2.4 热电偶式温度传感器（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（人民邮电版）

2.4 热电偶式温度传感器 特点： 应用广泛；灵敏度好；精度高；易保证单值函数关系；稳定性、复现性好；响应时间较快、材料易得到；互换性好，价格较低；测温范围宽（-270℃～2800 ℃）。 2024/1/4 1 2024/1/4 2 先看一个实验——热电偶工作原理演示 结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。 热电极A 右端称为：自由端（参考端、冷端） 左端称为：测量端（工作端、热端） 热电极B 热电动势 A B 一.测温原理 热电效应thermoelectricity effect（或塞贝克效应）：将两种不同的导体或半导体A和B连成闭合回路，当两个接点处的温度（T和T0）不同时，回路中将产生热电动势的现象。 两种不同导体（或半导体）组成的闭合回路称为热电偶。导体A或B称为热电极。两个接点中，置于温度为T的被测对象中的称为测量端（工作端或热端），温度为参考温度T0的接点称为参比端或参考端，也叫自由端或冷端。 B A T0 T 2024/1/4 3 闭合回路的热电动势由两种电动势组成：温差电动势（同一导体）和接触电动势（两种不同导体） 在热电偶回路中接一毫伏表，测量发现，热电动势与热 电极的材料和两端的温差有关： 热电动势=接触电动势+温差电动势 2024/1/4 4 B A T0 T 接触电动势(珀尔帖电动势)：指两种不同的导体相接触时，因各自的自由电子密度不同而产生电子扩散，当达到动态平衡后所形成的电动势。 接触电动势的大小与温度和热电极的电子密度比（导体的材料）的自然对数成正比： 温度越高，接触电动势越大； 电子密度差异越大，接触电动势也越大。 注意 2024/1/4 5 B A T0 T 温差电动势（汤姆逊电动势）：同一导体两端因温度不同而产生的电动势。 温差电动势的大小，取决于热电极两端的温度： 温差越大，温差电动势越大； 注意 2024/1/4 6 B A T0 T 6 热电偶回路中总的热电动势为： 两个接触电动势 两个温差电动势 讨论 1. A、B为同一种材料，（NA＝NB，A=B），则EAB（T,T0)=0 2. T=T0，则EAB（T,T0)=0 2024/1/4 7 B A T0 T 讨论 1. 热电动势是温度的函数之差，不是温差的函数；若T0=const，则热电动势与T一一对应。 2. 热电动势大小只与导体材质和接点温度相关，而与形状、接触面积无关。 2024/1/4 8 8 4.在热电偶回路中，接触电动势比温差电动势大得多，因此总 热电动势的极性总是取决于接触电动势的极性。 3.热电偶中电子密度高的导体称正电极，电子密度低的导体称为负电极；热电动势的符号EAB(T,T0)规定了正、负电极顺序和热端、冷端顺序，若电极和或温度顺序互换，热电动势的极性就反相。 例： 2024/1/4 9 二.热电偶的基本定律 1、 均质导体定律 同种均质导体（或半导体）组成的闭合回路，不论导体的截面、长度以及温度分布如何，都不能产生热电动势。 说明： （1）一种均质材料不能构成热电偶，必须由两种不同材料的均质导体构成； （2）若热电极材料不均匀，由于温度梯度的存在，将产生附加热电动势 应用： 检查热电极材料的均匀性（两极用同一种材料） 检验热电极材料成分是否相同 2024/1/4 10 10 2、中间导体定律 在热电偶回路中接入中间均质导体后，只要中间导体两端的温度相同，对热电偶回路的总热电动势值没有影响。 应用： 采用仪表测量热电偶的热电动势 用热电偶开路测量金属壁温、液态金属温度 热电偶回路中还可以加入第四、五种导体，只要加入导体的两接点温度相等，回路的总热电动势就与原回路的热电动势相同。 注意 2024/1/4 11 11 3、标准电极定律 如果A、B对标准电极C材料的热电动势已知，则A、B构成热电偶时的热电动势是它们分别对C构成热电偶时产生的热电动势的代数和。 说明： 只要通过实验获得各电极与标准电极的热电动势，则其中任意两个电极构成的热电偶的热电动势都可通过计算获得 一般选择高纯铂丝作为标准电极 = + T A B T0 T A C T0 T C B T0 2024/1/4 12 12 4、连接导体定律 热电偶回路中，如果热电极A、B分别与导体A’、B’相接，接点温度分别为T、Tn、T0，则回路总电动势等于热电偶热电动势和连接导体热电动势的代数和。 应用： 热电偶补偿导线 13 13 5、中间温度定律 两种均质材料A、B构成热电偶，接点温度分别为T、T0，若有一个中间温度Tn，则回路总电动势不受中间温度的影响。 等价形式 应用： 使用《热电偶分度表