傳感器6 熱電式

熱電式傳感器勤樸忠實(shí)實(shí)驗(yàn)----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(cè)量端（工作端、熱端）熱電極B熱電勢(shì)AB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?。ㄓ终f明什么？）。顯然，指南針的偏轉(zhuǎn)說明回路中有電動(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)。通過以上演示得出結(jié)論——有關(guān)熱電偶熱電勢(shì)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(diǎn)處溫度不同，則回路中將有電流流動(dòng)，即回路中有熱電動(dòng)勢(shì)存在。此電動(dòng)勢(shì)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(diǎn)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(jì)制作的將溫差轉(zhuǎn)換為電勢(shì)量的熱電式傳感器。熱電效應(yīng)產(chǎn)生的熱電勢(shì)是由接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)兩部分組成的。溫差熱電偶（簡(jiǎn)稱熱電偶）是目前溫度測(cè)量中使用最普遍的傳感元件之一。它除具有結(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)外，還能用來測(cè)量流體的溫度、測(cè)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(dòng)態(tài)溫度的測(cè)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(bǔ)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(dòng)勢(shì)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TT0AB6.1.1熱電偶的工作原理回路中所產(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)。熱端冷端1.接觸電勢(shì)接觸電勢(shì)原理圖+ABeAB(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)。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)NAT、NAT0——導(dǎo)體A在結(jié)點(diǎn)溫度為T和T0時(shí)的電子密度；NBT、NBT0——導(dǎo)體B在結(jié)點(diǎn)溫度為T和T0時(shí)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(chǎng)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(shí)驗(yàn)的方法得出溫度與熱電勢(shì)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(shì)，等于兩端溫度分別為T和零度以及T0和零度的熱電勢(shì)之差。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)體材料不同時(shí)才能有熱電勢(shì)產(chǎn)生。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。結(jié)論(4點(diǎn))：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）

6.1.2熱電偶基本定理由一種均質(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(dòng)勢(shì))；反之，如果有電流流動(dòng)，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）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(gè)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(diǎn)溫度相同，則此回路各接點(diǎn)產(chǎn)生的熱電勢(shì)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(diǎn)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(diǎn)2與C、A的接點(diǎn)3，均處于相同溫度T0之中，此回路的總電勢(shì)不變，即同理，圖b中C、A接點(diǎn)2與C、B的接點(diǎn)3，同處于溫度T0之中，此回路的電勢(shì)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(jì)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(jì)E，只要保證電位計(jì)與連接熱電偶處的接點(diǎn)溫度相等，就不會(huì)影響回路中原來的熱電勢(shì)，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(shì)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(shì)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(dòng)勢(shì)很困難。鉑的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，熔點(diǎn)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(diǎn)溫度分別為T1、T2(如圖所示)時(shí),則其熱電勢(shì)為EAB(T1,T2)；當(dāng)接點(diǎn)溫度為T2、T3時(shí)，其熱電勢(shì)為EAB(T2,T3)；當(dāng)接點(diǎn)溫度為T1、T3時(shí)，其熱電勢(shì)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(bǔ)償導(dǎo)線接線圖E對(duì)于冷端溫度不是零度時(shí)，熱電偶如何分度表的問題提供了依據(jù)。如當(dāng)T2=0℃時(shí)，則：只要T1、T0不變，接入AˊBˊ后不管接點(diǎn)溫度T2如何變化，都不影響總熱電勢(shì)。這便是引入補(bǔ)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(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)，當(dāng)EAA?(T2)=EBB?(T2)，則回路總電動(dòng)勢(shì)為例題：溫度/℃203040508090100110120130140熱電勢(shì)/mV0.801.201.602.023.263.384.104.514.905.305.73下表為某熱電偶的分度表，測(cè)量電路如圖所示，數(shù)字電壓表的讀數(shù)為4.10mV，熱電偶與電壓表用補(bǔ)償導(dǎo)線連接，求被測(cè)溫度Tx，給出簡(jiǎn)單計(jì)算過程。例：將一支靈敏度0.08mV/°C的熱電偶與電壓表相連，電壓表接線端處溫度為50°C。電壓表上讀數(shù)為60mV,求熱電偶端溫度。解：根據(jù)題意，電壓表上的毫伏數(shù)是由熱端溫度t、冷端溫度50°C產(chǎn)生的，即，E（t，50）=60mV.又因：E（t，0）=E（t，50）+E（50，0）=60+0.08*50=64mV所以：熱端溫度t=64/0.08=800°C。方法冰點(diǎn)槽法計(jì)算修正法補(bǔ)正系數(shù)法零點(diǎn)遷移法冷端補(bǔ)償器法軟件處理法6.1.3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)，否則會(huì)產(chǎn)生誤差。1.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6.1.3熱電偶冷端處理及補(bǔ)償T0

2.計(jì)算修正法

用普通室溫計(jì)算出參比端實(shí)際溫度TH，利用公式計(jì)算例用銅-康銅熱電偶測(cè)某一溫度T，參比端在室溫環(huán)境TH中，測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)EAB(T，TH)=1.999mV，又用室溫計(jì)測(cè)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(duì)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(bǔ)正系數(shù)法

把參比端實(shí)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(cè)溫度T。用公式表達(dá)即

式中：T——為未知的被測(cè)溫度；T′——為參比端在室溫下熱電偶電勢(shì)與分度表上對(duì)應(yīng)的某個(gè)溫度；TH——室溫；k——為補(bǔ)正系數(shù)，其它參數(shù)見下表。例用鉑銠10－鉑熱電偶測(cè)溫，已知冷端溫度TH=35℃，這時(shí)熱電動(dòng)勢(shì)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?gòu)南卤碇胁槌?，?duì)應(yīng)于1150℃的補(bǔ)正系數(shù)k=0.53。于是，被測(cè)溫度

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

T′＋

kTH溫度T′/℃補(bǔ)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(bǔ)正系數(shù)