第8章 热电式传感器

2．热电偶的基本定律 • （2）中间温度定律
• 该定律为使用热电偶分度表提供了依据。同时，
可使用补偿导线使测量距离加长，也可用于消除
热电偶自由端温度变化影响。
（3）标准电极定律
• 定律描述：当接点温度为t、t0时，用导体A、B组成的热电
偶的热电势等于AC热电偶和CB热电偶的热电势的代数和。
此为参考电极定律，也称组成定律 。
接触电势的大小与温度高低及 导体中的电子密度有关。即， 取决于A、B的性质及接触点 的温度，而与其形状尺寸无关。
（2）温差电动势
温差电动势是在同一导体的两端因其温度不同而产生的一 种电动势。高温侧电子受热能运动加剧，高温侧失去电子而带 正电，低温侧得到电子带负电即形成一个静电场，使两端出现 电位差，此电位差叫温差电动势。
4．铂铑30—铂铑6热电偶(B型) 分度号为LL—2
正极：铂铑合金（用70％铂，30％铑冶炼而成）。
第 8 章 热电式传感器
8.1 热电偶（T——E）
8.2 热电阻（T——R）
8.3 热敏电阻（T——R）
第一节 热电偶传感器
介绍几种温度测量方法
示温涂料（变来自百度文库涂料）
2013-8-3
装满热水后图案变 得清晰可辨
3
变色涂料在电脑内部温度中的示温作用
温度升高后变为红色
CPU散 热风扇
低温时显示 蓝色
EM EL tM t L (tH tL ) EH EL
热电偶的分度表（热电势与温度的关系）
S型(铂铑10-铂)热电偶分度表
热电偶的基本定律 （1）中间导体定律
EABC (t, t0 ) EAB (t , t0 ) EAB (t ) EAB (t0 )
A T
因此，热电偶总电动势的影响因素：
材料和接点温度，与形状、尺寸等无关 •（1）两热电极相同时，总电动势为0 •（2）两接点温度相同时，总电动势为0
（3）回路总电势
对于已选定的热电偶，当参考端温度T0恒定时，EAB(T0) 为常数，即EAB(T0)=C，则总的热电动势就只与温度T成单
值函数关系，即：
e AB (T , T0 ) eAB (T ) C f(T)
2013-8-3
4
体积热膨胀式
不需要电源，耐用；但 感温部件体积较大。
气体的体积与热 力学温度成正比
2013-8-3 5
红外温度计
2013-8-3
6
• 温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使 用最普遍的传感元件之一。
1、它属于自发电型传感器：测量时可以不需外加 电源，可直接驱动动圈式仪表； 2、结构简单，准确度高、热惯性小，测温范围广 ，下限可达-270C ，上限可达1800C以上；
EAB（100℃，0℃）=EAC（100℃，0℃）-EBC（100℃，0℃）
=3.13mV-(-1.02mV)=4.15mV
（4）均质导体定律
由同一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的截面积和
长度如何，也不论各处的温度分布如何，都不产生热电势。 在制作热电偶时，一 定要选用均质材料， 以防止因材质不均匀 热电偶必须采用 而产生附加热电势， 两种不同材质的 造成测量误差。 导体组成。 A
热电偶的结构形式和种类
（1）工业用热电偶（普通型）
• 为装配式结构，一般由热电极、绝缘管、保护套管和接线 盒等部分组成。贵金属热电极的直径不大于0.5mm，廉价 金属热电极直径一般为0.5～3.2mm；热电偶的长度为
350～2000mm。由于热容量大，温度响应较慢。
普通装配型热电偶的外形
安装 螺纹 安装 法兰
2013-8-3 8
一、热电效应与热电偶测温原理
• 两种不同的导体或半导体闭合回路，若连接处温度不同
（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。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。 • 两个结点中，一个称为工作端或热端，另外一个称为自由
• 利用热电偶测温，必须在热电偶回路中接入电位计E和导 线，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。
A t0 t B t0 C C B t1 A t0
t1
A
测量仪表及引线作为第三种导体的热电偶回路
t (a) (b)
2．热电偶的基本定律 （2）中间温度定律
和
根据此性质，只要列 出热电势在冷端为 0℃的分度表，就可 以求出冷端在其它温 度时的热电势值
EK T,0 =ES T,25 +E S 25,0 =20.54+1.000=21.54mV
查K型热电偶分度表，得设备真实温 度为521℃。
EK 800,0 =33.275mV
E K 800,25 =E K 800,0 -E K 25,0 =33.275-1.000=32.275mV
T
EAB(T，T0)
T > T0
T0
A>B
B
•
例：用镍铬－镍硅（ K型）热电偶测量某一温度，若冷端 温度为25℃，测得的热电势为20.54mV，求测量端的实际 温度，反之，若已知测量端实际温度为800 ℃，其它条件 同上，则测得的热电势应为多少？
EK (25,0)=1.00mV
温度T(℃) 25 497 498 521 775 800 K型热电偶热电 势E(mV) 1.000 20.516 20.559 21.540 32.247 33.275
铠装型热电偶可 长达上百米
绝缘 材料
2013-8-3
A
B
薄壁金属 保护套管 （铠体） 铠装型热电偶 横截面
法兰
32
3.薄膜热电偶
薄膜热电偶是由两种薄膜热电极材料, 用真空蒸镀、 化学凃层等办法蒸镀到绝缘基板上面制成的一种特殊热电偶,
薄膜热电偶的热接点可以做得很小（可薄到0.01~0.1μ m）, 具有热容量小, 反应速度快等的特点, 热相应时间达到微秒 级, 适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度 测量。
k t 1 EA (t , t0 ) d [nA (t )t ] e t0 nA (t ) k t 1 EB (t , t0 ) d [nB (t )t ] e t0 nB (t )
