第八章-热电式传感器

热电式传感器是利用其敏感元件的特征参数随温度变化的特性，对温度及与温度有关的参量进行测量的装置。温度量转换为电阻和电势是目前工业生产和控制中应用最为普遍的方法将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器；将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。半导体集成温度传感器及利用热释电效应制成的感温元件在测温领域中也得到越来越多的重视。第八章热电式传感器•1．热电效应•将两种不同成分的导体组成一个闭合回路，当闭合回路的两个接点分别置于不同温度场中时，回路中将产生一个电动势。从而形成电流，这一现象通常称为热电效应。相应的电势通常称为热电势。该电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关，这种现象被称为“热电效应”，两种导体组成的回路被称为“热电偶”，这两种导体被称为“热电极”，产生的电动势则被称为“热电动势”。热电偶的两个工作端分别被称为热端和冷端。第一节热电偶传感器一、热电偶式温度传感器工作原理热电效应现象动态演示•热电偶热电动势•热电动势由接触电动势和温差电动势两部分组成。•EAB（T，T0）=eAB（T）-eAB（T0）•热电偶是工业上最常用的温度检测器件之一。优点：•测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。•测量范围广。常用的热电偶从-50～+1600℃均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）。•构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属组成，而且不受大小的限制，外有保护套管，使用非常方便；适用于远距离测量和自动控制•接触电动势•当A和B两种不同材料的导体接触时，由于两者内部单位体积的自由电子数目不同，电子在两个方向上扩散的速率就不一样，A与B两导体的接触处就产生了电位差，称为接触电动势。接触电动势的大小与接点处温度高低和导体的电子密度有关。温度越高，接触电动势越大；两种导体电子密度的比值越大，接触电动势越大。•温差电动势•对于导体A或B，若将其两端分别置于不同的温度场中，则在导体内部，热端的自由电子具有较大的动能，因此向冷端移动，从而使热端失去电子带正电荷，冷端得到电子带负电荷。导体两端便产生了电位差，将该电位差称为温差电动势。温差电动势的大小与导体的电子密度及两端温度有关。•热电偶回路的总电势•将导体A和B头尾相接组成回路。如果导体A的电子密度大于导体B的电子密度，且两接点的温度不相等，则在热电偶回路中存在着4个电动势，即2个接触电动势和2个温差电动势。热电偶回路的总电势为•一般地，在热电偶回路中接触电动势远远大于温差电动势，所以温差电动势可以忽略不计，故有•结论：•热电偶回路中热电势的大小，只与组成热电偶的导体材料和两接点的温度有关，而与热电偶的形状尺寸无关。当热电偶两电极材料固定后，热电动势便是两接点温度为t和t0时的函数差。即•如果使冷端温度t0保持不变，则热电动势便成为热端温度t的单一函数。即•因为冷端温度t0恒定，热电偶产生的热电动势只与热端的温度有关。即一定的温度对应一定的热电势，若测得热电势，便可知热端的温度t了。热电偶的材料、结构及种类•热电偶材料：我国大量生产和使用的定型热电偶材料，共有6个品牌。•它们分别是：铂铑30-铂铑6，铂铑10-铂，镍铬-镍硅，镍铬-镍铜，铁-铜镍，铜-铜镍。•热电偶结构：•1．普通工业热电偶的结构•热电偶通常由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等几个主要部分组成。•2．铠装热电偶•它是由金属套管、绝缘材料和热电极经焊接密封和装配等工艺制成的坚实的组合体。•热电偶种类：标准型热电偶；非标准型热电偶；薄膜热电偶。•2.热电偶分度表•将温度与热电势的对应关系关系列成表格，称为分度表•实用中，测量出热电势后如何确定温度值？通常不是利用公式计算，而是用查热电偶分度表来确定。热电偶分度表是将冷端温度保持为0℃，通过实验建立起来的热电势与温度之间的数值对应关系。