ch8成都信息工程學(xué)院 傳感器技術(shù)課件

第八章熱電式傳感器熱電傳感器熱能電能測(cè)量：溫度、與溫度有關(guān)的參量——熱電偶溫度電勢(shì)電阻金屬半導(dǎo)體熱電阻熱敏電阻——PN結(jié)型溫度傳感器溫差熱電偶（簡(jiǎn)稱熱電偶）具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量范圍寬、準(zhǔn)確度高、熱慣性小，輸出信號(hào)為電信號(hào)便于遠(yuǎn)傳或信號(hào)轉(zhuǎn)換等優(yōu)點(diǎn).熱電偶溫度傳感器★熱電偶的工作原理★熱電偶回路的性質(zhì)★熱電偶的常用材料與結(jié)構(gòu)★冷端處理及補(bǔ)償★熱電偶的選擇、安裝使用和校驗(yàn)第七章8.3.1熱電偶測(cè)溫原理熱電偶：兩種不同的金屬A和B構(gòu)成閉合回路 當(dāng)兩個(gè)接觸端T﹥T0時(shí)，回路中會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)

熱電勢(shì)由兩種材料的接觸電勢(shì)和單一材料的溫差電勢(shì)決定兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B組合成如圖所示閉合回路，若導(dǎo)體A和B的連接處溫度不同（設(shè)T＞T0），則在此閉合回路中就有電流產(chǎn)生，也就是說(shuō)回路中有電動(dòng)勢(shì)存在，這種現(xiàn)象叫做熱電效應(yīng)。熱電偶原理圖TT0AB回路中所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，叫熱電勢(shì)。熱電勢(shì)由兩部分組成，即溫差電勢(shì)和接觸電勢(shì)。冷端熱端1.接觸電勢(shì)接觸電勢(shì)原理圖+ABTeAB(T)-eAB(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——單位電荷，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在溫度為T時(shí)的電子密度。接觸電勢(shì)的大小與溫度高低及導(dǎo)體中的電子密度有關(guān)。第七章擴(kuò)散擴(kuò)散電場(chǎng)漂移2.溫差電勢(shì)δ——湯姆遜系數(shù)，它表示溫度為1℃時(shí)所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)值，它與材料的性質(zhì)有關(guān)。溫差電勢(shì)（湯姆遜電勢(shì)）AeA(T,To)ToTeA(T，T0)——導(dǎo)體A兩端溫度為T、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)，表示導(dǎo)體A兩端的溫度差為1℃時(shí)所產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)，例如在0℃時(shí)，銅的σ=2μV/℃。2.溫差電勢(shì)溫差電勢(shì)原理圖第七章由導(dǎo)體材料A、B組成的閉合回路，其接點(diǎn)溫度分別為T、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)第七章3.熱電偶回路的總熱電勢(shì)熱電極A和B為同一種材料時(shí)，NA=NB,δA=δB， 則EAB(T,T0)=0。若熱電偶兩端處于同一溫度下，T=T0， 則EAB(T,T0)=0。熱電勢(shì)存在必須具備兩個(gè)條件： 一、兩種不同的金屬材料組成熱電偶， 二、它的兩端存在溫差。

熱電勢(shì)是T和T0的溫度函數(shù)的差，而不是溫度的函數(shù)。當(dāng)T0=0℃時(shí)，f(T0)=0則有：E與T之間有唯一對(duì)應(yīng)的單值函數(shù)關(guān)系，因此就可以用測(cè)量到的熱電勢(shì)E來(lái)得到對(duì)應(yīng)的溫度值T，熱電偶熱電勢(shì)的大小，只是與導(dǎo)體A和B的材料有關(guān)，與冷熱端的溫度有關(guān)，與導(dǎo)體的粗細(xì)長(zhǎng)短及兩導(dǎo)體接觸面積無(wú)關(guān)?？偨Y(jié)結(jié)論(4點(diǎn))：1、熱電偶回路熱電勢(shì)只與組成熱電偶的材料及兩端溫度有關(guān)；與熱電偶的長(zhǎng)度、粗細(xì)無(wú)關(guān)。2、只有用不同性質(zhì)的導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)才能組合成熱電偶；相同材料不會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，因?yàn)楫?dāng)A、B兩種導(dǎo)體是同一種材料時(shí)，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。4、導(dǎo)體材料確定后，熱電勢(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)溫的原理。3、只有當(dāng)熱電偶兩端溫度不同,熱電偶的兩導(dǎo)體材料性質(zhì)不同時(shí)才能有熱電勢(shì)產(chǎn)生。對(duì)于有幾種不同材料串聯(lián)組成的閉合回路，接點(diǎn)溫度分別為T1、T2、

