱性能防止電極間短路。

氧化鋁管、耐火陶瓷鋁合金熱電性質(zhì)穩(wěn)定物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定電阻溫度系數(shù)小、電阻率高輸出熱電勢大、輸出呈線性復(fù)制性好、工藝簡單、價格低

貴金屬普通金屬1、熱電偶的結(jié)構(gòu)23普通裝配型熱電偶的外形安裝螺紋安裝法蘭24普通裝配型熱電偶的

結(jié)構(gòu)放大圖

接線盒引出線套管

固定螺紋

（出廠時用塑料包裹）熱電偶工作端（熱端）

不銹鋼保護(hù)管

25鎧裝型熱電偶外形法蘭鎧裝型熱電偶可長達(dá)上百米薄壁金屬保護(hù)套管（鎧體）

BA絕緣材料鎧裝型熱電偶橫截面26隔爆型熱電偶外形厚壁保護(hù)管壓鑄的接線盒電纜線27隔爆型熱電偶

結(jié)構(gòu)特點：(1)接線盒:防爆的特殊結(jié)構(gòu)，壓鑄而成，有一定的厚度、隔爆空間，機(jī)構(gòu)強(qiáng)度較高；

(2)連接螺紋：隔爆接合面，并采用密封圈進(jìn)行密封。（3）防爆、隔爆。

使用場合：隔爆型熱電偶多用于化學(xué)工業(yè)、煤礦井下等的自控系統(tǒng)中。282、熱電偶的種類從1988年1月1日起，我國熱電偶和熱電阻的生產(chǎn)全部按國際電工委員會（IEC）的標(biāo)準(zhǔn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計型熱電偶。并形成系列化、標(biāo)準(zhǔn)化。其中S、R、B屬于貴金屬熱電偶，N、K、E、J、T屬于廉金屬熱電偶。

29幾種常用熱電偶的測溫范圍及熱電勢

分度號

名稱

測量溫度范圍

1000C熱電勢/mVB鉑銠30－鉑銠650～1820C4.834R鉑銠13—鉑-50～1768C10.506S鉑銠10—鉑-50～1768C9.587K鎳鉻－鎳硅

-270～1370C41.276E鎳鉻－銅鎳(康銅)－270～800C——30五、熱電偶實用測量電路

1、測量單點溫度RZ、RC、RM—熱電偶、補(bǔ)償導(dǎo)線和儀表內(nèi)阻。312、測量兩點之間的溫差儀表回路內(nèi)的總電動勢為:因為所以ET=eAB(T1)+eBA(T2)=eAB(T1)-eAB(T2)323、測量平均溫度（并聯(lián)）儀表缺點：當(dāng)有一只熱電偶燒斷時，不易察覺。334、測量幾點溫度之和（串聯(lián)）儀表34電路調(diào)試步驟：調(diào)零：T=0℃時調(diào)整調(diào)零電位器RP2使運放輸出為零；調(diào)輸出：溫度600℃時調(diào)節(jié)負(fù)反饋電阻RP2

，使運放輸出在6V。確定放大倍數(shù)：600℃時，K型熱電偶熱電勢為E=24.902mv，放大器增益為6V/24.902mv=240.945。應(yīng)用電路35六、冷端處理及補(bǔ)償原因:熱電偶熱電勢的大小是熱端溫度和冷端的函數(shù)差，為保證輸出熱電勢是被測溫度的單值函數(shù)，必須使冷端溫度保持恒定；熱電偶分度表給出的熱電勢是以冷端溫度0℃為依據(jù)，當(dāng)冷端溫度不為0℃時，要進(jìn)行補(bǔ)償，否則會產(chǎn)生誤差。361.冰點槽法把熱電偶的參比端置于冰水混合物容器里，使T0=0℃。這種辦法僅限于科學(xué)實驗中使用。為了避免冰水導(dǎo)電引起兩個連接點短路，必須把連接點分別置于兩個玻璃試管里，浸入同一冰點槽，使相互絕緣。mVABA’B’TCC’儀表銅導(dǎo)線試管補(bǔ)償導(dǎo)線熱電偶冰點槽冰水溶液T0372.補(bǔ)償導(dǎo)線法利用補(bǔ)償導(dǎo)線，將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的場所(如儀表室)。根據(jù)中間導(dǎo)體定律，只要補(bǔ)償導(dǎo)體的兩接點溫度相同，則回路中總的熱電動勢不變。38本章小結(jié)一、熱電阻傳感器1.熱電阻效應(yīng)：物質(zhì)的電阻率隨溫度的變化而變化的現(xiàn)象。2.熱電阻傳感器.材料：鉑、銅；正溫度系數(shù)；測量范圍：負(fù)幾十度到五、六百度。3.低溫?zé)犭娮琛２牧希恒?、錳

、碳，測量范圍：負(fù)二百多度到室溫。4.熱敏電阻。材料：半導(dǎo)體；正、負(fù)溫度系數(shù)，靈敏度高。二、熱電偶1.熱電效應(yīng)：兩種不同金屬導(dǎo)體兩端分別接在一起構(gòu)成閉合回路，當(dāng)兩個結(jié)點溫度不等時，回路里會產(chǎn)生熱電勢，形成電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。

392.熱電偶的兩種電勢：接觸電勢、溫差電勢。3.熱電偶的主要性質(zhì)：（1）兩導(dǎo)體的材料相同，熱電動勢為0；（2）熱電偶兩結(jié)點溫