第8章热电式传感器

第8章热电式传感器
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。
tMtLE EM H E EL L(tHtL)
tM——被测温度值；
➢结论：
1）两热电极相同时，即nA(t)=nB(t)、nA(t0)=nB(t0)，总电动 势为0。
2）两接点温度相同时(t=t0)，总电动势为0。 3）热电偶产生的热电动势大小与材料(nA,nB)和接点温度(t,t0) 有关，与其尺寸、形状等无关。
4）热电偶在接点温度为t1，t3时的热电动势等于此热电偶在 接点温度为t1，t2与t2，t3两个不同状态下的热电动势之和， 即
eAB(T, T0)=eAB(T)＋eB(T,T0)－eAB(T0)－eA(T,T0) 忽略温差电动势，热电偶的热电势可表示为：
EABt,t0EABtEAt,t0EBt,t0EABt0 EABtEABt0 ktlnnAtkt0 lnnAt0 e nB t 第e8章热n电B式传t0感器
•影响因素取决于材料和接点温度，与形状、尺寸等无关
EAB(t1,t2)=EAB(t1,t2)+EAB(t2,t3)=EAB(t1)-EAB(t2)+EAB(t2)-EAB(t3)
=EAB(t1)-EAB(t3)
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5）电子浓度取决于热电偶材料的特性和温度，当A、 B选定后，热电动势EAB(t，t0)玖拾两接触点t喝 t0的函数差，即
热电阻、热敏电阻：温度变化→电阻
值变化
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8.1 热电偶
热电偶测温范围：100℃~1300℃ 特点：结构简单、制作容易、精度高、温度测
量范围宽、动态响应特性好、输出信号便于远 传、使用方便。▲▲ 是一种有源传感器，测量时不需外加电源。 应用：测量炉子或管道的气体、液体的温度或 固体的表面温度
触点的温度。
两接点的接触电动势eAB(T)和eAB（T0）可表示为
EAB
t
kt e
ln
nA nB
t t
EABt0ket0 lnnnBAtt00
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3、单一导体的温差电动势
同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。
机理：高温端的电子能量要比低温端的电子能量大， 从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端 的要多，结果高温端因失去电子而带正电， 低温端因 获得多余的电子而带负电，在导体两端便形成温差电 动势。
t0
A t0
C
t
B t0
C
AC t1 B t1 A C
t
(a)
(b)
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（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)
EAB(t，t0)=f(t)-f(t0)
当参考端温度T0恒定时，eAB(T0)=c为常数，则 总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，即
E A B ( t ,t 0 ) f( t ) f( t 0 ) f( t ) C ( t )
可见：只要测出eAB（T,T0）的大小，就能得到 被测温度T，这就是利用热电偶测温的原理。
A
t
B （a)
t0 T
C
t0
A
B
t1
t0
B
C
t1
（b)
E A B C ( t ,t 0 ) E A B ( t ) E A B ( t 0 ) E A B ( t ,t 0 )
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。
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测量仪表及引线作为第三种导体的热电偶回路
tH——较高的温度值；
tL——较低的温度值；
EM、EH、EL——分别为温度tM、tH、tL对应的热电
动势。
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S型(铂铑10-铂)热电偶分度表
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5. 热电偶的基本定律▲▲
（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。
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A
t
t0
BALeabharlann tA热端（测量端或工作端）、冷端（参考端或自由端）
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2、两种导体的接触电动势
含义：由于两种不同导体的自由电子
密度不同而在接触处形成的电动势。
A
接触电动势的大小与导体的材料、接 EAB (t)
＋＋＋ －－－
点的温度有关，而与导体的直径、长 nA nB
B
度、几何形状等无关。▲▲
接触电动势的数值取决于两种不同导体的材料特性和接
大小表示：
EA
(t,
t0
)
k e
t1 t0 nA(t)d[nA(t)t]
k
EB(t,t0) e
t1 t0 nB(t)d[nB(t)t]
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4、热电偶回路中产生的总热电势
热电偶回路有四个电动势：两个接触电动势、两个温差电动式 （▲▲） 。 实践证明：①热电偶回路所产生的电动势主要是由接触电动势 引起的，温差电动势所占比例极小，可以忽略不计；②又因为EAB(t)和 EAB(t0)的极性相反，假设导体A的电子密度大于导体B的电子密度，则A为 正极、B为负极，因此回路的总电动势为：
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8.1.1 热电偶测温原理
1、热电效应：两种不同材料的导体（或半导体）组成一个
闭合回路，当两接点温度T和T0不同时，则在该回路中就会产
生电动势的现象。
A
eA (T ,T0 )
T eAB (T )
T0 eAB (T0 )
B
eB (T ,T0 )
热电动势（来源：接触电动势和温差电动势）、热电偶（两 种材料的组合体）、热电极（A、B两导体）
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8.1 热电偶 8.2 热电阻 8.3 热敏电阻
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在工业生产过程中，温度通常是需要测 量和控制的重要参数之一。
热电式传感器：温度变化→电量变化
已将温度变化转化为电动势或电阻的方 法最为普遍，对应的元件分别称为热电 偶、热电阻和热敏电阻。
热电偶：温度变化→电动势变化