热电式传感器

1概述接触式温度传感器非接触式温度传感器•接触式温度传感器的特点：传感器直接与被测物体接触进行温度测量。由于被测物体的热量传递给传感器，降低了被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时，测量精度较低。因此采用这种方式要测得物体的真实温度的前提条件是被测物体的热容量要足够大。•非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成本较高，测量精度却较低。优点是：不从被测物体上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产生消耗；反应快等。温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量。2温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。它除具有结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号便于远传或信号转换等优点外，还能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。热电偶温度传感器1.热电偶的工作原理2.热电偶基本定律3.热电偶的常用材料与结构4.冷端处理及补偿5.热电偶测温电路314.1热电偶一、热电偶测温原理*热电效应（ThermoelectricEffect）：两种不同材料的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，这种现象称为热电效应。热端冷端41.接触电势+ABNATNBTeAB(T)-()lnAABBNkTeTeN•eAB(T)——导体A、B结点在温度T时形成的接触电动势；•e——单位电荷，e=1.6×10-19C；•k——波尔兹曼常数，k=1.38×10-23J/K；•NA、NB——导体A、B自由的电子密度。接触电势的大小与温度高低、导体中的电子密度有关。5AeA(T,To)ToT•eA(T，T0)——导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势；•T，T0——高低端的绝对温度；•σA——汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1℃时所产生的温差电动势，铜的σ=2μV/℃。2.温差电势0001(,)TTAAATTAdnteTTdtdtndt温差电势原理图6AB()ABeT0()ABeT0(,)AeTT0(,)BeTTT0T热电偶回路热电偶回路中，所产生的热电势由两部分组成：接触电势和温差电势。7接触电势(Peltier电势)：•接触电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。AABB0AAB0B()1n()1nNKTeTeNKTNeTeN8含义：同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。温差电势eA(T,T0)和eB(T,T0)可表示为温差电势(Thomson—汤姆逊电势)：00TAtA0TAtTBtB0TBtd()1(,)ddd()1(,)ddNtkeTTteNtNtkeTTteNt9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)eAB(T,T0)=[eAB(T)－eAB(T0)]－[eA(T,T0)＋eB(T,T0)]3.回路总电势A0B1nNKTTeN0TTdABt0FTFT10*讨论：•热电势取决于材料和接点温度，与形状、尺寸无关；•两热电极A、B相同时，总电动势为0；•两接点温度T、T0相同时，总电动势为0；•对于已选定的热电偶，当参考端温度T0恒定时，eAB(T0)=c为常数，则总的热电势就只与温度T成单值函数关系，即•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。eAB(T,T0)=F(T)－F(T0)eAB(T,T0)=F(T)－c→热电偶测温原理eAB(T,T0)A0B1nNKTTeN0TTdABt11•在工程应用中，常用实验的方法得出温度与热电势的关系并做成表格，以供备查。由公式可得：eAB(T,T0)=F(T)-F(T0)=[F(T)-F(0)]-[F(T)-F(T0)]=eAB(T，0)-eAB(T0，0)•热电偶的热电势等于两端温度分别为T和零度以及T0和零度的热电势之差。3.回路总电势eAB(T,T0)=F(T)－F(0)→热电偶测温原理123.回路总电势13热电偶测温系统简图14接触电势温差电势，热电偶的热电势可表示为：eAB(T,T0)=eAB(T)－eAB(T0)eAB(T,T0)=eAB(T)－eAB(T0)＋eB(T,T0)－eA(T,T0)回路总电势15二、热电偶基本定律1、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种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。16在热电偶测温回路内，接入第三种均质导体时，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。2、*中间导体定律（如何在热电偶回路中接入导线和仪表？）•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，但是接入导线和仪表后不会影响回路中的热电势。eABC(t,t0)=eAB(t)+eBC(t0)+eCA(t0)由于，当t=t0时，eBC(t0)+eCA(t0)=-eAB(t0)则eABC(t,t0)=eAB(t)-eAB(t0)=eAB(t,t0)17tABt0t0CCBt1t1AACCtt0(a)(b)具有第三种导体的热电偶回路（中间导体定律）eABC(t,t0)=eAB(t)-eAB(t0)=eAB(t,t0)eABC(t,t0,t1)=?18两点结论：l）将第三种材料C接入由A、B组成的热电偶回路，则图a中的A、C接点2与C、A的接点3，均处于相同温度T0之中，此回路的总电势不变。