第四章热电式-热电偶

传感器与检测技术天津工业大学电气工程与自动化学院主讲王红一内容回顾第四章热电式传感器4.1概述4.2热电偶4.2.1常用热电偶及其结构4.2.2热电偶的测温原理、基本定律及温度补偿4.2.3热电偶的应用4.3热电阻被测量温度()电阻变化(R)、电势变化、磁导率变化、热膨胀变化。4.1概述1、温度的概念宏观上：是物体冷热程度的表示；或者说，互为热平衡的两物体，其温度相等。微观上：是物体内部分子运动平均动能的表示。气体：RTvkTmvk73.1232122温度是一个内涵量，不具有叠加性！4.1概述2、热电式传感器基本原理热电式传感器是一种将温度量转换成电信号的装置，它利用某些材料或元件随着温度变化其自身参数发生变化的特性进行测温。（1）将被测温度的变化转换成这些元件的电阻变化、电势的变化、磁导率变化或者热膨胀变化（2）经过相应的处理电路输出电压或电流3、热电式传感器的应用：1）钢铁工业的炉温实时测量和控制；2）现代化大型温室的温度监控；3）啤酒发酵过程中的温度控制；4、温度检测方法（1）接触式测温测温元件测温原理测温范围/℃主要特点热电偶热电效应-50—1600测温范围广，测量精度高，便于远距离、多点、集中检测和自动控制，应用广泛；需进行冷端温度补偿，低温测量精度低。铂电阻热阻效应-200—600测温范围广，测量精度高，便于远距离、多点、集中检测和自动控制，应用广泛；不能测高温。铜电阻-50—150半导体热敏电阻-50—150灵敏度高，体积小，结构简单，使用方便；互换性较差，测量范围有一定限制。4.1概述（2）非接触式测温非接触式测温及其特点原理：载热体→热能→辐射能→受体温度↑。特点：无媒介，无上限，测速快，对热场无干扰，用于运动物体、腐蚀性介质的测温；缺点：测量误差大、标定难结构复杂、价格贵常用元件及共性元件：高温辐射计；低温辐射计；光电温度计。共性：热辐射→透镜（反射镜）→热电堆（热敏电阻、硅光电池）→电信号。4.1概述高温辐射计：光学玻璃透镜（光波长0.7—1.1μm）与硅光电池组成；测温范围：（700—2000℃→20mV）误差：＜1500℃，±0.7%；＞1500℃，±1%；响应时间＜1毫秒低温辐射计：锗透镜与半导体热敏电阻组成；接收2—15μm红外波；测温范围：0—200℃；误差：±1%；响应时间＜2毫秒，信号需放大。光电温度计：光透镜（光波长0.6—2.7μm）＋流化铅光敏电阻；测温范围：400—800℃；误差：±1%；响应时间＜1.5毫秒，信号需放大。4.1概述铠装型热电偶普通型热电偶薄膜热电偶1、常用热电偶种类及性质1）普通型热电偶2）铠装热电偶3）薄膜热电偶4.2.1常用热电偶及其结构1）普通型热电偶绝缘管热端热电极保护管接线盒普通型热电偶的结构：由热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒等组成。1）热电极的直径大小由材料价格、机械强度、导电率、热电偶的用途和测量范围等因素决定。2）绝缘管防止电极间短路，根据不同使用温度，选择相应的绝缘材料：如橡皮、塑料（60～80℃）、玻璃丝、玻璃管（500℃）、石英管(0～1300℃)、瓷管(1400℃)和氧化管，而最常用的是氧化铝和耐火陶瓷等。3）保护管用来隔离热电极与被测温介质，保护热电偶感温元件免受被测温介质化学腐蚀和机械损伤的装置。常用的保护管材料有两类：金属和非金属。金属常用铝、铜、铜合金、不锈钢、镍等高温合金材料，非金属材料有石英、高温陶瓷、氧化铝（镁）等，应根据需要选择。4）接线盒供热电偶与补偿导线连接之用。4.2.1常用热电偶及其结构2）铠装热电偶铠装型热电偶的结构：热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体。测温范围：通常在1100℃以下。优点：测温端热容量小，因此热惯性小、动态响应快、寿命长、机械强度高、弯曲性好，可安装在结构复杂的装置上。