热电偶产生热电势的必要条件

传感与检测技术主要内容：1.热电偶2.热敏电阻3.集成温度传感器3.5热电式传感器传感与检测技术3.5热电式传感器我国目前实行的是1990年国际温标(ITS—90）定义国际开尔文温度（T90）国际摄氏温度（t90）；T90：单位（K）开尔文t90：单位（C）摄氏两者关系为：t90/℃=T90/K–273.15或t/℃=T/K–273.15温度单位：热力学温度是国际上公认的最基本温度传感与检测技术3.5热电式传感器温度是诸多物理现象中具有代表性的物理量，现代生活中准确的温度是不可缺少的信息内容，如家用电器有：电饭煲、电冰箱、空调、微波炉这些家用电器中都少不了热电式传感器。概述传感与检测技术3.5热电式传感器热电式传感器是一种将温度变化转换为电量的装置。它是利用某些材料或元件的性能随温度变化的特性来进行测量的。例如将温度变化转换为电阻、热电动势、热膨胀、导磁率等的变化，再通过适当的测量电路达到检测温度的目的。概述传感与检测技术3.5热电式传感器概述各种热电偶传感与检测技术3.5热电式传感器概述各种热电阻传感与检测技术3.5热电式传感器热电式传感器按工作原理主要有以下几类：热电偶，利用金属温差电动势，有耐高温、精度高的特点；热电阻，利用导体电阻随温度变化，测温不高；热敏电阻，利用半导体材料随温度变化测温，体积小、灵敏度高、稳定性差；集成温度传感器，利用晶体管PN结电流、电压随温度变化，有专用集成电路，体积小、响应快、价廉，测量150℃以下温度。概述传感与检测技术3.5.1热电偶1热电效应两种不同类型的金属导体两端，分别接在一起构成闭合回路，当两个结点温度不等（T＞T0）有温差时，回路里会产生热电势，形成电流。这种现象称为热电效应。利用这种效应，只要知道一端结点温度，就可以测出另一端结点的温度。传感与检测技术3.5.1热电偶1热电效应固定温度的接点称基准点（冷端）T0，恒定在某一标准温度；待测温度的接点称测温点（热端）T，置于被测温度场中。这种将温度转换成热电动势的传感器称为热电偶，金属称热电极。传感与检测技术3.5.1热电偶1热电效应1、两种导体的接触电势（珀尔帖效应）不同金属自由电子密度不同，当两种金属接触在一起时，在结点处会产生电子扩散，浓度大的向浓度小的金属扩散。浓度高的失去电子显正电，浓度低的得到电子显负电。当扩散达到动态平衡时，得到一个稳定的接触电势。传感与检测技术3.5.1热电偶1热电效应温度T时热端接触电势：()lnAABBNKTETeN冷端（T0）接触电势：00()lnAABBKTNETeN式中：A、B代表不同材料；T，T0为两端温度；k＿波尔兹曼常数；e＿电子电荷量；BNAN是A、B材料的电子浓度；传感与检测技术3.5.1热电偶1热电效应在闭合回路中，总的接触电势为：00ln,AABBNKETTTTeN0lnABNKTTeN传感与检测技术3.5.1热电偶1热电效应2、单一导体的温差电势（汤姆逊电势）对单一金属如果两边温度不同，两端也产生电势。产生这个电势是由于导体内自由电子在高温端具有较大的动能，会向低温端扩散。由于高温端失去电子带正电，低温端得到电子带负电。＋－Ｔ＞Ｔ０传感与检测技术3.5.1热电偶1热电效应A、B两导体构成闭合回路总的温差电势为：000,,()TABABTeTTeTTdT00,TAATeTTdT单一导体的温差电势为：σ:汤姆逊系数00,TBBTeTTdT传感与检测技术3.5.1热电偶1热电效应根据两导体的接触电势（珀尔帖电势）和单一导体温差电势（汤姆逊电势）。热电偶总的热电势为：0000,,,()TABABABTETTeTTeTTdT00ln()TAABTBNKTTdTeN传感与检测技术3.5.1热电偶1热电效应结论：1.