第八章 热电式传感器1

C B
t1 t1
A
C
A
C
2、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，即
eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0)
8.3.1 热电偶测温原理
• 热电偶：两种不同的金属A和B构成闭合回路 当两个接触端T﹥ T0时，回路中会产生热电势
热电势由两种材料的接触电势和单一材料的温差电势决定
两种不同的导体或半导体 A和B组合成如图所示 闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同（设 T＞T0），则在此闭合回路中就有电流产生，也 就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热 电效应。
若两种导体A、B分别与第三种导体C组成热电偶 的热电势已知，则A、B组成的热电偶也已知。
T
A B A
C
标准电极：铂
B
C
EAB(T , T 0) EAC(T , T 0) EBC(T , T 0)
T0
例：已知 EAC (1084.5,0) 13.967 mV , EBC (1084.5,0) 8.354mV 求：EAB(1084.5,0) ?
反查分度表有T=830℃，测量端实际温度为830℃
8.3.3 热电偶的冷端处理和补偿
热电偶的热电势大小不仅与热端温度的有关， 而且也与冷端温度有关，只有当冷端温度恒定， 通过测量热电势的大小得到热端的温度。 热电偶的冷端处理和补偿:
当热电偶冷端处在温度波动较大的地方时，必 须首先使用补偿导线将冷端延长到一个温度稳 定的地方，再考虑将冷端处理为０℃。
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。
1. 接触电势
A + B
电场
第七章
nA nB
A
扩散 扩散
T
eAB(T)
EAB(T )
B
漂移
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。
NA T k (T T0 ) ln ( A B )dt e N B T0
• 热电极A和B为同一种材料时，NA=NB, δA=δB，
则EAB(T, T0)=0。
• 若热电偶两端处于同一温度下， T=T0 ， 则EAB(T, T0)=0 。 • 热电势存在必须具备两个条件： 一、两种不同的金属材料组成热电偶， 二、它的两端存在温差。
几种冷端处理方法：
1. 2. 3. 4. 补偿导线法 热电偶冷端温度恒温法 计算修正法 冷端补偿电桥法
1. 补偿导线法
• 组成：补偿导线合金丝、绝缘层、护套和屏蔽层。
• 热电偶补偿导线功能：
– 其一实现了冷端迁移； – 其二是降低了电路成本。
• 补偿导线又分为延长型和补偿型两种
– 延长形：补偿导线合金丝的名义化学成分及热电势标称值与 配用的热电偶相同，用字母“Ｘ”附在热电偶分度号后表示， – 补偿型：其合金丝的名称化学成分与配用的热电偶不同，但 其热电势值在100℃以下时与配用的热电偶的热电势标称值相 同，有字母“C”附在热电偶分度号后表示，
补偿导线由正、负极需分别与热电偶正、负极相
连； 补偿导线的作用是对热电偶冷端延长。
2. 热电偶冷端温度恒温法
适用于实验室中的精确测量和检定热电偶时使用。
3. 计算修正法
• 在实际应用中，热电偶的参比端往往不是，而 是环境温度，这时测量出的回路热电势要小， 因此必须加上环境温度与冰点之间温差所产生 的热电势后才能符合热电偶分度表的要求。
接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。
2. 温差电势
温差电势 e A (T , T0 ) （汤姆逊电势）

T
T0
dT
δ —— 汤姆逊系数，它表示温度为1℃时所产生的电动势值， 它与材料的性质有关。
第七章
2. 温差电势
To A eA(T,To)
T 温差电势原理图
eA (T , T0 ) AdT
0 0
T
T0
f (T ) f (T0 ) 热电势是T和T0的温度函数的差，而不是温度的函数。 当T0=0℃时，f (T0)=0则有：
E AB (T , T0 ) f (T )
E与T之间有唯一对应的单值函数关系， 因此就可以用测量到的热电势E来得到对应的温度值T， 热电偶热电势的大小，只是与导体A和B的材料有关， 与冷热端的温度有关，与导体的粗细长短及两导体接触面积无关。
A
t
t0
B A A
t
B
tc tc
B
t0
中间温度定律
中间温度定律的应用
• 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。
•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
NX
EX JX TX
NPS（铜镍）
EPX（镍铬） JPX（铁） TPX（铜）
NNX（镍硅）
ENX（铜镍） JNX（铜镍） TNX（铜镍）
红
红 红 红
灰
棕 紫 白
使用补偿导线时注意问题：
补偿导线只能用在规定的温度范围内（0~100℃）；
热电偶和补偿导线的两个接点处要保持温度相同；
不同型号的热电偶配有不同的补偿导线；
EM EL tM t L (t H t L ) EH E L
S型(铂铑10-铂)热电偶分度表
热电偶基本定律
1、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。
A
t0
T
C
A
t
t0
B B
B （a)
t0
t1
C （b)
N AT
N AT kT N AT kT0 ln ln e N BT e N BT
0
N AT0
0

