传感器第七章A

同理，图b中C、A接点2与C、B的接点3，同处于温度T0之中，此 回路的电势也为：
EAB（T1, T2）=EAB（T1）-EAB（T2） (a)
A T2 a 2 T0 E AB a T0 C 2 3 T0 C B A B 3 T0 A
第三种材料 接入热电偶 回路图
T1
(b)
T2
EAB
T1
机械与电子工程学院 用途 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总=EAB（T）+EBC（T）+ECA（T）= 0
T
A
T
B
C
T
三种不同导体组成的热电偶回路
机械与电子工程学院 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T0之中，此回路 的总电势不变，即
EAB(T1,T2)=EAB(T1)-EAB（T2）
4
因此，特别适用于对壁面温度的 快速测量。安装时,用粘结剂将它 粘结在被测物体壁面上。目前我 国试制的有铁—镍、铁—康铜和 铜—康铜三种,尺寸为 60×6×0.2mm;绝缘基板用云母、 陶瓷片、玻璃及酚醛塑料纸等； 测温范围在300℃以下；反应时间 仅为几ms。
1 2 3
快速反应薄膜热电偶 1—热电极; 2—热接点; 3—绝缘基板; 4—引出线
A
A B A
T1
T2
B
B
T3
用途：制定热电式分度表奠定理论基础，参考温度0度
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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T2=0℃时，则： EAB（T1,T3）=EAB（T1, 0）+EA B（0, T3） =EAB（T1, 0）-EAB（T3, 0）=EAB（T1）-EAB（T3）
二、热电偶回路的性质
1. 均质导体定律 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。（用途）
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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
T1
B T2 B’ T0
E
热电偶补偿 导线接线图
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三、热电偶的常用材料与结构
热电偶材料应满足：
物理性能稳定，热电特性不随时间改变；
化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐 蚀；
热电势高，导电率高，且电阻温度系数小； 便于制造； 复现性好，便于成批生产。
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热电偶的热电势，等于两端温度分别为T 和零度 以及T0和零度的热电势之差。
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结论(4点)：
1.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。
2.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(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。
T
B 热电偶
T0
机械与电子工程学院 2. 计算修正法 用普通室温计算出参比端实际温度TH，利用公式计算 EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0) 例 用铜-康铜热电偶测某一温度T，参比端在室温环境TH中，测 得热电动势EAB(T ， TH)=1.999mV，又用室温计测出TH=21℃,查 此种热电偶的分度表可知，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，与2.831mV对应的热端温度T=68℃。
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实验----热电偶工作原理演示
热电极A 左端称为： 测量端（工 作端、热端） 热电势 A 热电极B
右端称为： 自由端 （参考端、 冷端）
B
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从实验到理论：热电效应

1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金 属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个 接触点（称为结点），发现放在回路中的指 南针发生偏转（说明什么？），如果用两盏 酒精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转 角反而减小（又说明什么？）。
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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T1、 T2(如图所示)时,则其热电势为EAB(T1, T2)；当接点温度为T2、T3 时，其热电势为EAB(T2, T3)；当接点温度为T1 、T3 时，其热电 势为EAB(T1, T3)，则
EAB（T1, T3）=EAB（T1, T2）+EAB（T2, T3）
显然，指南针的偏转说明回路中有电动势产 生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两 个结点的温差有关。
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通过以上演示得出结论——有关热电偶热电势的讨论


将两种不同的导体（或半导体）A、B组合成闭合回路。若 两结点处温度不同，则回路中将有电流流动，即回路中有 热电动势存在。 此电动势的大小除了与材料本身的性质有关以外,还决定 于结点处的温差，这种现象称为热电效应或西拜克效应。 热电偶就是根据此原理设计制作的将温差转换为电势量的 热电式传感器。热电效应产生的热电势是由接触电势和温 差电势两部分组成的。
热端
冷端
回路中所产生的电 动势，叫热电势。 热电势由两部分组 成，即温差电势和 接触电势。
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1. 接触电势
A
+
-
B
eAB(T)
kT N A e AB (T ) ln e NB
eAB(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 =1.6×10-19C； k——波尔兹曼常数， k =1.38×10-23 J/K ； NA、NB ——导体A、B在温度为T 时的电子密度。
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3. 回路总电势
由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0,如果 T＞T0 ，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：
E AB (T , T0 ) e AB (T ) e AB (T0 ) e A (T , T0 ) eB (T , T0 )
接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。
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2. 温差电势
To A eA(T,To)
T 温差电势原理图
eA (T , T0 ) AdT
T0
T
eA(T，T0)——导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势； T，T0——高低端的绝对温度； σA——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σ =2μV/℃。
断面如图所示。它是由热电偶丝、绝缘材料，金属套管三者 拉细组合而成一体。又由于它的热端形状不同，可分为四种型式 如图。 优点是小型化 （ 直径从 1 12mm到0.25mm）、寿命、 2 热惯性小，使用方便。 3 测 温 范 围 在 1100℃ 以 下 的有：镍铬 — 镍硅 、镍 (a) (b) (c) (d)
常用热电偶的结构类型 1．工业用热电偶
下图为典型工业用热电偶结构示意图。它由热电偶 丝、绝缘套管、保护套管以及接线盒等部分组成。实验 室用时，也可不装保护套管，以减小热惯性。
1
2
3
4
工业热电偶结构示意图
1－接线盒；2－保险套管3―绝缘套管4―热电偶丝
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2．铠装式热电偶（又称套管式热电偶）
机械与电子工程学院 4．快速消耗微型热电偶 下图为一种测量钢水温度的热电偶。它是用直径为Φ0.05～ 0.lmm的铂铑10一铂铑30热电偶装在U型石英管中，再铸以高温绝 缘水泥，外面再用保护钢帽所组成。这种热电偶使用一次就焚化 ，但它的优点是热惯性小，只要注意它的动态标定，测量精度可 达土5～7℃。 1 2 34 5 7 6 8 9 10 11
快速消耗微型
1—刚帽； 2—石英； 3—纸环； 4—绝热泥；5—冷端； 6—棉花； 7—绝缘纸管； 8—补偿导线；9—套管； 10—塑料插座； 11—簧片与引出线
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四、冷端处理及补偿
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。 方法 冰点槽器法 软件处理法
3.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。 4.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EAB(T0)=常数，则回路热电势EAB(T ， T0)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。
机械与电子工程学院 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T1、 T2 、 …、Tn ，冷端温度为零度的热电势。其热电势为 E= EAB（T1）+ EBC（T2）+…+ENA（Tn）
E T0 T0 T0 T1 T1 T T
E
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标准电极定律
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：
EAB（T, T0）= EAC（T, T0）+ ECB（T, T0）
用途：纯金属很多，合金更多，如果要得出它们之间的热电动势很困难。铂的 物理化学性质稳定，熔点高、易提纯。通常选用高纯铂丝作为标准电极。