温差电势
To A eA(T,To)
EA (t , t0 ) Adt
t0
t
T 温差电势原理图
热电偶的常用材料
热电偶材料应满足： 热电极材料所满足的要求： ①热电偶材料受温度作用后能产生较高的热电势，热电势和温 度之间的关系最好呈线性或近似线性的单值函数关系；材料的 电阻温度系数要小，电阻率高，资源丰富，价格便宜。 ②能测量较高的温度，并在较宽的温度范国内应用； ③物理性能稳定，导电性能好，热容量要小； ④化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐蚀； ⑤热电性能稳定，热电特性不随时间改变； ⑥机械性能好，材质均匀； ⑦复现性要好，便于大批生产和互换，便于制定统一的分度表
2013-8-3
30
4．热电偶的结构形式
（2）铠装热电偶（缆式热电偶）
• 它是将热电偶丝、绝缘材料和保护套管三者组合装配后， 经拉伸加工而成的一种坚实的组合体。其外径一般为 0.5～8mm其长度最大可达100m。铠装热电偶温度响应快；
挠性好，可弯曲适用复杂场合安装使用。应用比较广泛。
铠装型热电偶外形
端或冷端。
（1）两种导体的接触热电势
由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属A和B的 接触点处会发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的 金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得到电 子带负电，从而产生热电势。 A ＋
T
eAB（ T ）
B
2013-8-3
自由 电子
10
（1）两种导体的接触热电势
2．镍铬—镍硅(镍铝)热电偶(K型) EU—2
分度号
工业用热电偶丝： Φ1.2~2.5mm，实验室用可细些。 正极：镍铬合金(用88.4～89.7％镍、9～10％铬，0.6％硅， 0.3％锰，0.4～0.7％钴冶炼而成)。 负极：镍硅合金(用95.7～97％镍,2～3％硅,0.4～0.7％钴 冶炼而成)。 测量温度：长期1000℃，短期1300℃。 特点： 价格比较便宜，在工业上广泛应用。 高温下抗氧化能力强，在还原性气体和含有SO2， H2S等气体中易被侵蚀。 复现性好，热电势大，但精度不如WRLB。
TC C
B
A
TC C
D
如第三种导体两端温度不 A A 等，将造成热电势变化， 变化取决于导体热电性质 T 与接点温度。因此，接入 导体材料要尽量与热电偶 根据此性质可在 B 热电性质相近 热电偶回路中引
C
TC
T0
T
B
入各种测量仪表、 连线等均不影响 热电势的测量
2．热电偶的基本定律 （1）中间导体定律的应用
只要通过实验获得某 些电极与标准电极的 热电动势，则其中任 何两个电极配成的热 电偶电动势可以通过 计算获得，可大大简 化热电偶选配工作
EAB (t , t0 ) EAC (t, t0 ) EBC (t, t0 )
[例]当T为100℃，T0为0℃时，鉻合金—铂热电偶的E （100℃，0℃）为+3.13mV，铝合金—铂热电偶E（100℃， 0℃）为-1.02mV，求鉻合金—铝合金组成热电偶的热电势 E（100℃，0℃）。 解：设鉻合金为A，铝合金为B，铂为C。 即EAC（100℃，0℃）=+3.13mV EBC（100℃，0℃）=-1.02mV
3、能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面 的温度。 4、微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。
一、热电效应与热电偶测温原理
先看一个实验——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） A 热电极B
热电势
右端称为： 自由端 （参考端、 冷端）
B
结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。
实际中，热电势与温度之间的关系是通过热电偶分度 表来确定。 分度表是在参考温度为0℃时，通过实验建立 起来的热电动势与工作端温度之间的数值对应关系。
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。
总电势中，温差电动势比接触电动势小很多，经常可以
忽略不计，则热电偶的热电动势可表示为：
E AB (t, t0 ) EAB (t ) EAB (t0 )
EAB t , t0 EAB t E A t , t0 EB t , t0 E AB t0 EAB t E AB t0 kt nA t kt0 nA t0 ln ln e nB t e nB t0
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）热电偶回路总电势
假设导体A的电子密度大于导体B的电子密度，则
总电动势为：
E AB (t, t0 ) EAB (t ) EA (t, t0 ) EB (t, t0 ) EAB (t0 )
1．铂—铂铑热电偶(S型)
分度号LB—3
工业用热电偶丝：Φ0.5mm，实验室用可更细些。 正极：铂铑合金丝,用90％铂和10％铑(重量比)冶炼而成。 负极：铂丝。 测量温度：长期：1300℃、短期：1600℃。 特点： 材料性能稳定，测量准确度较高；可做成标准热电偶 或基准热电偶。用途：实验室或校验其它热电偶。 测量温度较高，一般用来测量1000℃以上高温。 在高温还原性气体中（如气体中含Co、H2等）易被侵 蚀，需要用保护套管。 材料属贵金属，成本较高。 热电势较弱。
3．镍铬—考铜热电偶(E型)
分度号为EA—2
工业用热电偶丝:Ф1.2～2mm，实验室用可更细些。
正极：镍铬合金 负极：考铜合金（用56％铜，44％镍冶炼而成）。 测量温度：长期600℃，短期800℃。 特点： 价格比较便宜，工业上广泛应用。 在常用热电偶中它产生的热电势最大。
气体硫化物对热电偶有腐蚀作用。考铜易氧化变 质，适于在还原性或中性介质中使用。