热电偶测温完全是建立在利用实验热特性和一些热电定律的基础上。•适于制作热电偶的材料有300多种，其中广泛应热电偶通常以热电极材料来命名，例如铂铑—铂、镍铬—镍硅等。•热电极材料的要求：•1）热电特性稳定，不随时间变化。•2）热电势要大，热电特性应为线性或近似线性关系。•3）电阻温度系数小，导电率高。•4）制造方便，易于复制，有良好的互换性。•适于制作热电偶的材料有300多种，其中广泛应用的有40～50种。•常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。•标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。•非标准热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。热电偶的基本定律•1．中间导体定律•在热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体和原导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变。•导体定律：在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电势。图导体热电回路AB0t0tCTEABC（T,T0）ABABCEE•2．中间温度定律•当热电偶两个接点的温度分别为T和T0时，所产生的热电势等于该热电偶两接点温度为T、Tn和Tn、T0时所产生的热电势之代数和，即•中间温度定律是制定热电偶分度表的理论基础。热电偶分度表都是以冷端温度为0时做出的。•一般工程测量中冷端都不为零（任一恒定值），因此，只要测出热端、冷端的热电势，便可利用利用热电偶分度表求出工作端的被测温度值。例如：用镍铬—镍硅热电偶测量炉温时，当冷端温度T0=30℃时，测得热电势E(T,T0)=39.17mv，求实际炉温。•由T0=30查分度表；得E（30，0）=1.2mv，根据中间温度定律得:–E（T，0）=E（T，30）+E（30，0）•=39.17+1.2•=40.37(mv)•则查表得炉温T=946℃。•3．参考电极定律•如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，无论两接点的温度如何，热电势均为零。•根据这个定律，可以检验两个热电极材料成分是否相同，也可以检查热电极材料的均匀性。•已知两个导体A、B分别与另一导体C组成的热电偶的热电势已知，则在相同接点温度(T,T0)下，由A、B电极组成的热电偶的热电势EAB(T,T0)为:•C称为标准电极•例如，铂铑30—铂热电偶的EAC（1084.5,0）=13,976mv,铂铑6—铂热电偶的EBC（1084.5,0）=8.354mv。•根据标准电极定律：•铂铑30—铂铑6热电偶•EAB(1084.5,0）=13,976-8.354=5.613mv。热电偶的特点•优点：••测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。••测量范围广。常用的热电偶从-50～+1600℃均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）。••构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属组成，而且不受大小的限制，外有保护套管，使用非常方便；适用于远距离测量和自动控制；热电偶的补偿•1．补偿导线法•补偿导线实际上是一对材料的化学成分不同的导线，在0～150℃温度范围内与配接的热电偶有一致的热电特性，但价格相对要便宜。利用补偿导线，将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所（如仪表室），其实质是相当于将热电极延长。•2．冷浴法•将热电偶的冷端置于温度为0℃的恒温器内（如冰水混合物），使冷端温度处于0℃。这种装置通常用于实验室或精密的温度测量。热电偶式温度传感器•热电偶冷端的延长图利用补偿导线延长热电偶的冷端接线图1—测量端2—热电极3—接线盒1(中间温度）4—补偿导线5—接线盒2(新的冷端）6—铜引线(中间导线)7—毫伏表)()(00''ttEttEABBA，，热电偶式温度传感器•热电偶的冷端补偿法•.