热电偶两电极材料相同，NA=NB时，无论两端点温度如何，总热电势为零；2.如果热电偶两接点温度相同，T=T0时，A、B材料不同，回路总电势为零；热电偶产生热电势的必要条件:热电偶必须用不同材料做电极；在T、T0两端必须有温差梯度.000,ln()TAABABTBNKETTTTdTeN传感与检测技术3.5.1热电偶2热电偶基本定律1、均质导体定律两种均质导体，其电势大小与热电极直径、长度及沿热电极长度上的温度分布无关，只与热电极材料和两端温度有关。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，造成无法估计的测量误差。均质导体定律解决什么问题？传感与检测技术3.5.1热电偶2热电偶基本定律000,ABCABBCCAETTETETET2、中间导体定律如果将热电偶T0端断开，接入第三导体C，回路中电势EAB（T，T0）应写为：ＡＢＣＴＴ０Ｔ０中间导体定律解决什么问题传感与检测技术3.5.1热电偶2热电偶基本定律0TT设时，00ABCET000BCCAABETETET将代入上式有：000,,ABCABABABETTETETETTＡＢＣＴＴ０Ｔ０传感与检测技术2热电偶基本定律结论：当引入第三导体C时，只要C导体两端温度相同，回路总电势不变，根据这一定律，将导体C作为测量仪器接入回路，就可以由总电势求出工作端温度，条件是：保证两端温度一致。传感与检测技术3.5.1热电偶2热电偶基本定律3)参考电极定律（中间温度定律）当结点温度为T、T0时的热电势EAB（T,T0）等于结点温度T、Tc和Tc、T0时，热电势,ABCETT与0,ABCETT的代数和为：0,0,,ABABCABCETTETTETT中间温度定律解决什么问题传感与检测技术3.5.1热电偶3热电偶的温度补偿热电偶输出的电热是两结点温度差的函数。为了使输出的电势是被测温度的单一函数，一般将T作为被测温度端，T0作为固定冷端(参考温度端)。通常要求T0保持为0℃(恒定)，但是在实际使用中要做到这一点比较困难，因而产生了热电偶冷端温度补偿问题。000,ln()TAABABTBNKETTTTdTeN传感与检测技术3.5.1热电偶3热电偶的温度补偿(1)0℃恒温法即在标准大气压下，将清洁的水和冰屑混合后放在保温容器内，可使T0保持0℃。近年来已研制出一种能使温度恒定在0℃的半导体致冷器件。传感与检测技术(2)补正系数修正法利用中间温度定律可以求出T0≠0时的电势。该法较精确，但繁琐。因此，工程上常用补正系数修正法实现补偿。设冷端温度为Tn，此时测得温度为T1(仪表测得温度)，其实际温度应为：T=T1+kTn式中k——补正系数。K值确定的方法:K值就是0℃到100℃的电势差作为1,其它高于100℃温度范围的数值就将两相近的100℃的电势差与0一100℃者相比便可知。例1,铂铑一铂热电偶0℃一100℃的电势差为0.645mV或K=1.0,100-200℃温度范围内电势差为0.795mv,k值应为0.645/0.795=0.81，其余类推。传感与检测技术用一只分度号为S的铂铑一铂热电偶与相应分度的动圈仪表测量炉温,当仪表指针指示温度为1000℃,用水银计测出热电偶冷端温度t’为30℃时,则被测炉温的真实温度应为多少？例2用K值法t=1000℃+0.56℃*30=1016.8℃若忽略了温度补正系数K值,将仪表指示温度直接加上冷端温度就会带来较大的误差。.传感与检测技术3.5.1热电偶3热电偶的温度补偿(3)延伸热电极法(即补偿导线法)热电偶长度一般只有一米左右，在实际测量时，需要将热电偶输出的电势传输到数十米外的显示仪表或控制仪表，根据中间导体定律即可实现上述要求。一般选用直径粗、导电系数大的材料制作延伸导线，以减小热电偶回路的电阻，节省电极材料。