11第九章 热电偶传感器

第九章

热电偶传感器

本章学习的主要内容有:

1、了解温度的基本概念和温度测量的常用方法；

2、了解热电偶的工作原理，热电偶的分类及特点；

3、掌握控温仪表的接线方法。

第一节

温度测量的基本概念

一、温度的基本概念温度是表征物体冷热 程度的物理量。 温度标志着物质内部 大量分子无规则运动的剧 烈程度。温度越高，表示 物体内部分子热运动越剧 烈。低温

中温

高温

模拟图：在一个密闭的空间里，气体分子在高温时 的运动速度比低温时快！

二、温标1、温度的数值表示方法称为温标。为了定量地描 述温度的高低，必须建立温度标尺(温标)。它规定了温 度的读数的起点(即零点)以及温度的单位。各类温度计 的刻度均由温标确定。 2、国际上规定的温标有：摄氏温标、华氏温标、 列氏温标、热力学温标等。 正常体温 为37 C,相当 于华氏温度多 少度？几种温标的对比

热力学温标(K)热力学温标是建立在热 力学第二定律基础上的最科 学的温标，是由开尔文 (Kelvin)根据热力学定律提 出来的，因此又称开氏温标。 它的符号是T,单位是开尔 文(K)。

1990国际温标(ITS-90)

威廉·汤姆逊·开尔文勋爵像

从1990年1月1日开始在全世界范围内采用1990年国 际温标，简称ITS-90。它定义了一系列温度的固定点， 测量和重现这些固定点的标准仪器以及计算公式，例如 水的三相点为273.16K(0.01 C)等。

三、温度测量及传感器分类温度传感器分类： 按照用途可分为基准温度计和工业温度计； 按照测量方法又可分为接触式和非接触式； 按工作原理又可分为膨胀式、电阻式、热电式、辐 射式等； 按输出方式可分为自发电型、非电测型等。 热电偶测温的主要优点：1、它属于自发电型传感器：测量时可以不需外加电源， 可直接驱动动圈式仪表； 2、测温范围广：下限可达-270 C,上限达1800 C以上； 3、各温区中的热电势均符合国际计量委员会的标准。

体积热膨胀式不需要电源， 耐用；但感温 部件体积较大。

气体的体积与热力学 温度成正比

红外温度计

第二节

热电偶的工作原理

热电偶工作原理演示 热电极A 左端为 测量端 (工作

热电势A

热电极B 右端为 自由端 (参考

端、热端)

B

端、冷端)

结论:当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。

通过以上演示得出结论—有关热电偶热电势的讨论热电偶两结点所产生的总的热电势等于热端热电势 与冷端热电势之差，是两个结点的温差Δ t 的函数： EAB(T,T0)=EAB (T)- EAB (T0)

热电势大致与两个结点的温差Δ t 成正比

一、 热电偶测温原理热电效应：两种不同材料的导体 (

或半导体 ) 组成一 个闭合回路，当两接点温度T 和T0 不同时，则在该回路 中就会产生电动势，这种现象称为热电效应。该电动势 称为热电势。

这两种不同材料导体(半导体)的组合称为热电偶，导体A、B 称为热电极。两个接点，一个称热端(又称测量端或工作端 ),测 温时将它置于被测介质中；另一个称冷端(又称参考端或自由端 ), 它通过导线与显示仪表相连。

热电偶回路

热电偶测温系统简图

热电动势的组成：接触电势：由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触

处形成的电动势。两种导体接触时，自由电子由密度大的导体向密度小的导体扩散，在接触处失去电子一侧带正电，得到电子一 侧带负电，扩散达到动平衡时，在接触面的两侧就形成稳定的接

