傳感器第七章A

實驗----熱電偶工作原理演示熱電極A右端稱為：自由端（參考端、冷端）左端稱為：測量端（工作端、熱端）熱電極B熱電勢AB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)角反而減小（又說明什么？）。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，電流的強弱與兩個結(jié)點的溫差有關(guān)。通過以上演示得出結(jié)論——有關(guān)熱電偶熱電勢的討論將兩種不同的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）A、B組合成閉合回路。若兩結(jié)點處溫度不同，則回路中將有電流流動，即回路中有熱電動勢存在。此電動勢的大小除了與材料本身的性質(zhì)有關(guān)以外,還決定于結(jié)點處的溫差，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)或西拜克效應(yīng)。熱電偶就是根據(jù)此原理設(shè)計制作的將溫差轉(zhuǎn)換為電勢量的熱電式傳感器。熱電效應(yīng)產(chǎn)生的熱電勢是由接觸電勢和溫差電勢兩部分組成的。溫差熱電偶（簡稱熱電偶）是目前溫度測量中使用最普遍的傳感元件之一。它除具有結(jié)構(gòu)簡單，測量范圍寬、準(zhǔn)確度高、熱慣性小，輸出信號為電信號便于遠(yuǎn)傳或信號轉(zhuǎn)換等優(yōu)點外，還能用來測量流體的溫度、測量固體以及固體壁面的溫度。微型熱電偶還可用于快速及動態(tài)溫度的測量?！?-1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)★冷端處理及補償兩種不同的導(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，也就是說回路中有電動勢存在，這種現(xiàn)象叫做熱電效應(yīng)。這種現(xiàn)象早在1821年首先由西拜克（See－back）發(fā)現(xiàn),所以又稱西拜克效應(yīng)。熱電偶原理圖TT0AB

一、熱電偶的工作原理回路中所產(chǎn)生的電動勢，叫熱電勢。熱電勢由兩部分組成，即溫差電勢和接觸電勢。熱端冷端1.接觸電勢接觸電勢原理圖+ABeAB(T)-eAB(T)——導(dǎo)體A、B結(jié)點在溫度T時形成的接觸電動勢；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時的電子密度。接觸電勢的大小與溫度高低及導(dǎo)體中的電子密度有關(guān)。AeA(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)，表示導(dǎo)體A兩端的溫度差為1℃時所產(chǎn)生的溫差電動勢，例如在0℃時，銅的σ=2μV/℃。2.溫差電勢溫差電勢原理圖由導(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NAT、NAT0——導(dǎo)體A在結(jié)點溫度為T和T0時的電子密度；NBT、NBT0——導(dǎo)體B在結(jié)點溫度為T和T0時的電子密度；σA

、σB——導(dǎo)體A和B的湯姆遜系數(shù)。根據(jù)電磁場理論得EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)=f(T)-C=g(T)由于NA、NB是溫度的單值函數(shù)在工程應(yīng)用中，常用實驗的方法得出溫度與熱電勢的關(guān)系并做成表格，以供備查。由公式可得：EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)=EAB(T)-EAB(0)-[EAB(T)-EAB(T0)]=EAB(T，0)-EAB(T0，0)熱電偶的熱電勢，等于兩端溫度分別為T和零度以及T0和零度的熱電勢之差。4.導(dǎo)體材料確定后，熱電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)體材料不同時才能有熱電勢產(chǎn)生。熱電偶回路熱電勢只與組成熱電偶的材料及兩端溫度有關(guān)；與熱電偶的長度、粗細(xì)無關(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；相同材料不會產(chǎn)生熱電勢，因為當(dāng)A、B兩種導(dǎo)體是同一種材料時，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。結(jié)論(4點)：對于有幾種不同材料串聯(lián)組成的閉合回路，接點溫度分別為T1、T2、

…、Tn

，冷端溫度為零度的熱電勢。其熱電勢為

E=EAB（T1）+EBC（T2）+…+ENA（Tn）

由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論其導(dǎo)體是否存在溫度梯度，回路中沒有電流(即不產(chǎn)生電動勢)；反之，如果有電流流動，此材料則一定是非均質(zhì)的，即熱電偶必須采用兩種不同材料作為電極。（用途）

