热电式传感器(

在工业生产过程中，温度通常是需要测量和控制的重要参数之一。热电式传感器：温度变化→电量变化已将温度变化转化为电动势或电阻的方法最为普遍，对应的元件分别称为热电偶、热电阻和热敏电阻。热电偶：温度变化→电动势变化热电阻、热敏电阻：温度变化→电阻值变化8.1热电偶热电偶测温范围：100℃~1300℃特点：结构简单、制作容易、精度高、温度测量范围宽、动态响应特性好、输出信号便于远传、使用方便。▲▲是一种有源传感器，测量时不需外加电源。应用：测量炉子或管道的气体、液体的温度或固体的表面温度8.1.1热电偶测温原理1、热电效应：两种不同材料的导体（或半导体）组成一个闭合回路，当两接点温度T和T0不同时，则在该回路中就会产生电动势的现象。热电动势（来源：接触电动势和温差电动势）、热电偶（两种材料的组合体）、热电极（A、B两导体）热端（测量端或工作端）、冷端（参考端或自由端）AB()ABeT0()ABeT0(,)AeTT0(,)BeTTT0T2、两种导体的接触电动势接触电动势的数值取决于两种不同导体的材料特性和接触点的温度。两接点的接触电动势eAB(T)和eAB（T0）可表示为含义：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。接触电动势的大小与导体的材料、接点的温度有关，而与导体的直径、长度、几何形状等无关。▲▲AB＋＋＋－－－ABnn()ABEtlnAABBntktEtent0000lnAABBntktEtent同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。大小表示：3、单一导体的温差电动势机理：高温端的电子能量要比低温端的电子能量大，从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多，结果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，在导体两端便形成温差电动势。])([)(1),(])([)(1),(0000ttndtnekttEttndtnekttEBttBBAttAA4、热电偶回路中产生的总热电势eAB(T,T0)=eAB(T)＋eB(T,T0)－eAB(T0)－eA(T,T0)忽略温差电动势，热电偶的热电势可表示为：00000000,,,lnlnABABABABABABAABBEttEtEttEttEtEtEtntntktktentent热电偶回路有四个电动势：两个接触电动势、两个温差电动式（▲▲）。实践证明：①热电偶回路所产生的电动势主要是由接触电动势引起的，温差电动势所占比例极小，可以忽略不计；②又因为EAB(t)和EAB(t0)的极性相反，假设导体A的电子密度大于导体B的电子密度，则A为正极、B为负极，因此回路的总电动势为：•影响因素取决于材料和接点温度，与形状、尺寸等无关结论：1）两热电极相同时，即nA(t)=nB(t)、nA(t0)=nB(t0)，总电动势为0。2）两接点温度相同时(t=t0)，总电动势为0。3）热电偶产生的热电动势大小与材料(nA,nB)和接点温度(t,t0)有关，与其尺寸、形状等无关。4）热电偶在接点温度为t1，t3时的热电动势等于此热电偶在接点温度为t1，t2与t2，t3两个不同状态下的热电动势之和，即EAB(t1,t2)=EAB(t1,t2)+EAB(t2,t3)=EAB(t1)-EAB(t2)+EAB(t2)-EAB(t3)=EAB(t1)-EAB(t3)5）电子浓度取决于热电偶材料的特性和温度，当A、B选定后，热电动势EAB(t，t0)玖拾两接触点t喝t0的函数差，即EAB(t，t0)=f(t)-f(t0)当参考端温度T0恒定时，eAB(T0)=c为常数，则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，即00(,)()()()()ABEttftftftCt可见：只要测出eAB（T,T0）的大小，就能得到被测温度T，这就是利用热电偶测温的原理。