触电势。两接点的接触电势eAB(T )和eAB(T0 )可表示为：

接触电势的数值取决于两种不同导体的性质和接触点的温度。

KT N AT eAB (T ) 1n e N BT N AT0 KT0 eAB (T0 ) 1n e N BT0

式中：K --波尔兹曼常数；

e --单位电荷电量； NAT 、 NBT 和 NAT0 、 NBT0-温度分别为T 和T0时，A、B 两种材料的电子密度。

温差电势：同一导体的两端因温度不同而产生的一种电动势。 同一导体的两端温度不同时，高温端的电子能量要比低温端的电

子能量大，因而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，低温端因获得多 余的电子而带负电，因此，在导体两端便形成温差电势。两导体

的温差电势eA(T,T0)和eB(T,T0)由下面公式给出：

K eA (T , T0 ) e

T

T0

1 d ( N AT t ) dt N At dt

T K 1 d ( N Btt ) eB (T , T0 ) 1n dt T0 e N Bt dt

式中:NAt和NBt--分别 为A导体和B导体的 电子密度，是温度 的函数。

热电偶回路中产生的总热电势为:

eAB(T,T0)=eAB(T )+eB(T,T0)-eAB(T0)-eA(T,T0)

在总热电势中，温差电势比接触电势小很多，可忽 略不计， 则热电偶的热电势可表示为：

EAB(T,T0)=eAB(T )-eAB(T0)对于已选定的热电偶，当参考端温度T0恒定时，

eAB(T0)=C 为常数，则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，即：

EAB(T,T0)=eAB(T )-C = f(T )这一关系式在实际测量中是很有用的，即只要测出 EAB(T,T0)的大小，就能得到被测温度T,这就是利用 热电偶测温的原理。

二、热电偶基本定律

① 均质导体定律：由同种均质导体组成的热电偶，形状、沿电极的温度分布及两接点温度无关。这条定理

其输出热电动势的大小始终为零。与热电偶的几何尺寸、

说明：热电偶必须由两种不同性质的均质材料构成。均质导体组成的热电偶，如果材料不均匀时，当导体上存

在温度梯度时，将会有附加

电动势产生。② 中间导体定律：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。这条定律说明：利用热电偶测温时，在回路中引入连接导线和仪表，接入导线和仪表

后会不会影响回路中的热电势。【开路热电偶】

热电偶回路接入第三种导体的两种形式。在图 (a) 所示的回 路中，由于温差电势可忽略不计，则回路中的总热电势等于各接 点的接触电势之和，即： E (t,t )=e (t )+e (t )+e (t )ABC0

AB

BC

0

CA

0

当第三种材料两端温度均为t0时： eBC(t0)+eCA(t0)=-eAB(t0) 将其代入上式中可得： EABC(t,t0)=eAB(t)-eAB(t0)=EAB(t,t0)

综上表明，接入第三种导体后，并不影响热电偶回路的 总热电势。同理，在热电偶回路中加入第四、第五种导体后， 只要加入的每一种导体两端温度相等，同样不影响回路中的 总热电势。

③ 中间温度定律：在热电偶测温回路中，tc为热电 极上某一点的温度，热电偶AB在接点温度为t、t0时的热 电势 EAB(t , t0) 等于热电偶 AB 在接点温度 t 、 tc 和 tc 、 t0 时的热电势EAB(t,tc)和EAB(tc,t0)的代数和：

EAB(t,t0)=EAB(t,tc)+EAB(tc,t0)该定律是参考端温度计算修正 法的理论依据，在实际热电偶测温 回路中，利用热电偶这一性质，可 对参考端温度不为 0℃的热电势进行 修正。另外根据这个定律，可以连 接与热电偶热电特性相近的导体 A′ 和B′,将热电偶冷端延伸到温度恒 定的地方，这就为热电偶回路中应 用补偿导线提供了理论依据。

第三节 热电偶的种类及结构 八种国际通用热电偶及测温范围分度号 B R S K N E J T 名 称 测量温度范围 +50~1820 C -50~1768 C -50~1768 C -270~1370 C -270~1300 C -270~800 C -210~760 C -270~400 C 特 点 铂铑3 …… 此处隐藏：1810字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……