4.2.1常用热电偶及其结构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、化学涂层等办法蒸镀到绝缘基板上而制成的一种特殊热电偶。薄膜热电偶的接点可以做得很小、很薄，具有热容量小，响应速度快等特点。适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度的测量，测温范围在300℃以下。4.2.1常用热电偶及其结构1、热电偶的测温原理热电效应：将不同的导体或半导体组成闭合回路。当两个接合点温度T和T0不同时，则在该回路中就会产生电动势。两种不同材料的导体的组合称为热电偶。T≠T0T：工作端、热端、测量端；T0：自由端、冷端、参比端。热电偶回路产生的电动势两种导体的接触电势单一导体的温差电势4.2.2热电偶的测温原理、基本定律及温度补偿4.2.21）两种导体的接触电势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。)()(ln)(TnTneKTTeBAABeAB(T)为A、B两种不同材料在温度为T时的接触电动势，V；K为玻耳兹曼常数，K=1.38×10-23J/K；e为电子电荷，e=1.6×10-19C；nA(T)、nB(T)为A、B两种材料在温度T时的自由电子密度。)()(ln)(0000TnTneKTTeBAAB两种材料在T0时的接触电势：热电偶的测温原理4.2.22）单一导体的温差电势同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。同一导体的两端温度不同时，高温端的电子能量要比低温端的电子能量大，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。TTAdTTTe0),(0TTAAAtndneKTTe0)(1),(0eA(T，T0)：导体A两端温度差为T和T0时形成的温差电势，V。σ：汤姆逊系数，表示单一导体两端温度差为1℃时所产生的温差电势，与材料性质及两端温度有关。热电偶的测温原理4.2.2)()(0TeTeABAB回路中A和B的接触电势：回路中的温差电势为：),(),(00TTBeTTAe回路总热电势：),(),()()(),(0000TTeTTeTeTeTTEABABABAB在总热电势中，温差电势比接触电势小很多，可忽略不计，则热电偶的热电势可表示为：AB0ABAB0,eTTeTeT热电偶的测温原理4.2.2对于已选定的热电偶，当参考端温度恒定时，为常数，则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，即AB0eTC0TAB0AB,eTTeTCfT分析：产生热电势必须满足两个条件：1.eAB（T）≠0，即热电偶必须使用两种不同的材料；2.T≠T0，即两种接触点必须处于不同的温度。AB0ABAB0,eTTeTeT热电偶的热电势：热电偶的测温原理4.2.22、热电偶基本定律(1)均质导体定律由一种均匀导体（或半导体）组成的闭合回路，不论导体（或半导体）的截面和长度如何，也不论各处的温度如何，都不能产生热电势。如果材料不均匀，当导体上存在温度梯度时，将会有附加电动势产生。热电偶基本定律——该定理说明，热电偶必须由两种不同性质的均质材料构成。4.2.2热电偶基本定律(2)中间导体定律在热电偶测温回路中接入第三种导体，只要保证其两端温度相，则不会影响回路的总热电动势。ABC0BBA0AC1CA1ABAB0,AETTETETETETETET图1中回路总热电势：图1),(),(00TTETTEABABC)()()(),(000TETETETTECABCABABC4.2.2热电偶基本定律——中间导体定律是接入导体和仪表测量热电势的条件和基础。图2中回路总热电势)()()()(ln)()(ln)()(ln)()(00000000000TeTeTnTnTeKTnTnTnTnTeKTeTeABBAABACCBCABC图2),(),(00TTETTEABABC从热电偶原理电路可见，回路中虽有热电势，但无法测量，接入仪表相当于接入第三种导体。