热电偶的分度表不同金属组成的热电偶，温度与热电动势之间有不同的函数关系，一般通过实验的方法来确定，并将不同温度下测得的结果列成表格，编制出热电势与温度的对照表，即分度表。供查阅使用，每10℃分档。中间值按内插法计算。()MLMLHLHLEEttttEEtM——被测温度值；tH——较高的温度值；tL——较低的温度值；EM、EH、EL——分别为温度tM、tH、tL对应的热电动势。S型(铂铑10-铂)热电偶分度表在热电偶测温回路内，接入第三种导体时，只要第三种导体的两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响。（1）中间导体定律ABt0t0tCABT0tCB1t1t（a)（b)应用：利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线和仪表，接入导线和仪表后不会影响回路中的热电势。5.热电偶的基本定律▲▲C0AB00(,)()()(,)ABABABEttEtEtEtt测量仪表及引线作为第三种导体的热电偶回路tABt0t0CCBt1t1AACCtt0(a)(b)（2）中间温度定律eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0)在热电偶测温回路中，tc为热电极上某一点的温度，热电偶AB在接点温度为t、t0时的热电势eAB(t,t0)等于热电偶AB在接点温度t、tc和tc、t0时的热电势eAB(t,tc)和eAB(tc,t0)的代数和，即中间温度定律At0tBAtBctA0tBct中间温度定律的应用•根据这个定律，可以连接与热电偶热电特性相近的导体A′和B，将热电偶冷端延伸到温度恒定的地方，这就为热电偶回路中应用补偿导线提供了理论依据。•该定律是参考端温度计算修正法的理论依据。在实际热电偶测温回路中,利用热电偶这一性质,可对参考端温度不为0℃的热电势进行修正。（3）标准导体（电极）定律ACCABB0tt0t0ttt0C0C0(,)(,)(,)ABABEttEttEtt－标准导体定律的意义通常选用高纯铂丝作标准电极只要测得它与各种金属组成的热电偶的热电动势，则各种金属间相互组合成热电偶的热电动势就可根据标准电极定律计算出来。例：热端为100℃，冷端为0℃时，镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为2.95mV，而考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为－4.0mV，则镍铬和考铜组成的热电偶所产生的热电动势应为：2.95－(－4.0)=6.95(mV)（4）均质导体定律由两种均质导体组成的热电偶，其热电动势的大小只与两材料及两接点温度有关，与热电偶的大小尺寸、形状及沿电极各处的温度分布无关。即热电偶必须由两种不同性质的均质材料构成。意义：有助于检验两个热电极材料成分是否相同及材料的均匀性。为了适应不同生产对象的测温要求和条件，热电偶的结构形式有：•普通型热电偶•特殊热电偶－铠装型热电偶－薄膜热电偶等。9.1.2热电偶的结构与种类普通型热电偶结构接线盒热电极热端绝缘管保护管优点：测温端热容量小，动态响应快；机械强度高，挠性好，可安装在结构复杂的装置上。铠装型热电偶接线盒固定装置B-B金属导管绝缘材料热电极A放大ABB薄膜热电偶工作端绝缘基板热电极接头夹具引出导线特点：热接点可以做得很小（μm），具有热容量小、反应速度快（μs）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测量。热电极材料的选取性能稳定温度测量范围广物理化学性能稳定导电率要高，并且电阻温度系数要小材料的机械强度要高，复制性好、复制工艺简单，价格便宜工程用热电偶材料应满足条件：热电势变化尽量大，热电势与温度关系尽量接近线性关系，物理、化学性能稳定，易加工，复现性好，便于成批生产，有良好的互换性。国际电工委员会（IEC）向世界各国推荐8种标准化热电偶（已列入工业标准化文件中，具有统一的分度表）。我国已采用IEC标准生产热电偶，并按标准分度表生产与之相配的显示仪表。