第九章 热电式传感器 电偶

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,九,章,热,电式传感器,热电式传感器是一种将温度转换为电 量变化的装置。,常用的装置有：,热电偶,热电阻,晶体管和集成温度传感器,温度传感器的种类及特点,接触式温度传感器,非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成本较高，测量精度却较低。优点是：不从被测物体上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产生消耗；反应快等。,接触式温度传感器的特点：传感器直接与被测物体接触进行温度测量，由于被测物体的热量传递给传感器，降低了被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时，测量精度较低。因此采用这种方式要测得物体的真实温度的前提条件是被测物体的热容量要足够大。,非接触式温度传感器,9.1,热电偶,温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。它除具有,结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号,便于远传或信号转换等优点,外，还,能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度,。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。,9.1.1,热电偶的工作原理,一,.,热电效应,两种不同的导体或半导体,A,和,B,组合成,如图所示,闭合回路，若导体,A,和,B,的连接处温度不同（设,T,T,0,），,则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做,热电效应,。,这种现象早在,1823,年首先由赛贝克（,See,beck,）,发现,所以又称赛贝克效应。,热电偶原理图,T,T,0,A,B,回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即,接触电势,(,珀尔帖效应,),和温差电势,(,汤姆孙效应,),。,热端,冷端,1.,珀尔帖效应（接触电势）,接触电势原理图,+,A,B,T,e,AB,(,T,),-,e,AB,(,T,),导体,A,、,B,结点在温度,T,时形成的接触电动势；,e,单位电荷，,e,=1.610,-19,C,；,k,波尔兹曼常数，,k,=1.3810,-23,J/K,；,N,A,、,N,B,导体,A,、,B,在温度为,T,时的电子密度。,接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关,。,A,e,A,(,T,T,o,),T,o,T,e,A,(,T,，,T,0,),导体,A,两端温度为,T,、,T,0,时形成的温差电动势；,T,，,T,0,高低端的绝对温度；,A,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，例如在,0,时，铜的,=2V/,。,2.,汤姆孙效应（温差电势）,温差电势原理图,由导体材料,A,、,B,组成的闭合回路，其接点温度分别为,T,、,T,0,如果,T,T,0,，,则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：,T,0,T,e,AB,(,T,),e,AB,(,T,0,),e,A,(,T,T,0,),e,B,(,T,T,0,),A,B,3.,回路总电势,N,AT,、,N,AT0,导体,A,在结点温度为,T,和,T,0,时的电子密度；,N,BT,、,N,BT0,导体,B,在结点温度为,T,和,T,0,时的电子密度；,A,、,B,导体,A,和,B,的汤姆逊系数。,根据电磁场理论得,E,AB,(,T,T,0,)=,E,AB,(,T,)-,E,AB,(,T,0,)=,f,(,T,)-C=,g,(,T,),由于,N,A,、,N,B,是温度的单值函数,在工程应用中，常用实验的方法得出温度与热电势的关系并做成表格，以供备查。由公式可得：,E,AB,(,T,T,0,)=,E,AB,(,T,),-,E,AB,(,T,0,),=,E,AB,(,T,),-,E,AB,(0),-,E,AB,(,T,0,),-,E,AB,(0),=,E,AB,(,T,，0),-,E,AB,(,T,0,，0),热电偶的热电势，等于两端温度分别为,T,和零度以及,T,0,和零度的热电势之差。,导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使,E,AB,(,T,0,)=,常数，则回路热电势,E,AB,(,T,，,T,0,),就只与温度,T,有关，而且是,T,的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。,只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生。,结论,(4,点,),：,热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。,只有用不同性质的导体,(,或半导体,),才能组合成热电偶；相同材料不会产生热电势，因为当,A,、,B,两种导体是同一种材料时，,ln,(N,A,/N,B,)=0,，,也即,E,AB,(,T,，,T,0,)=0,。,对于有几种不同材料串联组成的闭合回路，接点温度分别为,T,1,、,T,2,、,、,T,n,，,冷端温度为零度的热电势，其热电势为,E,=,E,AB,（,T,1,）,+,E,BC,（,T,2,）,+,E,NA,（,T,n,）,由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体是否存在温度梯度，回路中没有电流,(,即不产生电动势,),；反之，,如果有电流流动，此材料则一定是非均质的，即热电偶必须采用两种不同材料作为电极。,二、热电偶的基本定律,1.,均质导体定律,E,总,=,E,AB,（,T,）+,E,BC,（,T,）+,E,CA,（,T,）=0,三种不同导体组成的热电偶回路,T,A,B,C,T,T,2.,中间导体定律,一个由几种不同导体材料连接成的闭合回路，只要它们彼此连接的接点温度相同，则此回路各接点产生的热电势的代数和为零。