传感器与检测技术(第三版)李增国主编--第八章

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2．中间导体定律

在热电偶中接入第3种均质导体，只要第 3种导体的两结点温度相同，则热电偶的 热电势不变。
第3种导体接入热电偶回路
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推论


热电偶的这种性质在实用上有很重要的 意义，它使我们可以方便地在回路中直 接接入各种类型的显示仪表或调节器， 也可以将热电偶的两端不焊接而直接插 入液态金属中或直接焊在金属表面测量。 推论：在热电偶中接入第4、5……种导 体，只要保证插入导体的两结点温度相 同，且是均质导体，则热电偶的热电势 仍不变。
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8.1热电效应及测温原理

8.1.1 接触电势 8.1.2 温差电势 8.1.3 总电势
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8.1.1 工作原理


1．热电效应 将两种不同成分的导体组成一个闭合回 路，当闭合回路的两个结点分别置于不 同的温度场中时，回路中将产生一个电 势，这种现象称为“热电效应”。 1821年由Seeback发现的，故又称为赛 贝克效应。
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热电偶回路原理
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热电势由两部分组成


两种导体组成的回路称为“热电偶”， 这两种导体称为“热电极”，产生的电 势则称为“热电势”，热电偶的两个结 点，一个称为测量端（工作端或热端）， 另一个称为参考端（自由端或冷端）。 一部分是两种导体的接触电势，另一部 分是单一导体的温差电势。
eA (T、T0 ) A dT
T0
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T
4．热电偶的电势

设导体A、B组成热电偶的两结点温度分 别为T和T0，热电偶回路所产生的总电 动势，
EAB (T、T0 ) eAB (T ) eAB (T0 ) eA (T、T0 ) eB (T、T0 )
在热电偶回路中接触电动势远远大于温差电动势， 所以温差电动势可以忽略不计
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例1
已知铂铑30-铂热电偶的EAC（1 084.5,0） =13.937（mV），铂铑6-铂热电偶的 EBC（1 084.5,0）=8.354（mV）。求 铂铑30-铂铑6在相同温度条件下的热电动 势。
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解：

由标准电极定律可知， EAB（1 084.5,0）=EAC（1 084.5,0） −EBC（1 084.5,0） =13.937−8.354=5.583（mV）



（1）配对的热电偶应有较大的热电势，并且 热电势对温度尽可能有良好的线性关系。 （2）能在较宽的温度范围内应用，并且在长 时间工作后，不会发生明显的化学及物理性能 的变化。 （3）电阻温度系数小，电导率高。 （4）易于复制，工艺性与互换性好，便于制 定统一的分度表，材料要有一定的韧性，焊接 性能好，以利于制作。
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4．中间温度定律

热电偶在两结点温度分别为T、T0时的热 电势等于该热电偶在结点温度为T、Tn和 Tn、T0相应热电势的代数和，
EAB (T , T0 ) EAB (T , Tn ) EAB (Tn , T0 )

定律是参考端温度计算修正法的理论依 据
热电偶中间温度定律示意图
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热电极材料的要求

在同样的温差下产生的热电势要大，且其热电势与温度之间呈线 性或近似线性的单值函数关系

耐高温、抗辐射性能好，在较宽的温度范围内其化学物理性质稳
定

电阻温度系数小，电导率高 易于复制，工业性和互换性好，便于制定统一的分度表，材料要
有一定的韧性，焊接性能好便与制作
EAB (T 、T0 ) eAB (T ) eAB (T0 ) n n kT nA kT k ln - ０ ln A (T -Τ 0 ) ln A e nB e nB e nB
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结论




（1）如果热电偶两材料相同，则无论结点处 的温度如何，总电势为0。 （2）如果两结点处的温度相同，尽管A、B材 料不同，总热电势为0。 （3）热电偶热电势的大小，只与组成热电偶 的材料和两结点的温度有关，而与热电偶的形 状尺寸无关，当热电偶两电极材料固定后，热 电势便是两结点电势差。 （4）如果使冷端温度Ｔ0保持不变，则热电动 势便成为热端温度Ｔ的单一函数。
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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？） 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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1．均质导体定律



如果热电偶回路中两个热点极材料相同，无论两接点的温度如何， 热电动势均为零。对于两种均质材料组成的热电偶，其电动势大 小与热点极直径、长度及沿热电极长度上的温度分布无关，只与 热点极材质和两端温度有关 如果材质不均匀，则当热电极上各处温度不同时，将产生附加热 电势，造成测量误差，因此，热电极材料的均匀性是衡量热电偶 质量的重要指标之一。 由一种均质导体组成的闭合回路中，不论导体的截面和长度如何 以及各处的温度分布如何，都不能产生热电势。
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3．绝缘材料


热电偶测温时，除测量端以外，热电极 之间和连接导线之间均要求有良好的电 绝缘，否则会有热电势损耗而产生测量 误差，甚至无法测量 （1）有机绝缘材料。 （2）无机绝缘材料。
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4．保护管材料要求




（1）气密性好，可有效地防止有害介质 深入而腐蚀结点和热电极。 （2）应有足够的强度及刚度，耐振、耐 热冲击。 （3）物理化学性能稳定，在长时间工作 中不至于介质、绝缘材料和热电极互相 作用，也不产生对热电极有害的气体。 （4）导热性能好，使结点与被测介质有 良好的热接触。
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5.2.1热电偶的基本结构形式


热电偶的结构形式有普通型热电偶、铠 装型热电偶和薄膜热电偶等。 热电偶的种类虽然很多，但通常由金属 热电极、绝缘子、保护套管及接线装置 等部分组成。
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1．普通型热电偶