…、Tn，冷端溫度為零度的熱電勢(shì)。其熱電勢(shì)為

E=EAB（T1）+EBC（T2）+…+ENA（Tn）熱電偶的分度表不同金屬組成的熱電偶，溫度與熱電動(dòng)勢(shì)之間有不同的函數(shù)關(guān)系，一般通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)確定，并將不同溫度下測(cè)得的結(jié)果列成表格，編制出熱電勢(shì)與溫度的對(duì)照表，即分度表。供查閱使用，每10℃分檔。中間值按內(nèi)插法計(jì)算。S型(鉑銠10-鉑)熱電偶分度表

在熱電偶測(cè)溫回路內(nèi)，接入第三種導(dǎo)體時(shí)，只要第三種導(dǎo)體的兩端溫度相同，則對(duì)回路的總熱電勢(shì)沒(méi)有影響。1、中間導(dǎo)體定律應(yīng)用：利用熱電偶進(jìn)行測(cè)溫，必須在回路中引入連接導(dǎo)線和儀表，接入導(dǎo)線和儀表后不會(huì)影響回路中的熱電勢(shì)。

熱電偶基本定律測(cè)量?jī)x表及引線作為第三種導(dǎo)體的熱電偶回路2、中間溫度定律eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0)在熱電偶測(cè)溫回路中，tc為熱電極上某一點(diǎn)的溫度，熱電偶AB在接點(diǎn)溫度為t、t0時(shí)的熱電勢(shì)eAB(t,t0)等于熱電偶AB在接點(diǎn)溫度t、tc和tc、t0時(shí)的熱電勢(shì)eAB(t,tc)和eAB(tc,t0)的代數(shù)和，即中間溫度定律中間溫度定律的應(yīng)用根據(jù)這個(gè)定律，可以連接與熱電偶熱電特性相近的導(dǎo)體A′和B，將熱電偶冷端延伸到溫度恒定的地方，這就為熱電偶回路中應(yīng)用補(bǔ)償導(dǎo)線提供了理論依據(jù)。

該定律是參考端溫度計(jì)算修正法的理論依據(jù)。在實(shí)際熱電偶測(cè)溫回路中,利用熱電偶這一性質(zhì),可對(duì)參考端溫度不為0℃的熱電勢(shì)進(jìn)行修正。3、標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體（電極）定律標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體定律的意義通常選用高純鉑絲作標(biāo)準(zhǔn)電極只要測(cè)得它與各種金屬組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)，則各種金屬間相互組合成熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)就可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電極定律計(jì)算出來(lái)。若兩種導(dǎo)體A、B分別與第三種導(dǎo)體C組成熱電偶的熱電勢(shì)已知，則A、B組成的熱電偶也已知。標(biāo)準(zhǔn)電極：鉑例：已知求：例子熱端為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，而考銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)為－4.0mV，則鎳鉻和考銅組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)應(yīng)為：2.95－(－4.0)=6.95(mV)