2)同理，图b中C、A接点2与C、B的接点3，同处于温度T0之中，此回路的电势也不变。T2T1AaBC23EABaA(a)T0T023ABEABT1T2C(b)T0T0第三种材料接入热电偶回路图19ET0T0TET0T1T1T•根据上述原理，可以在热电偶回路中接入电位计E，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，就不会影响回路中原来的热电势，接入的方式见下图所示。203、*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，即应用：在冷端温度为任意恒定值时，利用热电偶分度表求工作端的被测温度。(?)eAB(t,0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,0)21中间温度定律tt0ABtctc)(AA)(BBTBAT0BATT0BA=Tc+TceAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0)22EAB（T,T0）=EAC（T,T0）+ECB（T,T0）4标准电极定律如果任意两种导体材料的热电势是已知的，它们的冷端和热端的温度又分别相等，如图所示，它们相互间热电势的关系为：231．铂—铂铑热电偶(S型)•工业用热电偶丝：Φ0.5mm，实验室用可更细些。•正极：铂铑合金丝,用90％铂和10％铑(重量比)冶炼而成。•负极：铂丝。•测量温度：长期：1300℃、短期：1600℃。特点：材料性能稳定，测量准确度较高；可做成标准热电偶或基准热电偶。用途：实验室或校验其它热电偶。测量温度较高，一般用来测量1000℃以上高温。在高温还原性气体中（如气体中含Co、H2等）易被侵蚀，需要用保护套管。材料属贵金属，成本较高，热电势较弱。常用热电偶242．镍铬—镍硅(镍铝)热电偶(K型)•工业用热电偶丝：Φ1.2~2.5mm，实验室用可细些。•正极：镍铬合金(用88.4～89.7％镍、9～10％铬，0.6％硅，0.3％锰，0.4～0.7％钴冶炼而成)。•负极：镍硅合金(用95.7～97％镍,2～3％硅,0.4～0.7％钴冶炼而成)。•测量温度：长期1000℃，短期1300℃。特点：价格比较便宜，在工业上广泛应用。高温下抗氧化能力强，在还原性气体和含有SO2，H2S等气体中易被侵蚀。复现性好，热电势大，但精度不如铂铑铂热电偶。253．镍铬—康铜热电偶(E型)•工业用热电偶丝:Ф1.2～2mm，实验室用可更细些。•正极：镍铬合金•负极：康铜合金（用56％铜，44％镍冶炼而成）。•测量温度：长期600℃，短期800℃。特点：价格比较便宜，工业上广泛应用。在常用热电偶中它产生的热电势最大。气体硫化物对热电偶有腐蚀作用。康铜易氧化变质，适于在还原性或中性介质中使用。264．铂铑30—铂铑6热电偶(B型)•正极：铂铑合金（用70％铂，30％铑冶炼而成）。•负极：铂铑合金（用94％铂，6％铑冶炼而成）。•测量温度：长期可到1600℃，短期可达1800℃。特点：材料性能稳定，测量精度高。还原性气体中易被侵蚀。低温热电势极小，冷端温度在50℃以下可不加补偿。成本高。27几种持殊用途的热电偶（1）铱和铱合金热电偶如铱50铑—铱10钌热电偶，它能在氧化气氛中测量高达2000℃的高温。（2）钨铼热电偶是60年代发展起来的，是目前一种较好的高温热电偶，可使用在真空惰性气体介质或氢气介质中，但高温抗氧能力差。国产钨铼-钨铼20热电偶使用温度范围300～2000℃分度精度为1％。（3）钯—铂铱15热电偶是一种高输出性能的热电偶，在1398℃时的热电势为47.255mV，比铂—铂铑10热电偶在同样温度下的热电势高出3倍，因而可配用灵敏度较低的指示仪表，常应用于航空工业。28热电偶的分度表（如何根据测得的热电势求被测温度？）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，即热电偶的分度表。供查阅使用，每10℃分档。中间值按内插法计算。*热电偶分度表是以冷端温度0℃作为基准进行分度的。29S型(铂铑10-铂)热电偶分度表30为了适应不同生产对象的测温要求和条件，热电偶的封装形式有：•普通型热电偶•铠装型热电偶•薄膜型热电偶三、热电偶的结构形式311、普通型热电偶接线盒热电极热端绝缘管保护管123432普通型热电偶外形安装螺纹33•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。2、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(a)(b)(c)(d)13234铠装型热电偶外形铠装型热电偶可长达上百米薄壁金属保护套管（铠体）353、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，理想的表面温度以及快速变化的动态温度测量。36五、热电偶的补偿导线及冷端温度的补偿方法（可以用测得热电势EAB(t,t0)直接查热电偶分度表吗？）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)之间关系可根据中间温度定律得到下式：EAB(t,0)=EAB(t,t0)+EAB(t0，0)可见，EAB(t0,0)是冷端温度t0的函数，测量时要保证冷端温度不变，因此需要对热电偶冷端温度进行补偿。37热电偶一般做得较短，一般为350～2000mm。1、热电偶补偿导线法（如何将冷端引到温度稳定的控制室？）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，要求新的冷端温度恒定。38补偿导线外形A’B’屏蔽层保护层39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（冰浴法）（如何利用测量得到的热电势直接查分度表，以得到被测温度？）mVA