传感与检测技术3.5.1热电偶3热电偶的温度补偿该法利用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶参考端温度变化引起的电势变化。电桥四个桥臂与冷端处于同一温度，其中R1=R2=R3为锰铜线绕制的电阻，R4为铜导线绕制的补偿电阻，E是电桥的电源，R为限流电阻，阻值取决于热电偶材料。(4)补偿电桥法传感与检测技术使用时选择R4的阻值使电桥保持平衡，电桥输出Uab=0。当冷端温度升高时，R4阻值随之增大，电桥失去图示补偿电桥法示意图平衡，Uab相应增大，此时热电偶电势Ex由于冷端温度升高而减小。若Uab的增量等于热电偶电势Ex的减小量，回路总的电势Uab的值就不会随热电偶冷端温度变化而变化，即：UAB=EX+Uab传感与检测技术3.5.1热电偶4热电偶的结构和种类结构：•普通热电偶，测量气体、蒸汽、液体等，棒形结构；•薄膜热电偶，用于火箭、飞机喷嘴温度测量，结构较薄；•铠装热电偶，用以测量狭小对象，结构细长、可弯曲；•表面热电偶，用于弧形表面物体测温；•消耗式热电偶，主要用于钢水温度测量。a)普通热电偶b)薄膜热电偶c)铠装热电偶传感与检测技术——热电偶的结构形式热电偶广泛应用于各种条件下的温度测量，尤其适用于500℃以上较高温度的测量，普通型热电偶和铠装型热电偶是实际应用最广泛的两种结构。接线盒保护套管绝缘管热电偶安装法兰引线口普通型热电偶普通型热电偶主要由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等主要部分组成。贵重金属热电极的直径一般为0.3～0.65mm，普通金属热电极的直径一般为0.5～3.2mm；热电极的长度由安装条件和插入深入而定，一般为350～2000mm。绝缘管用于防止两根电极短路保护套管用于保护热电极不受化学腐蚀和机械损伤材料的选择因工作条件而定普通型热电偶主要有法兰式和螺纹式两种安装方式传感与检测技术铠装型热电偶热电极绝缘材料金属套管热电极绝缘材料铠装型热电偶断面结构铠装型热电偶是由热电极、绝缘材料和金属套管三者经过拉伸加工成型的金属套管一般为铜、不锈钢、镍基高温合金等保护套管和热电极之间填充绝缘材料粉末，常用的绝缘材料有氧化镁、氧化铝等。铠装型热电偶可以做得很细，一般为2～8mm，在使用中可以随测量需要任意弯曲。铠装热电偶具有动态响应快、机械强度高、抗震性好、可弯曲等优点，可安装在结构较复杂的装置上，应用十分广泛。传感与检测技术3.5.1热电偶4热电偶的结构和种类热电偶种类：•贵金属热电偶铂铑——铂铑（600～1700）℃铂铑——铂（0～1600）℃•普通金属热电偶镍铬——镍硅（-200～1200）℃镍铬——镍铜（-40～750）℃铁——康铜（0～400）℃热电偶可以测量上千度高温，并且精度高、性能好，这是其它热电式传感器无法替代的。传感与检测技术3.5.1热电偶5热电偶测量电路通过查热电偶分度表可知热电偶产生的热电势；例如K型：0℃时0mV，600℃时E=24.902mv；分度表以t=0℃作基准，而实际应用中t≠0℃；若参考端温度不为0℃，工作端温度为t时，由分度表可查出EA（t,0），与实际热电势EAB（t,t0）之间的关系可通过参考电极定律得出：00,0,,0ABABABEtEttEt传感与检测技术3.5.1热电偶5热电偶测量电路电路调试步骤：1.调零：T=0℃时调整调零电位器RP2使运放输出为零；2.调增益：温度600℃时调节负反馈电阻，使运放输出在6V。3.放大器增益为240.94，得到满量程输出6V（600℃）。传感与检测技术MAX6675传感与检测技术传感与检测技术传感与检测技术传感与检测技术传感与检测技术传感与检测技术传感与检测技术例传感与检测技术传感与检测技术