4、均質(zhì)導(dǎo)體定律由兩種均質(zhì)導(dǎo)體組成的熱電偶，其熱電動(dòng)勢(shì)的大小只與兩材料及兩接點(diǎn)溫度有關(guān)，與熱電偶的大小尺寸、形狀及沿電極各處的溫度分布無(wú)關(guān)。即熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的均質(zhì)材料構(gòu)成。意義：有助于檢驗(yàn)兩個(gè)熱電極材料成分是否相同及材料的均勻性。例6.3.1用（S型）熱電偶測(cè)量某一溫度，若參比端溫度T0=30℃，測(cè)得的熱電勢(shì)E(T,Tn)=7.5mV，求測(cè)量端實(shí)際溫度T。查分度表有E（30，0）=0.173mV反查分度表有T=830℃，測(cè)量端實(shí)際溫度為830℃8.3.3熱電偶的冷端處理和補(bǔ)償 熱電偶的熱電勢(shì)大小不僅與熱端溫度的有關(guān)，而且也與冷端溫度有關(guān)，只有當(dāng)冷端溫度恒定，通過(guò)測(cè)量熱電勢(shì)的大小得到熱端的溫度。

熱電偶的冷端處理和補(bǔ)償:

當(dāng)熱電偶冷端處在溫度波動(dòng)較大的地方時(shí)，必須首先使用補(bǔ)償導(dǎo)線將冷端延長(zhǎng)到一個(gè)溫度穩(wěn)定的地方，再考慮將冷端處理為０℃。幾種冷端處理方法：1.補(bǔ)償導(dǎo)線法2.熱電偶冷端溫度恒溫法3.計(jì)算修正法4.冷端補(bǔ)償電橋法1.補(bǔ)償導(dǎo)線法組成：補(bǔ)償導(dǎo)線合金絲、絕緣層、護(hù)套和屏蔽層。熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線功能：其一實(shí)現(xiàn)了冷端遷移；其二是降低了電路成本。補(bǔ)償導(dǎo)線又分為延長(zhǎng)型和補(bǔ)償型兩種延長(zhǎng)形：補(bǔ)償導(dǎo)線合金絲的名義化學(xué)成分及熱電勢(shì)標(biāo)稱值與配用的熱電偶相同，用字母“Ｘ”附在熱電偶分度號(hào)后表示，補(bǔ)償型：其合金絲的名稱化學(xué)成分與配用的熱電偶不同，但其熱電勢(shì)值在100℃以下時(shí)與配用的熱電偶的熱電勢(shì)標(biāo)稱值相同，有字母“C”附在熱電偶分度號(hào)后表示，

補(bǔ)償導(dǎo)線的型號(hào)、線芯材質(zhì)和絕緣層著色

補(bǔ)償導(dǎo)線型號(hào)配用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的線芯材料絕緣層著色正極負(fù)極SC或RC鉑銠10（鉑銠）-鉑SPC（銅）SNC（銅鎳）紅綠KC鎳鉻-鎳硅KPC（銅）KNC（銅鎳）紅藍(lán)KX鎳鉻-鎳硅KPX（銅鎳）KNX（鎳硅）紅黑NX鎳鉻硅-鎳硅NPS（銅鎳）NNX（鎳硅）紅灰EX鎳鉻-銅鎳EPX（鎳鉻）ENX（銅鎳）紅棕JX鐵-銅鎳JPX（鐵）JNX（銅鎳）紅紫TX銅-銅鎳TPX（銅）TNX（銅鎳）紅白使用補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)注意問(wèn)題：補(bǔ)償導(dǎo)線只能用在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)（0~100℃）；熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線的兩個(gè)接點(diǎn)處要保持溫度相同；不同型號(hào)的熱電偶配有不同的補(bǔ)償導(dǎo)線；補(bǔ)償導(dǎo)線由正、負(fù)極需分別與熱電偶正、負(fù)極相連；補(bǔ)償導(dǎo)線的作用是對(duì)熱電偶冷端延長(zhǎng)。2.熱電偶冷端溫度恒溫法適用于實(shí)驗(yàn)室中的精確測(cè)量和檢定熱電偶時(shí)使用。3.計(jì)算修正法在實(shí)際應(yīng)用中，熱電偶的參比端往往不是，而是環(huán)境溫度，這時(shí)測(cè)量出的回路熱電勢(shì)要小，因此必須加上環(huán)境溫度與冰點(diǎn)之間溫差所產(chǎn)生的熱電勢(shì)后才能符合熱電偶分度表的要求。