,如图，由,A,、,B,、,C,三种材料组成的闭合回路，则,两点结论：,l,）,将第三种材料,C,接入由,A,、,B,组成的热电偶回路，如图，则图,a,中的,A,、,C,接点,2,与,C,、,A,的接点,3,，均处于相同温度,T,0,之中，此回路的总电势不变，即,同理，图,b,中,C,、,A,接点,2,与,C,、,B,的接点,3,，同处于温度,T,0,之中，此回路的电势也为：,T,2,T,1,A,a,B,C,2,3,E,AB,a,A,T,0,2,3,A,B,E,AB,T,1,T,2,C,T,0,E,AB,（,T,1,T,2,）=,E,AB,（,T,1,）,-,E,AB,（,T,2,）,(a),(b),T,0,T,0,E,AB,(,T,1,T,2,)=,E,AB,(,T,1,),-,E,AB,（,T,2,）,第三种材料接入热电偶回路图,E,T,0,T,0,T,E,T,0,T,1,T,1,T,电位计接入 热电偶回路,根据上述原理，可以在热电偶回路中接入电位计,E,，,只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，就不会影响回路中原来的热电势，接入的方式见下图所示。,E,AB,（,T,T,0,）=,E,AC,（,T,T,0,）+,E,CB,（,T,T,0,）,T,0,T,E,BA,(,T,T,0,),B,A,T,0,T,E,AC,(,T,T,0,),A,C,T,0,T,E,CB,(,T,T,0,),C,B,2,）如果任意两种导体材料的热电势是已知的，它们的冷端和热端的温度又分别相等，如图所示，它们相互间热电势的关系为：,3.,中间温度定律,如果不同的两种导体材料组成热电偶回路,其接点温度分别为,T,1,、,T,2,(,如图所示,),时,则其热电势为,E,AB,(,T,1,T,2,),；,当接点温度为,T,2,、,T,3,时，其热电势为,E,AB,(,T,2,T,3,),；,当接点温度为,T,1,、,T,3,时，其热电势为,E,AB,(,T,1,T,3,),，则,B,B,A,T,2,T,1,T,3,A,A,B,E,AB,（,T,1,T,3,）=,E,AB,（,T,1,T,2,）+,E,AB,（,T,2,T,3,）,E,AB,（,T,1,T,3,）,=,E,AB,（,T,1,0,）,+,E,A B,（,0,T,3,）,=,E,AB,（,T,1,0,）,-,E,AB,（,T,3,0,）,=,E,AB,（,T,1,）,-,E,AB,（,T,3,）,A,B,T,1,T,2,T,2,A,B,T,0,T,0,热电偶补偿导线接线图,E,对于冷端温度不是零度时，热电偶如何分度表的问题提供了依据。如当,T,2,=0,时，则：,只要,T,1,、,T,0,不变，接入,AB,后不管接点温度,T,2,如何变化，都不影响总热电势。这便是引入补偿导线原理。,E,AB,=,E,AB,(,T,1,),E,AB,(,T,0,),说明：当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料,A,、,B,同样热电特性的材料,A,、,B(,如图,),即引入所谓补偿导线时，当,E,AA,(,T,2,)=,E,BB,(,T,2,),，,则回路总电动势为,方法,冰点槽法,计算修正法,补正系数法,零点迁移法,冷端补偿器法,软件处理法,三、热电偶冷端温度及补偿,原因,热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定；,热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度,0,为依据，否则会产生误差。,1.,冰点槽法,把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里，使,T,0,=0,。,这种办法仅限于科学实验中使用。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。,mV,A,B,A,B,T,C,C,仪表,铜导线,试管,补偿导线,热电偶,冰点槽,冰水溶液,T,0,2.,计算修正法,用普通室温计算出参比端实际温度,T,H,，,利用公式计算,例 用铜,-,康铜热电偶测某一温度,T,，,参比端在室温环境,T,H,中，测得热电动势,E,AB,(,T,，,T,H,),=,1.999mV,，,又用室温计测出,T,H,=21,查此种热电偶的分度表可知，,E,AB,(21,0)=0.832mV,，,故得,E,AB,(,T,，,0),=E,AB,(,T,，,21),+E,AB,(21,，,T,0,),=,1.999+0.832,=,2.831(mV),再次查分度表，与,2.831mV,对应的热端温度,T,=68,。,注意,:,既不能只按,1.999mV,查表，认为,T,=49,，,也不能把,49,加上,21,，认为,T,=70,。,E,AB,(,T,T,0,),=E,AB,(,T,T,H,),+E,AB,(,T,H,T,0,),3.,补正系数法,把参比端实际温度,T,H,乘上系数,k,，,加到由,E,AB,(,T,，,T,H,),查分度表所得的温度上，成为被测温度,T,。,用公式表达即,式中：,T,为未知的被测温度；,T,为参比端在室温下热电偶电势与分度表上对应的某个温度；,T,H,室温；,k,为补正系数，其它参数见下表。,例 用铂铑,10,铂热电偶测温，已知冷端温度,T,H,=35,，,这时热电动势为,11.348mV,查,S,型热电偶的分度表，得出与此相应的温度,T,=1150,。,再从下表中查出，对应于,1150,的补正系数,k,=0.53,。,于是，被测温度,T,=1150+0.5335=1168.3,（）,用这种办法稍稍简单一些，比计算修正法误差可能大一点，但误差不大于,0.14,。,T,T,k T,H,温度,T,/,补正系数,k,铂铑,10,-,铂,(S),镍铬,-,镍硅（,K,）,100,0.82,1.00,200,0.72,1.00,300,0.69,0.98,400,0.66,0.98,500,0.63,1.00,600,0.62,0.96,700,0.60,1.00,800,0.59,1.00,900,0.56,1.00,1000,0.55,1.07,1100,0.53,1.11,1200,0.53,1300,0.52,1400,0.52,1500,0.53,1600,0.53,热电偶补正系数,例 用动圈仪表配合热电偶测温时，如果把仪表的机械零点调到室温,T,H,的刻度上,在热电动势为零时，指针指示的温度值并不是