第八章热电式传感器解析

因为： EAC (T , T0 ) EBC (T , T0 ) eAC (T ) eAC (T0 ) eBC (T ) eBC (T0 ) 及
kT N A e AB (T ) ln e NB
所以有： eAC (T ) eBC (T ) eAB (T ) eAC (T0 ) eBC (T0 ) eAB (T0 ) 因此
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)。
负极：铂铑合金(用94％铂，6％铑冶炼而成)。
测量温度：长期可到1600℃，短期可达1800℃。
特点：
材料性能稳定，测量精度高。
还原性气体中易被侵蚀。
低温热电势极小，冷端温度在50℃以下可不加补偿。
(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 )
N AT kT N AT kT0 ln ln e N BT e N BT
第八章
1.热电偶传感器
热电式传感器
2.热电阻式温度传感器 3.热敏电阻传感器
引
言
温度是反映物体冷热状态的物理参数。
温度是与人类生活息息相关的物理量。 在2000多年前，就开始为检测温度进行了各种努力， 并开始使用温度传感器检测温度。 人类社会中，工业、农业、商业、科研、国防、医学 及环保等部门都与温度有着密切的关系。 工业生产自动化流程,温度测量点要占全部测量点的 一半左右。
D 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 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
T0 T0 T T T1 T1
8.3 标准热电极(参考电极定律) 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)
对
EAB(T, T0)= EAC(T, T0)+ ECB(T, T0)的证明
EAB(T1, T3)=EAB(T1, T2)+EAB(T2, T3)
A
A B
T1
B A
T2
B
T3
例：
用 K 型热电偶在冷端温度为 25℃ 时，测得热电势 为34.36mV，求热电偶热端的实际温度。 解：查K型热电偶分度表知EAB(25,0)=1.00mV，测 得EAB(T,25)=34.36mV，则 EAB(T,0)=EAB(T,25)+EAB(25,0)=35.36mV 再查询分度表知，35.36mV所对应的实际温度为 851℃。(温度区间内查表按线性插值公式计算)
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。
8.5.1 0摄氏度恒温法 把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里 ，使 T0=0℃ 。这种办法仅限于科学实验中使用。为了避免 冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置 于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。
A A’ C C’ 铜 导 线 mV 仪 表
T
B
热电偶
B’
补偿导线 试管 冰点槽 冰水溶液
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) 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)
8.5.3 冷端补偿器法
第三种材料 接入热电偶 回路图 A T2 a 2 T0 E AB a EAB C B A B 3 A T1 T1
(a) (b)
T0
T0 T2
C 2 3 T0
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 E T0
0 0

T
T0
( A B )dT
NAT、NAT0——导体A在结点温度为T和T0时的电子密度； NBT、NBT0——导体B在结点温度为T和T0时的电子密度；
σA 、 σB——导体A和B的汤姆逊系数。

( A B )dT 近似为0 T0
T
由 E AB (T , T0 ) e AB (T ) e AB (T0 ) e A (T , ຫໍສະໝຸດ Baidu0 ) eB (T , T0 )
8.2 热电偶中引入第三导体(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
E总=eAB(T)+eBC(T)+eCA(T)= 0
A
T
C
T
B
三种不同导体组成的热电偶回路
T
当存在温差时，
A
T0
C
T 有：
B
EABC (T , T0 ) eAB (T ) eBC (T0 ) eCA (T0 )
由于在T=T0的情况下回路的总电势为零
T0
EABC (T0 ) eAB (T 0) eBC (T0 ) eCA (T0 ) 0
将上式代入第一式可得
EABC (T , T0 ) eAB (T ) eAB (T0 ) EAB (T , T0 )
T0
8.5.2 冷端恒温法
应用领域：如果冷端不是0℃，但十分稳定(如恒温车间或 有空调的场所)。 实质：在测量结果中人为地加一个恒定值，因为冷端温度 稳定不变，电动势EAB(TH,0)是常数，利用指示仪表上调整零点的 办法，加大某个适当的值而实现补偿。 例：用动圈仪表配合热电偶测温时，如果把仪表的机械零 点调到室温TH的刻度上,在热电动势为零时，指针指示的温度值 并不是 0℃ 而是 TH 。而热电偶的冷端温度已是 TH, 则只有当热端 温度T=TH时，才能使EAB(T,TH)=0，这样，指示值就和热端的实 际温度一致了。这种办法非常简便，而且一劳永逸，只要冷端 温度总保持在TH不变，指示值就永远正确。
N AT kT N AT kT0 ln ln e N BT e N BT
0 0

T
T0
( A B )dT
有 EAB(T, T0)= eAB(T)-eAB(T0) 通过热电偶理论可以得到如下几点结论
A 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。 B 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。 C 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。
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
To A eA(T,To)
T 温差电势原理图
T
eA (T , T0 ) AdT
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/℃。
EAC (T , T0 ) ECB (T , T0 ) eAB (T ) eAB (T0 ) E AB (T , T0 )
结论：
若几个热电极与一标准电极组成热电偶 产生的热电势已知时，就可以很方便地求出 这些热电极彼此任意组合时的热电势 。 通常，用纯铂来作为热电极
8.4 常用热电偶 1．铂—铂铑热电偶(S型)
成本高。
8.5 热电偶冷端温度误差及其补偿 分度表 如果冷端保持零度，则只要正确测得电动势， 通过对应的分度表，即可查得所测的温度 实际测量中 热电偶的冷端温度受环境温度或热源温度的 影响并不为0。所以要采用补偿措施 常用的温度补偿方法有：0摄氏度恒温法/冷 端恒温法/冷端补偿器法/补偿导线法/补正系数 法
2．镍铬—镍硅(镍铝)热电偶(K型)
分度号EU-2
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。
★热电偶的工作原理 ★热电偶中引入第三导体(中间导体定律) ★标准热电极(参考电极定律) ★常用热电偶的特性 ★热电偶的测量电路
8.1 热电偶的工作原理
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。 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。
温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件。在种类繁 多的传感器中，温度传感器是应用最广泛、发展最快的传感器 之一。从感受温度的途径来划分：温度传感器可分为接触式和 非接触式。 接触式温度传感器的特点：传感器直接与被测物体接触进 行温度测量，由于被测物体的热量传递给传感器，降低了被测物 体温度，特别是被测物体热容量较小时，测量精度较低。因此采 用这种方式要测得物体的真实温度的前提条件是被测物体的热容 量要足够大。 非接触式温度传感器：主要是利用被测物体热辐射而发出
3．镍铬—考铜热电偶(E型)
正极：镍铬合金
分度号为EA-2
工业用热电偶丝:Ф1.2～2mm，实验室用可更细些。 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。
热端
冷端
(1) 接触电势
A
+
-
B
T
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。
红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成本较高， 测量精度却较低。优点是：不从被测物体上吸收热量；不会干扰 被测对象的温度场；连续测量不会产生消耗；反应快等。
1. 热电偶
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。它除具有结构简单，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外， 还能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微 型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。