电势型传感器

第7章

电势型传感器

第7章

电势型传感器

7.1 热电偶

热电偶也叫温差电偶，是一种常见的温度检测传感器。

热电偶是将两种不同的导体(金属或半导体) A和B组成一个闭合回路，如图7-1所示。当两导体的两个接点1和2分别处于不同的温度T和T0时，回路中有一定大小的电流，表明回路中有电势产生，该现象称热电效应。回路中的电势称为热电势，用EAB(T, T0)表示。两个导体A和B称为热电极。测量温度时，两个热电极的一个接点1置于被测温度场(T)中，称该点为测量端，也叫工作端或热端；另一个接点2置于某个恒定温度(T0)的地方，称参考端或自由端、冷端。

热电偶回路内产生的热电势由两部分组成：接触电势和温差电势。

图7-1 热电偶结构原理图

接触电势

温差电势

热电偶的结构

将两热电极的一个端点焊接在一起组成热结点，就构成了热电偶。在两个热电极之间用耐高温材料进行绝缘，再根据不同的用途做适当的处理就构成了工作热电偶。

1．普通型热电偶。

它的热电极是一端焊在一起的两根金属丝。两热电极之间用绝缘管绝缘。这种热电偶主要用于测量气体、蒸汽和液体等介质的温度。

2．铠装热电偶(缆式)

它是将热电极、绝缘材料和金属保护套管组合在一起，经拉伸加工而成。根据测量端的形式不同，可分为碰底型、不碰底型、露头型和帽型等。

铠装热电偶的特点是动态响应快，测量端热容量小，挠度好，强度高，机械性能好，抗振动和耐冲击。由于挠性好，柔性大，因此可以弯成各种形状，适用于结构复杂的被测对象。3．薄膜热电偶

薄膜热电偶分为片状和针状等。它是由厚度为0.01～0.1µm的两种金属薄膜连接在一起的特殊结构的热电偶。其特点是热容量小、动态响应快，适用于动态测量小面积的瞬时温度变化。4．表面热电偶

表面热电偶适用于测量圆弧形表面的温度，其热电极做成带状，接点在中央作为测量端，而两端固定在装有手柄的弓形架上，手柄上装有毫伏表，使用时把热电极的中间贴在被测表面上。

5．浸入式热电偶

浸入式热电偶主要用于测量钢水、铜水、铝水以及熔融合金的温度，主要特点是可以直接插入液态金属中进行测量。

热电偶材料的特点

(1) 热电性能稳定，热电势与温度有单值关系或简单的函数关系；

(2) 热电势应足够大；

(3) 电阻温度系数和电阻率要小；

(4) 物理性能稳定，化学成分均匀，不易氧化和腐蚀，机械强度高。

常用热电偶

热电偶测温及参考端温度补偿

热电偶测温

这就是热电偶测温的基本原理。通过以上分析可以得出以下结论：

热电偶的两个热电极必须是两种不同材料的均质导体，否则热电偶回路

的总电势为零；

(2) 热电偶两接点温度必须不等，否则，热电偶回路总热电势也为零；

(3) 热电偶A、B产生的热电势只与两个接点温度有关，而与中间温度无关，

与热电偶的材料有关，而与热电偶的尺寸、形状无关。

参考(冷)端温度补偿

由热电偶测量温度原理可知，为保证热电偶热电势与被测温度T成单值函数关系，则必须使T0端温度保持恒定。另外，在使用分度表时，要求参考端温度保持在0℃，因此需要对热电偶的参考端加以处理，于是产生热电偶参考端温度补偿问题。

1．0℃恒温法

将热电偶的参考端置于0℃的恒温容器中，从而保证参考端的温度恒为0℃。这种方法只适

用于实验室中。

2．参考端恒温法

在实际测量中，要把参考端恒定在0℃常常会遇到困难，因此可以设法使参考端恒定在某一常温Tn下。通常采用恒温器盛装热电偶的参考端，或将参考端置于温度变化缓慢的大油槽中。

电桥补偿法

若实现参考端恒温也有困难，可采用电桥补偿法。当参考端温度t0变化时，若能对热电偶回路提供一个附加电势，其大小与回路热电势因冷端热度t0变动引起的变化相等，但极性相反，达到恰好抵消的目的，从而保证热电路输出不变。电桥就是提供这种附加电势方法中的一种，电路如图7-3所示。图中，在热电偶与显示仪表之间串接一个直流不平衡电桥，称为参考端补偿器，电桥的输出端串接在热电偶回路中。电桥中的R2、R3、R4 3个桥臂电阻由电阻温度系数很小的锰铜丝制作，它们的阻值不随温度变化。另一桥臂电阻RCu由温度系数较大的铜线绕制。RP为限流电阻，其阻值因热电偶种类而异。电桥的4个电阻与热电偶冷端处于同一个环境温度，其中RCu阻值随环境温度变化而变化，使电桥产生的不平衡电压的大小和极性随着环境的变化而变化，达到自动补偿的目的。

设计时，选择RCu的阻值使电桥在环境温度20℃时平衡，同时将显示仪表的起始值调整到20℃所对应的位置，即热端温度为t，冷端温度tCu=20℃时，电桥输出为零，仪表显示的温度对照热电偶分度表恰好是t值。当热端温度仍为t，参考端湿度(环境温度)升高时，热电偶的输出减少。同时，由于桥臂电阻RCu的作用电桥有输出，让这个输出电压的极性与热电势的极性顺序串接，使回路内的热电势与电桥输出电压的和仍等于参考端温度tn=20℃时的电势，使仪表显示的温度仍为t；同理，参考端温度小于20℃时，由于不平衡电桥输出电压极性相反，使热电偶回路内热电势增加的部分被电桥输出的负电压抵消，使仪表显示的温度值仍不变。

图7-3 电桥补偿原理图

总之，电桥补偿法是利用不平衡电桥随温度变化的输出电压，自动的补偿因热电偶

参考端温度变化而引起的热电势的变化。表7-2列出的定型补偿电桥，在热电偶参考

端温度的一定变化范围内，能自动地补偿热电势的变化。

4．补偿导线法

图7-4 参考端延长法示意图补偿导线法又称参考端延长法，在实际工作中，热电偶常置于所测的温度场中，指示仪表与温度场往往相距很远。热电偶的材料通常为贵重金属，从经济的角度考虑，常用廉价的补偿导线来完成这种远距离的连接，所用的连接线称为参考端补偿导线或延长线。如图7-4所示是补偿导线法示意图。该方法中热电极加长的部分是另外两根