可用室溫計(jì)測(cè)出環(huán)境溫度T1，從分度表中查出的E(T1,0)值，然后加上熱電偶回路熱電勢(shì)E(T,T1)，得到E(T,0)值，反查分度表即可得到準(zhǔn)確的被測(cè)溫度值。例6.3．2用鎳鉻--鎳硅(K型)熱電偶測(cè)溫，熱電偶參比端溫度為30℃。測(cè)得的熱電勢(shì)為28mV，求熱端溫度。反查K分度表T=701.5℃計(jì)算修正曲線4.冷端補(bǔ)償電橋法利用直流不平衡電橋產(chǎn)生的電勢(shì)來(lái)補(bǔ)償熱電偶冷端溫度變化而引起的熱電勢(shì)的變化值

8.3.4標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶：工藝上比較成熟，能批量生產(chǎn)、性能穩(wěn)定、應(yīng)用廣泛，具有統(tǒng)一分度表并已列入國(guó)際和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)文件中的熱電偶。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶可以互相交換，精度有一定的保證。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）共推薦了8種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶技術(shù)數(shù)據(jù)熱電偶名稱分度號(hào)熱電極識(shí)別E（100,0）（mV）測(cè)溫范圍（℃）對(duì)分度表允許偏差（℃）新極性識(shí)別長(zhǎng)期短期等級(jí)使用溫度允差鉑銠10-鉑S正亮白較硬0.6460~13001600Ⅲ≤600±1.5℃負(fù)亮白柔軟＞600±0.25%t鉑銠13-鉑R正較硬0.6470~13001600Ⅱ＜600±1.5℃負(fù)柔軟＞1100±0.25%t鉑銠30-鉑銠B正較硬0.0330~16001800Ⅲ600~900±4℃負(fù)稍軟＞800±0.5%t鎳鉻-鎳硅K正不親磁4.0960~12001300Ⅱ-40~1300±2.5℃或±0.75%t負(fù)稍親磁Ⅲ-200~40±2.5℃或±1.5%t鎳鉻硅-鎳硅N正不親磁2.774-200~12001300Ⅰ-40~1100±1.5℃或±0.4%t負(fù)稍親磁Ⅱ-40~1300±2.5℃或±0.75%t鎳鉻-康銅E正暗綠6.319-200~760850Ⅱ-40~900±2.5℃或±0.75%t負(fù)亮黃Ⅲ-200~40±2.5℃或±1.5%t銅-康銅T正紅色4.279-200~350400Ⅱ-40~350±1℃或±0.75%t負(fù)銀白色Ⅲ-200~40±1℃或±1.5%t鐵-康銅J正親磁5.269-40~600750Ⅱ-40~750±2.5℃或±0.75%t負(fù)不親磁1.鉑銠10-鉑熱電偶（S型）貴金屬熱電偶。電極線徑規(guī)定為0.5mm， 正極（SP）的名義化學(xué)成分為鉑銠合金 負(fù)極（SN）為純鉑，故俗稱為單鉑銠熱電偶。 長(zhǎng)期最高使用溫度為1300℃，短期最高使用溫度為1600℃。優(yōu)點(diǎn)：準(zhǔn)確度高，穩(wěn)定性好，測(cè)溫溫區(qū)和使用壽命長(zhǎng)，物理化學(xué)性能良好，在高溫下抗氧化性能好，適用于氧化和惰性氣氛中。缺點(diǎn)：熱電率較小，靈敏度低，高溫下機(jī)械強(qiáng)度下降，對(duì)污染敏感，貴金屬材料昂貴，因此一次性投資較大。2.鉑銠30-鉑銠6（B型）為貴金屬熱電偶。