二、熱電偶回路的性質(zhì)1.均質(zhì)導(dǎo)體定律

E總=EAB（T）+EBC（T）+ECA（T）=0三種不同導(dǎo)體組成的熱電偶回路TABCTT2.中間導(dǎo)體定律一個由幾種不同導(dǎo)體材料連接成的閉合回路，只要它們彼此連接的接點溫度相同，則此回路各接點產(chǎn)生的熱電勢的代數(shù)和為零。如圖，由A、B、C三種材料組成的閉合回路，則兩點結(jié)論：

l）將第三種材料C接入由A、B組成的熱電偶回路，如圖，則圖a中的A、C接點2與C、A的接點3，均處于相同溫度T0之中，此回路的總電勢不變，即同理，圖b中C、A接點2與C、B的接點3，同處于溫度T0之中，此回路的電勢也為：T2T1AaBC23EABaAT023ABEABT1T2

CT0EAB（T1,T2）=EAB（T1）-EAB（T2）(a)(b)T0T0EAB(T1,T2)=EAB(T1)-EAB（T2）第三種材料接入熱電偶回路圖ET0T0TET0T1T1T電位計接入熱電偶回路用途根據(jù)上述原理，可以在熱電偶回路中接入電位計E，只要保證電位計與連接熱電偶處的接點溫度相等，就不會影響回路中原來的熱電勢，接入的方式見下圖所示。

EAB（T,T0）=EAC（T,T0）+ECB（T,T0）T0TEBA(T,T0)BAT0TEAC(T,T0)ACT0TECB(T,T0)CB標(biāo)準(zhǔn)電極定律2）如果任意兩種導(dǎo)體材料的熱電勢是已知的，它們的冷端和熱端的溫度又分別相等，如圖所示，它們相互間熱電勢的關(guān)系為：用途：純金屬很多，合金更多，如果要得出它們之間的熱電動勢很困難。鉑的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，熔點高、易提純。通常選用高純鉑絲作為標(biāo)準(zhǔn)電極。3.中間溫度定律

如果不同的兩種導(dǎo)體材料組成熱電偶回路,其接點溫度分別為T1、T2(如圖所示)時,則其熱電勢為EAB(T1,T2)；當(dāng)接點溫度為T2、T3時，其熱電勢為EAB(T2,T3)；當(dāng)接點溫度為T1、T3時，其熱電勢為EAB(T1,T3)，則BBA

T2

T1

T3

AAB

EAB（T1,T3）=EAB（T1,T2）+EAB（T2,T3）用途：制定熱電式分度表奠定理論基礎(chǔ)，參考溫度0度EAB（T1,T3）=EAB（T1,0）+EAB（0,T3）

=EAB（T1,0）-EAB（T3,0）=EAB（T1）-EAB（T3）

ABT1T2T2A’B’T0T0熱電偶補償導(dǎo)線接線圖E對于冷端溫度不是零度時，熱電偶如何分度表的問題提供了依據(jù)。如當(dāng)T2=0℃時，則：只要T1、T0不變，接入AˊBˊ后不管接點溫度T2如何變化，都不影響總熱電勢。這便是引入補償導(dǎo)線原理。EAB=EAB(T1)–EAB(T0)說明：當(dāng)在原來熱電偶回路中分別引入與導(dǎo)體材料A、B同樣熱電特性的材料A′、B′(如圖)即引入所謂補償導(dǎo)線時，當(dāng)EAA?(T2)=EBB?(T2)，則回路總電動勢為熱電偶材料應(yīng)滿足：物理性能穩(wěn)定，熱電特性不隨時間改變；化學(xué)性能穩(wěn)定，以保證在不同介質(zhì)中測量時不被腐蝕；熱電勢高，導(dǎo)電率高，且電阻溫度系數(shù)?。槐阌谥圃?；復(fù)現(xiàn)性好，便于成批生產(chǎn)。三、熱電偶的常用材料與結(jié)構(gòu)常用熱電偶的結(jié)構(gòu)類型

1．工業(yè)用熱電偶

下圖為典型工業(yè)用熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖。它由熱電偶絲、絕緣套管、保護(hù)套管以及接線盒等部分組成。實驗室用時，也可不裝保護(hù)套管，以減小熱慣性。工業(yè)熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖1－接線盒；2－保險套管3―絕緣套管4―熱電偶絲1234(a)(b)(c)(d)

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2．鎧裝式熱電偶（又稱套管式熱電偶）優(yōu)點是小型化（直徑從12mm到0.25mm）、壽命、熱慣性小，使用方便。

測溫范圍在1100℃以下的有：鎳鉻—鎳硅、鎳鉻—考銅鎧裝式熱電偶。

斷面如圖所示。它是由熱電偶絲、絕緣材料，金屬套管三者拉細(xì)組合而成一體。又由于它的熱端形狀不同，可分為四種型式如圖。圖3.2-12鎧裝式熱電偶斷面結(jié)構(gòu)示意圖

