《感测技术基础》第5章电压型传感器3,1（热电偶）.ppt

5.3 热电偶传感器特点：接触式测温，测量温度范围宽2701800摄氏度1. 1.热电效应热电效应 两种导体（或半导体）两种导体（或半导体）A,B,A,B,两端分别焊接在一起，形两端分别焊接在一起，形成闭合回路，当两个接点处于不同温度时，回路产生电动成闭合回路，当两个接点处于不同温度时，回路产生电动势，形成电流势，形成电流 热热 电电 偶偶 热电偶的工作原理热电偶的工作原理 ，基于热电效应工作的传感器基于热电效应工作的传感器B BA AT T0 0T TB BA AT T0 0T T热电势热电势 E EABAB( ( T,TT,T0 0 ) )热电偶热电偶热端热端T T（工作端）（工作端）冷端冷端T TOO（自由端）（自由端）（1 1 ）两种导体的接触电势）两种导体的接触电势接触电势接触电势温差电势温差电势若金属若金属A A的自由电子浓度大于金属的自由电子浓度大于金属B B的，的，则在同一瞬间由则在同一瞬间由A A扩散到扩散到B B的电子将比由的电子将比由B B扩散到扩散到A A的电子多，因而的电子多，因而A A对于对于B B因失因失去电子而带正电，去电子而带正电，B B获得电子而带负电，获得电子而带负电，在接触处便产生电场。

在接触处便产生电场A A、B B之间便产生之间便产生了接触电动势了接触电动势热电势热电势 E EABAB( ( T,TT,T0 0 ) ) 接触电动势的大小与两种金属的材料、接触电动势的大小与两种金属的材料、接点的温度有关，与导体的直径、长度及接点的温度有关，与导体的直径、长度及几何形状无关几何形状无关 对于温度为对于温度为T T的接点，有下列接触电动势公的接点，有下列接触电动势公式：式：说明接触电动势与说明接触电动势与接点温度接点温度的高低及导体中的自由的高低及导体中的自由电子电子密度密度有关KK是波尔兹曼常数是波尔兹曼常数,e ,e为电子电荷量为电子电荷量 对于任何一种金属，当其两端温度不同时，两端对于任何一种金属，当其两端温度不同时，两端的自由电子浓度也不同，温度高的一端浓度大，具有的自由电子浓度也不同，温度高的一端浓度大，具有较大的动能；温度低的一端浓度小，动能也小因此较大的动能；温度低的一端浓度小，动能也小因此高温端的自由电子要向低温端扩散高温端的自由电子要向低温端扩散，高温端因失去电，高温端因失去电子而带正电，低温端得到电子而带负电，形成温差电子而带正电，低温端得到电子而带负电，形成温差电动势。

动势2 2）单一导体的温差电势）单一导体的温差电势温差电动势的大小取决于导体的材料及两端温差电动势的大小取决于导体的材料及两端的温度导体的温度导体A A两端的温差电动势可用下式两端的温差电动势可用下式表示：表示：e eA A（T T，T T0 0）导体导体A A两端温度分别为两端温度分别为T T、T T0 0时时形成的温差电动势；形成的温差电动势；T T、T T0 0高、低温端的绝对温度；高、低温端的绝对温度； A A温差系数温差系数( (汤姆逊汤姆逊) )系数，表示导体系数，表示导体A A两端的两端的温度差为温度差为1 K1 K时所产生的温差电动势时所产生的温差电动势 闭合回路总的热电势闭合回路总的热电势A AB BT TT T0 0- -e eA A( (T T, ,T T0 0) )e eB B( (T T, ,T T0 0) )e eABAB( (T T) )e eABAB( (T T0 0) )(3) (3) 回路总电动势回路总电动势 由于在金属中自由电子数目很多，温度由于在金属中自由电子数目很多，温度对自由电子密度的影响很小，故温差电势可对自由电子密度的影响很小，故温差电势可以忽略不计，以忽略不计，在热电偶回路中起主要作用的在热电偶回路中起主要作用的是接触电势。