T
T0
( A B )dT
N AT0 N AT N BT0 N BT
NA T k (T T0 ) ln ( A B )dt e N B T0
E AB (T , T0 ) e AB (T ) e AB (T0 ) e A (T , T0 ) eB (T , T0 )
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/℃。
3. 回路总电势
第七章
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(T ,0) E(T , T1 ) E (T1 ,0)
可用室温计测出环境温度T1，从分度表中查出的E(T1,0)值， 然后加上热电偶回路热电势E(T,T1)，得到E(T,0)值， 反查分度表即可得到准确的被测温度值。
E (T , T0 ) E (T , Tn ) E (Tn,T0 )
在E（Tn，T0）中Tn 30 C，T0 0C
查分度表有E（30，0）= 0.173 mV
E（T，Tn） 7.5mV
E（T， 0） E（T， 30） E(30,0) 7.5 0.173 7.673mV
t1
EABC (t , t0 ) EAB (t ) EAB (t0 ) EAB (t , t0 )
应用 ：利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导 线和仪表，接入导线和仪表后不会影响回路中的热电势。
测量仪表及引线作为第三种导体的热电偶回路
t0 A t0 t B t0 C t (a) (b)
补偿导线的型号、线芯材质和绝缘层着色
补偿导 线型号 SC或RC KC KX 补偿导线的线芯材料 配用热电偶 正极 铂铑10（铂铑）-铂 镍铬-镍硅 镍铬-镍硅 镍铬硅-镍硅 镍铬-铜镍 铁-铜镍 铜-铜镍 SPC（铜） KPC（铜） KPX（铜镍） 负极 SNC（铜镍） KNC（铜镍） KNX（镍硅） 红 红 红 绿 蓝 黑 绝缘层着色
总结结论(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。
3、只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材 料性质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。
E AB (T , T0 ) e AB (T ) e AB (T0 ) e A (T , T0 ) eB (T , T0 )
NA T k (T T0 ) ln ( A B )dt e N B T0
EAB (T , T 0 ) [eAB (T ) ( A B )dt ] [eAB (T0 ) ( A B )dt ]
热能
热电传感器
电能
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测量：温度、与温度有关的参量 电阻 —— 温度 热电阻 热敏电阻 电势 —— 热电偶 PN结型温度传感器 金属 半导体
第七章
热电偶温度传感器
温差热电偶（简称热电偶）具有结构简单，测量范 围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号便于 远传或信号转换等优点.
★热电偶的工作原理 ★热电偶回路的性质 ★热电偶的常用材料与结构 ★冷端处理及补偿 ★热电偶的选择、安装使用和校验
0℃的热电势进行修正。
3、标准导体（电极）定律
t0 t0 t0
A
C
B
C
A
B
t
t
t
EAB (t , t0 ) EAC (t , t0 )－EBC (t , t0 )
标准导体定律的意义
• 通常选用高纯铂丝作标准电极
• 只要测得它与各种金属组成的热电偶的热电动势，则 各种金属间相互组合成热电偶的热电动势就可根据标 准电极定律计算出来。
4、均质导体定律
由两种均质导体组成的热电偶，其热电动势的大小只与 两材料及两接点温度有关，与热电偶的大小尺寸、形状 及沿电极各处的温度分布无关。即热电偶必须由两种不 同性质的均质材料构成。
意义：
有助于检验两个热电极材料成分是否相同及材料的均匀 性。
• 例6.3.1 用（S型）热电偶测量某一温度，若参比 端温度T0=30℃，测得的热电势E(T,Tn)=7.5mV， 求测量端实际温度T。
EAB(1084.5,0) 13.967 8.354 5.613(mV )
例子
• 热端为100℃，冷端为0℃时，镍铬合金与 纯铂组成的热电偶的热电动势为2.95mV， 而考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为 －4.0mV，则镍铬和考铜组成的热电偶所产 生的热电动势应为： • 2.95－(－4.0)=6.95(mV)
E AB (T , T0 ) e AB (T ) e AB (T0 ) e A (T , T0 ) eB (T , T0 )
N AT kT N AT kT0 ln ln e N BT e N BT
0 0

T
T0
( A B )dT
3. 热电偶回路的总热电势
E AB (T , T0 ) e AB (T ) e AB (T0 ) e A (T , T0 ) eB (T , T0 )
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）
热电偶的分度表 • 不同金属组成的热电偶，温度与热电动势之间有不同 的函数关系，一般通过实验的方法来确定，并将不同 温度下测得的结果列成表格，编制出热电势与温度的 对照表，即分度表。 • 供查阅使用，每10℃分档 。中间值按内插法计算。