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(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便；（2）發(fā)電型傳感器，使用時(shí)不需加電源；（3）測(cè)溫范圍寬，測(cè)量溫度高，可測(cè)1800°C以上的溫度；（4）測(cè)量精度高，便于遠(yuǎn)距離測(cè)量。1先看一個(gè)實(shí)驗(yàn)——熱電偶工作原理演示

結(jié)論：當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度不相同時(shí)，回路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。

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(cè)量端（工作端、熱端）

熱電極B熱電勢(shì)AB2從實(shí)驗(yàn)到理論：熱電效應(yīng)

1821年，德國(guó)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(gè)接觸點(diǎn)（稱為結(jié)點(diǎn)），發(fā)現(xiàn)放在回路中的指南針發(fā)生偏轉(zhuǎn)（說(shuō)明什么？），如果用兩盞酒精燈對(duì)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)同時(shí)加熱，指南針的偏轉(zhuǎn)角反而減小（又說(shuō)明什么？）

。顯然，指南針的偏轉(zhuǎn)說(shuō)明回路中有電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生并有電流在回路中流動(dòng)，電流的強(qiáng)弱與兩個(gè)結(jié)點(diǎn)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(gè)結(jié)點(diǎn)溫度不等時(shí)，回路里會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，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(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量。熱電效應(yīng)4兩種不同的金屬互相接觸時(shí)，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(diǎn)處會(huì)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(shì)（稱為接觸電勢(shì)）。

自由電子＋ABeAB（

T）T1.接觸電勢(shì)5eAB(T)——導(dǎo)體A、B結(jié)點(diǎn)在溫度T時(shí)形成的接觸電動(dòng)勢(shì)；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(shì)的大小與溫度T及導(dǎo)體中的電子密度有關(guān)。6對(duì)于任何一種金屬，當(dāng)其兩端溫度不同時(shí)，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(dòng)能；溫度低的一端濃度小，動(dòng)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(dòng)勢(shì)，又稱湯姆森電動(dòng)勢(shì)。2.溫差電勢(shì)7AeA(T,To)ToTeA(T，T0)——導(dǎo)體A兩端溫度為T(mén)、T0時(shí)形成的溫差電動(dòng)勢(shì)；T，T0——高、低端的絕對(duì)溫度；σA——湯姆遜系數(shù)，與材料有關(guān)。溫差電勢(shì)原理圖8

由導(dǎo)體材料A、B組成的閉合回路，其接點(diǎn)溫度分別為T(mén)、T0,如果T＞T0，則必存在著兩個(gè)接觸電勢(shì)和兩個(gè)溫差電勢(shì)，回路總電勢(shì)：T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3.回路總電勢(shì)9一般情況：溫差電勢(shì)遠(yuǎn)小于接觸電勢(shì)，通常可把溫差電勢(shì)忽略不計(jì)。則有在標(biāo)定熱電偶時(shí)，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(dòng)勢(shì)只與組成熱電偶的材料及兩端接點(diǎn)的溫度有關(guān)；與熱電偶的長(zhǎng)度、粗細(xì)、形狀無(wú)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(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)。因?yàn)楫?dāng)A、B兩種導(dǎo)體是同一種材料時(shí)，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(shí)，不同材料組成的熱電偶才能有熱電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生；當(dāng)熱電偶兩端溫度相同時(shí)，不同材料組成的熱電偶也不產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)，即EAB（T，T）=0。114、導(dǎo)體材料確定后，熱電動(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)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(cè)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(diǎn)溫度相同，則回路中總的熱電動(dòng)勢(shì)不變。T0T0BTAC右圖回路中的總電動(dòng)勢(shì)為：

三、熱電偶基本定律

即：EABC(T,T0)=EAB(T,T0)13如果回路中三個(gè)接點(diǎn)的溫度都相同，即T＝T0，則回路總電動(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)為：而所以意義：可用測(cè)量?jī)x表直接測(cè)量熱電勢(shì)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(dòng)勢(shì)已知，則由這兩種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)的差，即例.熱端為100℃、冷端為0℃時(shí)，鎳鉻合金與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)為2.95mV，而銬銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)。=2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV17BBA

T2

T1

T3

AAB3、中間溫度定律熱電偶在兩接點(diǎn)溫度分別為T(mén)、T0時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度分別為T(mén)、Tn和接點(diǎn)溫度分別為T(mén)n、T0時(shí)的相應(yīng)熱電動(dòng)勢(shì)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(guó)從1991年開(kāi)始采用國(guó)際計(jì)量委員會(huì)規(guī)定的“1990年國(guó)際溫標(biāo)”（簡(jiǎn)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(duì)應(yīng)。

直接從熱電偶的分度表查溫度與熱電勢(shì)的關(guān)系時(shí)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(shì)大、輸出呈線性復(fù)制性好、工藝簡(jiǎn)單、價(jià)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(shí)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(zhǎng)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(diǎn)：(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(chǎng)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(guó)熱電偶和熱電阻的生產(chǎn)全部按國(guó)際電工委員會(huì)（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(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)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(cè)溫范圍及熱電勢(shì)

分度號(hào)

名稱

測(cè)量溫度范圍

1000C熱電勢(shì)/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(shí)用測(cè)量電路

1、測(cè)量單點(diǎn)溫度RZ、RC、RM—熱電偶、補(bǔ)償導(dǎo)線和儀表內(nèi)阻。312、測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間的溫差儀表回路內(nèi)的總電動(dòng)勢(shì)為:因?yàn)樗訣T=eAB(T1)+eBA(T2)=eAB(T1)-eAB(T2)323、測(cè)量平均溫度（并聯(lián)）儀表缺點(diǎn)：當(dāng)有一只熱電偶燒斷時(shí)，不易察覺(jué)。334、測(cè)量幾點(diǎn)溫度之和（串聯(lián)）儀表34電路調(diào)試步驟：調(diào)零：T=0℃時(shí)調(diào)整調(diào)零電位器RP2使運(yùn)放輸出為零；調(diào)輸出：溫度600℃時(shí)調(diào)節(jié)負(fù)反饋電阻RP2

，使運(yùn)放輸出在6V。確定放大倍數(shù)：600℃時(shí)，K型熱電偶熱電勢(shì)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(shì)的大小是熱端溫度和冷端的函數(shù)差，為保證輸出熱電勢(shì)是被測(cè)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(shì)是以冷端溫度0℃為依據(jù)，當(dāng)冷端溫度不為0℃時(shí)，要進(jìn)行補(bǔ)償，否則會(huì)產(chǎn)生誤差。361.冰點(diǎn)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(shí)驗(yàn)中使用。為了避免冰水導(dǎo)電引起兩個(gè)連接點(diǎn)短路，必須把連接點(diǎn)分別置于兩個(gè)玻璃試管里，浸入同一冰點(diǎn)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(diǎn)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(chǎng)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(diǎn)溫度相同，則回路中總的熱電動(dòng)勢(shì)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(cè)量范圍：負(fù)幾十度到五、六百度。3.低溫?zé)犭娮?。材料：銦、錳

、碳，測(cè)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(gè)結(jié)點(diǎn)溫度不等時(shí)，回路里會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，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(shì)：接觸電勢(shì)、溫差電勢(shì)。3.熱電偶的主要性質(zhì)：（1）兩導(dǎo)體的材料相同，熱電動(dòng)勢(shì)為0；（2）熱電偶兩結(jié)點(diǎn)溫