1—

金屬套管;2—絕緣材料;3—熱電極

(a)—碰底型;(b)—不碰底型;(c)—露頭型;(d)—帽型3．快速反應(yīng)薄膜熱電偶用真空蒸鍍等方法使兩種熱電極材料蒸鍍到絕緣板上而形成薄膜裝熱電偶。如圖，其熱接點極薄(0.01～0.lμm)4123快速反應(yīng)薄膜熱電偶1—熱電極;2—熱接點;3—絕緣基板;4—引出線因此，特別適用于對壁面溫度的快速測量。安裝時,用粘結(jié)劑將它粘結(jié)在被測物體壁面上。目前我國試制的有鐵—鎳、鐵—康銅和銅—康銅三種,尺寸為60×6×0.2mm;絕緣基板用云母、陶瓷片、玻璃及酚醛塑料紙等；測溫范圍在300℃以下；反應(yīng)時間僅為幾ms。

4．快速消耗微型熱電偶下圖為一種測量鋼水溫度的熱電偶。它是用直徑為Φ0.05～0.lmm的鉑銠10一鉑銠30熱電偶裝在U型石英管中，再鑄以高溫絕緣水泥，外面再用保護(hù)鋼帽所組成。這種熱電偶使用一次就焚化，但它的優(yōu)點是熱慣性小，只要注意它的動態(tài)標(biāo)定，測量精度可達(dá)土5～7℃。1423567891110快速消耗微型1—剛帽；2—石英；3—紙環(huán)；4—絕熱泥；5—冷端；6—棉花；7—絕緣紙管；8—補償導(dǎo)線；9—套管；10—塑料插座；11—簧片與引出線方法冰點槽法計算修正法補正系數(shù)法零點遷移法冷端補償器法軟件處理法四、冷端處理及補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)，否則會產(chǎn)生誤差。1.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)線試管補償導(dǎo)線熱電偶冰點槽冰水溶液四、冷端處理及補償T02.計算修正法用普通室溫計算出參比端實際溫度TH，利用公式計算例用銅-康銅熱電偶測某一溫度T，參比端在室溫環(huán)境TH中，測得熱電動勢EAB(T，TH)=1.999mV，又用室溫計測出TH=21℃,查此種熱電偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.832mV，故得EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，T0)=1.999+0.832=2.831(mV)再次查分度表，與2.831mV對應(yīng)的熱端溫度T=68℃。注意:既不能只按1.999mV查表，認(rèn)為T=49℃，也不能把49℃加上21℃，認(rèn)為T=70℃。EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)3.補正系數(shù)法把參比端實際溫度TH乘上系數(shù)k，加到由EAB(T，TH)查分度表所得的溫度上，成為被測溫度T。用公式表達(dá)即

式中：T——為未知的被測溫度；T′——為參比端在室溫下熱電偶電勢與分度表上對應(yīng)的某個溫度；TH——室溫；k——為補正系數(shù)，其它參數(shù)見下表。例用鉑銠10－鉑熱電偶測溫，已知冷端溫度TH=35℃，這時熱電動勢為11.348mV．查S型熱電偶的分度表，得出與此相應(yīng)的溫度T′=1150℃。再從下表中查出，對應(yīng)于1150℃的補正系數(shù)k=0.53。于是，被測溫度

T=1150+0.53×35=1168.3（℃）用這種辦法稍稍簡單一些，比計算修正法誤差可能大一點，但誤差不大于0.14％。T＝

T′＋

kTH溫度T′/℃補正系數(shù)k鉑銠10-鉑(S)鎳鉻-鎳硅（K）1000.821.002000.721.003000.690.984000.660.985000.631.006000.620.967000.601.008000.591.009000.561.0010000.551.0711000.531.1112000.53—13000.52—14000.52—15000.53—16000.53—熱電偶補正系數(shù)4.冷端補償器法利用不平衡電橋產(chǎn)生熱電勢補償熱電偶因冷端溫度變化而引起熱電勢的變化值。不平衡電橋由R1、R2、R3(錳銅絲繞制)、RCu(銅絲繞制)四個橋臂和橋路電源組成。設(shè)計時，在0℃下使電橋平衡(R1=R2=R3=RCu)，此時Uab=0，電橋?qū)x表讀數(shù)無影響。冷端補償器的作用注意：橋臂RCu必須和熱電偶的冷端靠近，使處于同一溫度之下。

mVEAB(T,T0)T0T0TAB++-abUUabRCuR1R2R3RT0UaUabEAB(