热电偶的种类标准化热电偶的主要性能和特点热电偶名称正热电极负热电极分度号测温范围特点铂铑30－铂铑6铂铑30铂铑6B0～＋1700℃（超高温）适用于氧化性气氛中测温，测温上限高，稳定性好。在冶金、钢水等高温领域得到广泛应用。铂铑10－铂铂铑10纯铂S0～＋1600℃（超高温）适用于氧化性、惰性气氛中测温，热电性能稳定，抗氧化性强，精度高，但价格贵、热电动势较小。常用作标准热电偶或用于高温测量。镍铬－镍硅镍铬合金镍硅K－200～＋1200℃（高温）适用于氧化和中性气氛中测温，测温范围很宽、热电动势与温度关系近似线性、热电动势大、价格低。稳定性不如B、S型热电偶，但是非贵金属热电偶中性能最稳定的一种。镍铬－康铜镍铬合金铜镍合金E－200～＋900℃（中温）适用于还原性或惰性气氛中测温，热电动势较其他热电偶大，稳定性好，灵敏度高，价格低。铁－康铜铁铜镍合金J－200～＋750℃（中温）适用于还原性气氛中测温，价格低，热电动势较大，仅次于E型热电偶。缺点是铁极易氧化。铜－康铜铜铜镍合金T－200～＋350℃（低温）适用于还原性气氛中测温，精度高，价格低。在－200～0℃可制成标准热电偶。缺点是铜极易氧化。8.1.3热电偶的冷端温度补偿▲▲当热端温度为t时，分度表所对应的热电势eAB(t,0)与热电偶实际产生的热电势eAB(t,t0)之间的关系可根据中间温度定律得到下式：eAB(t,0)=eAB(t,t0)+eAB(t0，0)由此可见，eAB(t0，0)是冷端温度t0的函数，在实际应用中，由于热电偶冷端离工作端很近，且又处于大气中，其温度受到测量对象和周围环境温度波动的影响，这样冷端温度难以保持恒定，会带来测量误差，因此需要对热电偶冷端温度进行处理。热电偶一般做得较短，一般为350～2000mm。在实际测温时，需要把热电偶输出的电势信号传输到远离现场数十米远的控制室里的显示仪表或控制仪表，这样,冷端温度t0比较稳定。(1)热电偶补偿导线显示仪表tABA’B’0t冷端解决办法：工程中采用一种补偿导线。在0～100℃温度范围内，要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性。常用补偿导线热电偶类型补偿导线类型补偿导线正极负极铂铑10－铂铜－铜镍合金铜铜镍合金（镍的质量分数为0.6%）镍铬－镍硅I型：镍铬－镍硅镍铬镍硅镍铬－镍硅II型：铜－康铜铜康铜镍铬－康铜镍铬－康铜镍铬康铜铁－康铜铁－康铜铁康铜铜－康铜铜－康铜铜康铜在实验室及精密测量中，通常把冷端放入0℃恒温器或装满冰水混合物的容器中，以便冷端温度保持0℃。这是一种理想的补偿方法，但工业中使用极为不便。(2)冷端0℃恒温法当冷端温度t0不等于0℃，需要对热电偶回路的测量电势值eAB（t，t0）加以修正。当工作端温度为t时，分度表可查eAB(t,0)与eAB(t0,0)。根据中间温度定律得到：eAB(t,0)=eAB(t,t0)+eAB(t0，0)(3)冷端温度修正法t——工作段温度t0——冷端的实际温度0——冷端的标准温度（0℃，便于查表）E（t，t0）——热电偶工作在t与t0时，仪表测出的热电动势值E（t，0）和E（t0，0）——冷端温度为0℃，工作点温度为t和t0时的电动势值（由热电偶分度表中查得）例子：用镍铬-镍硅热电偶测量加热炉温度。已知冷端温度t0=30℃，测得热电势eAB（t，t0）为39.17mV,求加热炉温度。eAB（t，0）=eAB(t,t0)+eAB(t0,0)=39.17+1.203=40.373mV再从表中查得E(970,0)=40.096mV，E(980,0)=40.488mV解：查镍铬-镍硅热电偶分度表得：eAB（30，0）=1.203mV可得：可得加热炉温度为：CCt977)]970980(096.40488.40096.40373.40970[(4)冷端温度自动补偿法（电桥补偿法）－＋ABR1RcuR2R3tE000(,)(,)UABABABCABEtttEttURU恒定值132213112323()()(1)()UUUUCCABCCRRRRRRRRUEERRRRRRRR8.1.4热电偶测温线路测