模块二 温度传感器_2（课件）- 《传感器与检测技术（项目教程）》同步教学（西安交大版·2015）

传感器与检测技术项目教程 学习单元一 热电阻传感器 学习单元二 热电偶传感器 学习单元三 集成温度传感器 学习单元四 温度传感器应用实例 模块二 温度传感器 学习单元二 热电偶传感器 热电偶是工业上常用的温度检测组件之一， 它是一种将温度量转换为电动势大小的热电式传感器，具有测温范围宽、测量精度高、性能稳定、结构简单，且动态响应较好，可直接输出电信号，快速测量，远距离传输，便于集中检测、调节和控制的特点，因此在冶金、机械和化工等领域有广泛的应用。本学习单元主要是让学生掌握热电偶的基本工作原理和应用方法。 学习单元二 热电偶传感器 热电偶测温原理 一、 热电偶的测温原理基于热电效应。将两种不同的导体A和B组成闭合回路，若两端节点处的温度不同（分别为T0和T），则回路中将产生电流，相应的电动势称为热电动势，这个物理现象称为热电动势效应，简称热电效应。热电效应是1821年由德国人塞贝克发现的，因此又称塞贝克效应。构成这种热电变换的元件称为热电偶（见图2-17），导体A和B称为热电极，通常把两热电极的一个节点固定焊接，用于对被测介质进行温度测量，这一节点称为测量端或工作端，俗称热端；两热电极的另一节点处通常保持为某一恒定温度或室温，被称为基准点或参考端，俗称冷端。冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指示出热电偶所产生的热电势。 学习单元二 热电偶传感器 图2-17 热电偶 根据热电动势与温度的函数关系，制成热电偶分度表。分度表是自由端温度在0 ℃时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。 学习单元二 热电偶传感器 热电偶实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度。对于热电偶的热电势，应注意如下几个问题： （1）热电偶的热电势是热电偶工作端的两端温度函数的差。 （2）当热电偶的材料均匀时，热电偶所产生的热电势的大小与热电偶的长度和直径无关，只与热电偶材料的成分和两端的温差有关。 学习单元二 热电偶传感器 （3）当热电偶的两个热电偶丝材料成分确定后，热电偶热电势的大小只与热电偶的温度差有关；若热电偶冷端的温度保持一定，热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。 热电偶的热电动势由两种导体的接触电动势和同一导体的温差电动势组成。接触电动势是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，接触电动势的数值取决于两种不同导体的材料特性和接触点的温度。两个节点的接触电动势eAB(T)和eAB（T0）可表示为 学习单元二 热电偶传感器 式中，NA、NB是材料自由电子密度；Q0是电子电荷量，为1.6×10-19 C；K是玻尔兹曼常数，为1.38×10-23 J/K。 温差电动势是在同一导体中，由于两端温度不同而使导体内高温端的自由电子向低温端扩散形成的电动势。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。温差电动势大小可表示为 学习单元二 热电偶传感器 热电偶回路如图2-18所示。 图2-18 热电偶回路 学习单元二 热电偶传感器 热电偶的热电动势为 其中，接触电动势远远大于温差电动势，因此可以把温差电动势忽略。故有 综上所述，可以得出以下结论：热电偶热电动势的大小，只与组成热电偶的材料和两个节点的温度有关，而与热电偶的形状和尺寸无关。对于已选定的热电偶，当参考端温度T0恒定时，eAB(T0)=c（常数），则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，即 eAB(T, T0)=eAB(T)＋eB(T,T0)－eAB(T0)－eA(T,T0) eAB(T,T0)=eAB(T)－c=f(T) 学习单元二 热电偶传感器 均质导体定律 1. 热电回路的基本定律 二、 由同一种导体组成的闭合回路，无论节点的温度如何，均不产生热电动势，这是因为同一种导体不产生接触电动势，温差电动势也相抵消，所以总的热电动势为零。 学习单元二 热电偶传感器 中间导体定律 2. 在热电偶回路中接入中间导体（第三种导体），只要中间导体两端温度相同，热电偶的热电动势就不变。 热电偶的热电动势测量必须有连接导线和仪表，若把连接导线和仪表看成第三种导体，只要它们的两端温度相同，就不影响总热电动势。在实际测温系统中，常采用热端焊接、冷端开路的形式，由冷端连接导线和显示仪表构成。 学习单元二 热电偶传感器 中间温度定律 3. 热电偶回路两节点（温度为T、T0）间的热电动势，等于热电偶在温度为T、Ta时的热电动势与在温度为Ta、T0时的热电动势的代数和，其中Ta为中间温度。 eAB(T,T0)=eAB(T,