4.2.2热电偶基本定律(3)中间温度定律),(),(),,(00TTETTETTTEnABnABnAB在热电偶测温回路中，Tn为热电极上某一点的温度(中间温度)，热电偶AB在接点温度为T、T0时的热电势等于热电偶在接点温度为T、Tn和Tn、T0时的热电势的代数和，如图所示，即——中间温度定律是参考温度计算修正法的理论依据。在实际热电偶测温回路中，利用此性质，可对参考端温度不为0℃的热电势进行修正。只要得到参考端温度T0=0℃的热电势，则通过测量中间温度的热电势EAB(T,Tn)，将两者求和，即可得出测量端温度。这为热电势分度奠定了理论基础。4.2.2(4)标准电极定律如果已知热电极A、B分别与标准电极C组成热电偶在（T，T0）时的热电动势分别为EAC（T，T0）和EBC（T，T0），则),(),(),(0C0C0TTETTETTEBAAB——可计算任何两种热电极配成热电偶的热电势。热电偶基本定律4.2.23、热电偶的参比端（冷端）温度补偿①热电偶测温原理：只有参比端温度恒定时，回路总热电势EAB(T,T0)才是温度T的单值函数！②热电偶分度表中，热电势—温度的对应值以T0＝0℃为基础。（1）冰点法（2）补偿导线法（3）冷端补偿器法（4）热电势修正法硬件法、软件法（5）采用集成电路不稳定补偿方法冷端温度补偿1）冰点法T0=0C精度最高；溯源性好，用于热电偶校准。4.2.2冷端温度补偿（冷端0℃恒温法）2）补偿导线法补偿导线0~100CAB0ABAB0ETTETET，4.2.2冷端温度补偿补偿导线法又称冷端延长法或延伸热电极法，远移至温度变化较平缓的环境中。材料：热电性质与热电偶相近（0~100C）：AB0ABBQnQC0CP0PAnABnPQn0,,ETTETETETETETETTETT，如果B、Q的性质相同，则；如果A、P的性质相同，则，所以BQn0ETPA0nET4.2.2冷端温度补偿热电偶接上补偿导线和测量仪表后总的热电势不变。但是，使用补偿导线必须注意以下几点：热电偶与补偿导线的热电特性必须相同；一般热电偶与补偿导线要配套使用，不能随便乱接；热电偶与补偿导线都有正、负极性，在使用时，热电偶的正极接补偿导线的正极，负极接负极，不能反接；补偿导线使用温度不能过高；热电偶补偿导线热电偶标准化形成补偿导线标准系列。常用的热电偶补偿导线技术数据见表。4.2.2冷端温度补偿3）冷端补偿器法（补偿电桥法）不平衡电桥R4（铜丝）R1=R2=R３=1Ω(锰铜丝)Rg（限流）)0,(),(),(00TEUTTETTEABbaABAB0C恒温T0=f(时间,环境)当T0=0C时R4=1Ω四臂电阻相等电桥平衡桥路输出电压Uba=0指示仪表总的热电势为：4.2.2冷端温度补偿当T0↑→R4↑→a点电位↓→Uba↑；同时，由于T0↑→EAB(T,T0)↓调整Rg电阻→Uba=E(T0,0),→总电势不随T0而变。)0,()0,(),(),(000TETETTEUTTEEba说明：当T0变化时，由于冷端补偿器的接入，仪表所指示的总电势E仍保持为E(T,0)，相当于热电偶冷端自动处于0C。4.2.2冷端温度补偿（中间温度定律）4.2.2冷端温度补偿采用补偿电桥对冷端温度进行补偿应注意以下几点：①不同型号的补偿器只能与相应的热电偶配用，只能补偿到固定温度；②注意正负极性不能接反；③仅能在规定的温度范围内使用，通常为0～40℃。举例：S偶参比端温度温为30℃,测量的热电势为6.526mV，试问此时真实的温度应为多少？查表4）热电势修正法中间温度定律得方法：测T0→查表EAB(T0,0)→测EAB(T,T0)→计算EAB(T,T0,0)→查表求T。)0,(),()0,,(000TETTETTEABABAB),(),(),,(00TTETTETTTEnABnABnABmVEAB173.0)0,30(mVTEAB526.6)30,(5