冷端恒温法•将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中，使冷端的温度保持在0℃不变。•3．计算修正法•在实际应用中，冷端温度并非一定为0℃，所以测出的热电动势还是不能正确反映热端的实际温度。为此，必须对温度进行修正。修正公式为•4．补偿电桥法•补偿电桥法利用不平衡电桥产生的不平衡电势来补偿因冷端温度变化引起的热电势变化值，可以自动地将冷端温度校正到补偿电桥的平衡点温度上。•5．显示仪表零位调整法•当热电偶通过补偿导线连接显示仪表时，如果热电偶冷端温度已知且恒定，则可预先将有零位调整器的显示仪表的指针从刻度的初始值调至已知的冷端温度值上，这时显示仪表的示值即为被测量的实际温度值。热电偶式温度传感器图冰浴法接线图1—被测液体管道2—热电偶3—接线盒4—补偿导线5—铜制质导线6—毫伏表7—冰瓶8—冰水混合物9—试管10一新的冷端热电偶式温度传感器•（2）将热电偶的冷端置于电热恒温器中，恒温器的温度略高于环境温度的上限（例如40℃）。•（3）将热电偶的冷端置于恒温空调房间中，使冷端温度恒定。热电偶式温度传感器•2.仪表调零修正法•当热电偶与动圈式仪表配套使用时，若热电偶的自由端温度T0基本恒定，对测量精度要求又不高时，可将仪表的机械零点调至热电偶自由端温度T0。的位置上，这相当于在输入热电偶的热电动势EAB（T，T0）前先给仪表输入一个热电动势EAB（T0，0℃）。这样，仪表在使用时所指示的值即为EAB（T，T0）+EAB（T0，0℃）。进行仪表机械零点调整时，首先应将仪表的电源和输人信号切断，然后用螺丝刀调节仪表面板上的螺丝使指针指向T0的刻度上。热电偶式温度传感器•3.电桥补偿法图4.27热电偶冷端电桥补偿法热电偶式温度传感器•4.电位补偿法图热电偶的电位补偿法热电偶式温度传感器•5.计算修正法），（），（），（0000TETTETEABABABEAB(T，T0)是用毫伏表直接测得的热电动势毫伏数。EAB(T，0℃)是从该热电偶分度表中查出来的。热电偶测温线路•1．测量某一点的温度•2．测量两点之间的温度差•工作时，两支热电偶产生的热电动势方向相反，故输入仪表的是其差值，这一差值正反映了两支热电偶热端的温差。•3．热电偶并联线路•将n支同型号热电偶的正极和负极分别连接在一起的线路称并联测量线路。并联测量线路的总热电动势等于n支热电偶热电动势的平均值，即•4．热电偶串联线路•将n支同型号热电偶依次按正负极相连接的线路称串联测量线路，串联测量线路的总热电动势等于n支热电偶热电动势之和，即热电偶式温度传感器热电偶的选择、安装使用和校验•1．热电偶的使用图4.29热电偶安装简图热电偶式温度传感器•2．热电偶的定期校验图热电偶的校验1—调压变压器2—管式电炉3—标准热电偶4—被校热电偶5—冰瓶6—切换开关7—测试仪表8—试管热电偶式温度传感器•热电偶的应用•1．金属表面温度的测量(a)将热电偶粘贴在被测元件表面（b）测量端从斜孔内插入（c）测量端从原有的孔内插入图适合不同壁面的热电偶使用方式1—功率元件2—散热片3—薄膜热电偶4—绝热保温层5—车刀6—激光加工的斜孔7—露头式铠装热电偶测量端8—薄膜金属保护套管9—冷端10—工件热电偶式温度传感器•燃气热水器防熄火、防缺氧装置图燃气热水器防熄火、防缺氧示意图1—燃气进气管2—引火管3—高压放电针4—主燃烧器5—电磁阀线圈A1、B1—热电偶1A2、B2一热电偶2小结•1、热电偶基于热电效应原理工作，中间温度定律和中间导体定律是使用热电偶测量的理论依据，用来计算回路的电势和分析实际的应用。•2、热电偶结构简单，可用于测量小空间的温度，动态响应快，输出的电动势便于传送。常用于测量-270~1800℃范围的温度。•3、热电偶有四种冷端温度补偿，特别是补偿导线的使用，应该予以综合应用。第二节热电阻传感器导体（或半导体）的电阻值随温度变化而改变，通过测量其电阻值推算出被测物体的温度，这就是电阻温度传感器的工作原理。电阻温度传感器主要用于测量-200～500℃范围内的温度。纯金属是热电阻的主要制造材料，热电阻的材料应具有以下特性：（1）电阻温度系数要大而且稳定，电阻值与温度之间应具有良好的线性关系；（2）电阻率