是接触电势 热电偶回路的热电势只与组成热电偶的热电偶回路的热电势只与组成热电偶的材料及两端接点的温度有关；材料及两端接点的温度有关；与热电偶的与热电偶的长度、粗细、形状无关长度、粗细、形状无关2. 2. 热电偶基本性质热电偶基本性质 只有用只有用不同性质的材料不同性质的材料才能组合成热电才能组合成热电偶，相同材料不会产生热电势偶，相同材料不会产生热电势二二. . 热电偶基本定律热电偶基本定律(1) (1) 中间导体定律中间导体定律在热电偶回路中接入第三种导体在热电偶回路中接入第三种导体C C，只要第三种导体的，只要第三种导体的两接点温度相同两接点温度相同，则不会影响热电偶回路的总的热电动，则不会影响热电偶回路的总的热电动势右图回路中的总电动势为： T0T0BTAC（2）中间温度定律 热电偶AB在接点温度为(T, TO)时的热电势等于该热电偶在接点温度为(T, Tn)和(Tn，To)时的热电势之和B BB BA A T Tn n T T T T0 0 A AA AB B参考温度不为0时可按下式求参考温度为T0时的热电势因此，只要知道参考温度为0C时的分度表，就可以求出参考温度不等于0C时的分度表。

通常，仪表的“热电势-温度”分度表是以参考温度为0C的情况下建立的3) (3) 标准电极定律（标准电极定律（C C是标准电极）是标准电极） 如果两种导体分别与第三种导体组成的如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电势已知，则由这两种导热电偶所产生的热电势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电势可求得体组成的热电偶所产生的热电势可求得T T0 0T TE EAB AB ( (T T, ,T T0 0) )A AB BT T0 0T TE EACAC( (T T, ,T T0 0) )A AC CT T0 0T TE EBC BC ( (T T, ,T T0 0) )B BC C导体导体A A与与B B组成的热电偶的热电动势可按组成的热电偶的热电动势可按下式求出：下式求出：只要知道任意两种电极分别与标准电极配对的热电势，即可求出这两种热电极配对的热电势，大大简化热电偶的选配工作 热电偶材料热电偶材料 用作热电偶的材料应具备下面的条件：用作热电偶的材料应具备下面的条件： 性能稳定要求在规定的温度测量范围内使用时性能稳定要求在规定的温度测量范围内使用时热电性能稳定，不随时间和被测介质变化；物理热电性能稳定，不随时间和被测介质变化；物理化学性能稳定，不易氧化或腐蚀。

化学性能稳定，不易氧化或腐蚀导电率高，且电阻温度系数小导电率高，且电阻温度系数小热电势随温度变化率大，且该变化率在测量范围热电势随温度变化率大，且该变化率在测量范围内接近常数内接近常数机械强度高，复制工艺要简单，价格便宜机械强度高，复制工艺要简单，价格便宜热电偶的型号热电偶的型号1. 1. 标准型热电偶标准型热电偶目前国际上已有目前国际上已有8 8种标准化热电偶型号为：种标准化热电偶型号为：S S、R R、B B、KK、N N、E E、J J、T T 这些热电偶的型号（通常也称这些热电偶的型号（通常也称为分度号）、热电极的材料及可测温度范围见表为分度号）、热电极的材料及可测温度范围见表5-3-5-3-1(P92)1(P92) 常用热电偶的结构常用热电偶的结构1. 1. 普通工业用装配式热电偶普通工业用装配式热电偶 工业用装配式热电偶结构示意图工业用装配式热电偶结构示意图接线盒接线盒保险套管保险套管绝缘套管绝缘套管热电偶丝热电偶丝装配式热电偶装配式热电偶 常用热电偶的结构常用热电偶的结构2.铠装热电偶具有能弯曲、耐高压、热响应时间快和坚固耐用等许多优点5.3.3 热电偶测量温度分度表示例（分度表示例（KK型）：型）：有了这个分度表，只要测得热电势，就可以通过查分度表确定对应的被测温度的数值查表法 1、直读法测温，热电偶与专用测量仪表配套，仪表按温度刻度。

条件T0等于00C） 2、热电势修正法 热电偶的分度表和配套仪表刻度是按冷端为00c条件标定的，若参考温度T0已知但不等于00C ，应按以下计算修正：在参考温度T0下测得EAB(T, T0)，并从分度表查得EAB(T0, 0)，按上式求出EAB(T, 0)，最后从分度表查得热电势EAB(T, 0) 对应的温度T二、热电偶的冷端处理 1.冷端恒温方式，把冷端放在00c的冰水中 2.冷端的延伸，避免冷端温度受测量温度影响，使热电偶的冷端远离工作端AB是补偿导线，与连接热电偶特性相同，1、2两接点温度相同，注意热电偶与补偿导线同极性连接 作业 P112页，第12题。