熱偶絲線徑規(guī)定為0.5mm， 正極（BP）和負(fù)極（BN）的名義化學(xué)成分均為鉑銠合金，只是含量不同，故俗稱為雙鉑銠熱電偶。 長(zhǎng)期最高使用溫度為1600℃，短期最高使用溫度為1800℃。優(yōu)點(diǎn)：準(zhǔn)確度高，穩(wěn)定性好，測(cè)溫溫區(qū)寬，使用壽命長(zhǎng)等，適用于氧化性和惰性氣氛中，也可短期用于真空中，但不適用于還原性氣氛或含有金屬或非金屬蒸汽中；參比端不需進(jìn)行冷端補(bǔ)償，因?yàn)樵?～50℃范圍內(nèi)熱電勢(shì)小于3μV。缺點(diǎn)：熱電率較小，靈敏度低，高溫下機(jī)械強(qiáng)度下降，抗污染能力差，貴金屬材料昂貴。3.鎳鉻-鎳硅熱電偶（K型）使用量最大的廉金屬熱電偶，用量為其他熱電偶的總和 正極（KP）的名義化學(xué)成分為：Ni:Cr=90:10， 負(fù)極（KN）的名義化學(xué)化學(xué)成分為Ni:Si=97:3。 其使用溫度為-200～1300℃。優(yōu)點(diǎn)：線性度好，熱電勢(shì)較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性均好，抗氧化性強(qiáng)，價(jià)格便宜。能用于氧化性和惰性氣氛中。K型熱電偶不能在高溫下直接用于硫、還原性或還原、氧化交替的氣氛中，也不能用于真空中。4.鎳鉻-銅鎳熱電偶（E型）稱為鎳鉻-康銅熱電偶，也是一種廉價(jià)金屬熱電偶。 其正極（EP）為鎳鉻10合金，化學(xué)成分與KP相同，負(fù)極（EN）為銅鎳合金，名義化學(xué)成分為55%的銅、45%的鎳以及少量的鈷、錳、鐵等元素。該熱電偶電動(dòng)勢(shì)之大，靈敏度之高屬所有標(biāo)準(zhǔn)熱電偶之最，宜制成熱電偶堆來(lái)測(cè)量微小溫度變化。E型熱電偶可用于濕度較大的環(huán)境里，具有穩(wěn)定性好，抗氧化性能高，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。但不能在高溫下用于硫、還原性氣氛中。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶熱電勢(shì)和溫度的關(guān)系標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的特性熱電偶種類優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)B適于測(cè)量1000℃以上的高溫常溫下熱電動(dòng)勢(shì)極小，可不用補(bǔ)償導(dǎo)線抗氧化、耐化學(xué)腐蝕在中低溫領(lǐng)域熱電動(dòng)勢(shì)小，不能用于600℃以下靈敏度低熱電動(dòng)勢(shì)的線性不好R、S精度高、穩(wěn)定性好，不易劣化抗氧化、耐化學(xué)腐蝕可作標(biāo)準(zhǔn)靈敏度低不適用于還原性氣氛(尤其是H2、金屬蒸氣)熱電動(dòng)勢(shì)的線性不好價(jià)格高N熱電動(dòng)勢(shì)線性好1200℃以下抗氧化性能良好短程表序結(jié)構(gòu)變化影響小不適用于還原性氣氛同貴金屬勢(shì)電偶相比時(shí)效變化大K熱電動(dòng)勢(shì)線性好1000℃下抗氧化性能良好在廉金屬熱電偶中穩(wěn)定性更好不適用于還原性氣氛同貴金屬熱電偶相比時(shí)效變化大因短程有序結(jié)構(gòu)變化而產(chǎn)生誤差E在現(xiàn)有的熱電偶中，靈敏度最高同J型相比，耐熱性能良好兩極非磁性不適用于還原性氣氛熱導(dǎo)率低具有微滯后現(xiàn)象J可用于還原性氣氛熱電動(dòng)勢(shì)較K型高20%左右鐵正極