普通型结构热电偶工业上使用最多，它 一般由热电极、绝缘套管、保护管和接 线盒组成。 普通型热电偶按其安装时的连接形式可 分为固定螺纹连接、固定法兰连接、活 动法兰连接、无固定装置等多种形式。
201类型结构

8.3.1热电极材料 8.3.2热电偶类型 8.3.3常用热电偶
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8.3.1热电极材料


1．对热电极材料的一般要求 2．电极材料的分类 3．绝缘材料 4．保护管材料
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1．对热电极材料的一般要求
仍为零，因此，必须由两种不同的材料才能构成热电偶
②
如果热电偶两接点温度相同，则回路中总电势必然等于零
③
热电势的大小只与材料和接点温度有关，与热电偶的尺寸、形
状及沿电极温度分布无关
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8.2 热电偶的基本定律


1．均质导体定律 2．中间导体定律 3．标准电极定律 4．中间温度定律
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普通型热电偶结构图
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普通装配型热电偶的 外形
安装 螺纹 安装 法兰
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普通装配型热 电偶的 结构放大图
接线 盒
引出线套管
不锈钢保护管 固定螺纹
（出厂时用塑料包裹）
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2．电极材料的分类



（1）一般金属，如镍铬-镍硅，铜-镍铜， 镍铬-镍铝，镍铬-考铜等。 （2）贵金属，这类热电偶材料主要是由 铂、铱、铑、钌、锇及其合金组成，如 铂铹-铂、铱铑-铱等。 （3）难熔金属，这类热电偶材料系由钨、 钼、铌、铼、锆等难熔金属及其合金组 成，如钨铼-钨铼、铂铑-铂铑等热电偶。

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例2

镍铬-镍硅热电偶，工作时其自由端温度 为30℃，测得热电势为39.17mV，求被 测介质的实际温度。
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解：



由t0=0℃，查镍铬-镍硅热电偶分度表， E（30，0）=1.2mV，又知E（t，30） =39.17mV 所以E（t，0）= E（30，0）+E（t， 30）=1.2mV+39.17mV=40.37mV。 再用40.37mV反查分度表得977℃，即 被测介质的实际温度。
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引言


热电偶是工程上应用最广泛的温度传感 器。 它构造简单，使用方便，具有较高的准 确度、稳定性及复现性，温度测量范围 宽，在温度测量中占有重要的地位。
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主要内容



8.1热电效应及测温原理 8.2热电偶的基本定律 8.3热点极的材料及热电偶的类型结构 8.4热电偶的冷端温度补偿 8.5热电偶的实用测温电路
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8.1.1．接触电势


当A和B两种不同材料的导体接触时，由于两 者内部单位体积的自由电子数目不同（即电子 密度不同），因此，电子在两个方向上扩散的 速率就不一样。 。假设导体A的自由电子密度大于导体B的自 由电子密度，则导体A扩散到导体B的电子数 要比导体B扩散到导体A的电子数大。所以导 体A失去电子带正电荷，导体B得到电子带负 电荷。于是，在A、B两导体的接触界面上便 形成一个由A到B的电场 。
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接触电势大小
kT nA eAB (T ) ln e nB
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8.1.2温差电势

温差电势是在同一导体的两端因其温度不同而产生的 一种热电势，又称汤姆逊电势。 将某一导体两端分别置于不同的温度场T、T0中，在 导体内部，热端自由电子具有较大的动能，向冷端移 动，从而使热端失去电子带正电荷，冷端得到电子带 负电荷。这样，导体两端便产生了一个由热端指向冷 端的静电场，该静电场阻止电子从热端向冷端移动， 最后达到动态平衡。这样，导体两端便产生了电势， 我们称为温差电动势。
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3．标准电极定律

已知热电极A、B分别与标准电极C组成 热电偶在结点温度为（T，T0）时的热 电动势分别为和，则在相同温度下，由A、 B两种热电极配对后的热电动势为
E AB (T , T0 ) E AC (T , T0 ) EBC (T , T0 )
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三种导体分别组成的热电偶
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热电动势示意图
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形成机理

该电场的方向与扩散进行的方向相反，它将引 起反方向的电子转移，阻碍扩散作用的继续进 行。当扩散作用与阻碍扩散作用相等时，即自 导体A扩散到导体B的自由电子数与在电场作 用下自导体B到导体A的自由电子数相等时， 便处于一种动态平衡状态。在这种状态下，A 与B两导体的接触处产生了电位差，称为接触 电势。接触电势的大小与导体材料、结点的温 度有关，与导体的直径、长度及几何形状无关。
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8.1.3总电势
热电偶回路中总的热电势为两接点热电势的代数和。当热电势材料 确定后，热电偶的总的热电势成为温度的函数之差。如果使冷端温 度固定不变，则热电势就只是温度的单值函数。这样只要测出热电 势的大小，就能判断测温点温度的高低，这就是利用热电现象测温 的基本原理。
①
如果热电偶两极材料相同，则虽两端温度不同，但总输出电势
第8章热电偶传感器
1
温度测量的基本概念
一、温度测量的基本概念
温度标志着物质内部大量分子无规则运动的剧烈程度。温度越高，表示 物体内部分子热运动越剧烈。 在一个密闭的空间里，气体分子在高温时的运动速度比低温时快！
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温标

热力学温标是建立在 热力学第二定律基础 上的最科学的温标， 是由开尔文（Kelvin） 根据热力学定律提出 来的，因此又称开氏 温标。它的符号是T， 单位是开尔文（K） 。
威廉· 汤姆逊· 开尔文勋爵像
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温度测量及传感器分类

按照用途可分为基准温度计和工业温度 计；
按照测量方法又可分为接触式和非接触 式； 按工作原理又可分为膨胀式、电阻式、 热电式、辐射式等等；


按输出方式分，有自发电型、非电测型 等。 2018/9/2 4

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