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1、第7章 热电偶传感器 第第7 7章章 热电偶传感器热电偶传感器l 热电偶的工作原理热电偶的工作原理l 常用热电偶及结构常用热电偶及结构l 热电偶冷端温度补偿热电偶冷端温度补偿第7章 热电偶传感器 2一、热电效应一、热电效应7-1 7-1 热电偶的工作原理热电偶的工作原理 把两种不同导体或半导体的这种组合称为热电把两种不同导体或半导体的这种组合称为热电偶，偶，A A和和B B称为热电极。温度高的接点称为热端（或称为热电极。温度高的接点称为热端（或工作端），温度低的接点称为冷端（或自由端）。工作端），温度低的接点称为冷端（或自由端）。把两种不同导体把两种不同导体(或半导体或半导体)材料材料A A、
2、B B连接成一个连接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，回路中将会产生闭合回路，当两个接点温度不同时，回路中将会产生热电动势热电动势(称为热电势称为热电势)，这种现象称为热电效应。，这种现象称为热电效应。TT0ABEAB(T,T0)第7章 热电偶传感器 3热电偶工作原理演示热电偶工作原理演示 当两个接点温度不相同时，回路中将产生热电动当两个接点温度不相同时，回路中将产生热电动势。热电势由两种材料的接触电势和单一材料的温差势。热电势由两种材料的接触电势和单一材料的温差电势决定。电势决定。热电极热电极A A自由端自由端（参考（参考端、冷端、冷端）端）测量端测量端（工作端、（工作端、热端）热端）热
3、电极热电极B B热电势热电势AB第7章 热电偶传感器 4（一）接触电势（一）接触电势BAABnnekTTeln)(eAB(T)导体导体A、B结点在温度结点在温度T 时形成的接触电动势；时形成的接触电动势；e 单位电荷，单位电荷，e=1.610-19C；k 波尔兹曼常数，波尔兹曼常数，k=1.3810-23 J/K；nA、nB 导体导体A、B在温度为在温度为T 时的电子密度。时的电子密度。可见，接触电势的大小与温度高低及导体的电子密度有关。可见，接触电势的大小与温度高低及导体的电子密度有关。在不同导体的接触面上，因自在不同导体的接触面上，因自由电子密度不同而发生电子扩由电子密度不同而发生电子扩散
4、，导体散，导体A失去电子带正电荷，失去电子带正电荷，导体导体B则带负电荷。达到平衡则带负电荷。达到平衡时，在接触区形成一个稳定的时，在接触区形成一个稳定的电位差电位差接触电势。接触电势。第7章 热电偶传感器 5eA(T，T0)导体导体A两端温度为两端温度为T、T0时形成的温差电动势；时形成的温差电动势；T，T0 高低温端的绝对温度；高低温端的绝对温度；A 汤姆逊系数，表示导体汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为两端的温度差为1时所产时所产生的温差电动势生的温差电动势,与两端温度及材料性质有关。与两端温度及材料性质有关。dTTTeTTAA0),(0+AeA(T,To)-TT00TT 导体内自由电
5、子在高温端具有导体内自由电子在高温端具有较大动能，向低温端扩散，使较大动能，向低温端扩散，使高温端带正电荷，低温端带负高温端带正电荷，低温端带负电荷。达到平衡时，在导体两电荷。达到平衡时，在导体两端产生电位差端产生电位差温差电势。温差电势。（二）温差电势（二）温差电势第7章 热电偶传感器 6dTnneKTnneKTTTABBTATBTAT0000)(lnlnnAT/nAT0，nBT/nBT0导体导体A/B在结点温度为在结点温度为T和和T0时的电子密度时的电子密度A/B导体导体A/B的汤姆逊系数。的汤姆逊系数。),(),()()(),(0000TTeTTeTeTeTTEBAABABAB等于整个回
6、路中各接触电等于整个回路中各接触电势与各温差电势的代数和势与各温差电势的代数和温差电势很小，上式中起决定作用的是接触电势。温差电势很小，上式中起决定作用的是接触电势。（三）热电偶回路总的热电势（三）热电偶回路总的热电势第7章 热电偶传感器 7结论：结论：dTnneKTnneKTTTETTABBTATBTATAB00000)(lnln),(如果如果A和和B两导体的材料相同，即两导体的材料相同，即nA=nB，A=B，即，即使两端温度使两端温度T、T0不同，总热电势也为零，因此热电不同，总热电势也为零，因此热电偶必须用两种不同成分的材料做热电极。偶必须用两种不同成分的材料做热电极。如果热电偶的两电极
7、材料不同，但热电偶的两端温如果热电偶的两电极材料不同，但热电偶的两端温度相同，即度相同，即TT0，总的热电势也为零。，总的热电势也为零。热电势的大小仅与热电极材料的性质、两个接点的热电势的大小仅与热电极材料的性质、两个接点的温度有关，与热电偶的尺寸及形状无关。温度有关，与热电偶的尺寸及形状无关。第7章 热电偶传感器 8 综上所述，热电动势的大小只与材料和接点温度有关，如果冷端温度固定，则热电偶的热电势就是被测温度的单值函数。只要测出热电势的大小，就能得到被测温度T，这就是利用热电偶测温的原理。00(,)()()ABET Tf TT恒定 dTnneKTnneKTTTETTABBTATBTATAB
8、00000)(lnln),(第7章 热电偶传感器 9热电偶的分度表热电偶的分度表l 不同金属组成的热电偶，温度与热电动势之间有不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，即温度的对照表，即分度表分度表。l 直接使用分度表的约束条件：冷端温度为直接使用分度表的约束条件：冷端温度为0 C。l 分度表每分度表每1010分档。中间值按内插法计算。分档。中间值按内插法计算。()MLMLHLHLEEttttEEEM、
9、EH、EL分别为被测温度分别为被测温度tM、较高温度、较高温度tH、较低温度、较低温度tL对应的热电势。对应的热电势。第7章 热电偶传感器 10S型型(铂铑铂铑10-铂铂)热电偶分度表热电偶分度表 比较比较3 3个热电势，热电势与温度是否线性？个热电势，热电势与温度是否线性？第7章 热电偶传感器 11问题：利用热电偶测温，必须在回路中引入连接导线和仪表，问题：利用热电偶测温，必须在回路中引入连接导线和仪表，接入导线和仪表后会不会影响回路中的热电势呢？接入导线和仪表后会不会影响回路中的热电势呢？二、热电偶基本定律二、热电偶基本定律（一）中间导体定律（一）中间导体定律),(),(00TTETTEA
10、BABC 在热电偶测温回路内接入第三种导体，只要第三种在热电偶测温回路内接入第三种导体，只要第三种导体的两端温度相同，对回路的总热电势没有影响。导体的两端温度相同，对回路的总热电势没有影响。用途：用途：T0ABT CT0T0ABT CT1T1B同理，第同理，第4种，第种，第5种种第7章 热电偶传感器 12 在热电偶测温回路中，测量仪表（如毫伏在热电偶测温回路中，测量仪表（如毫伏表、电位差计）与连接导线可以看作第三种导表、电位差计）与连接导线可以看作第三种导体，不影响回路中原来的热电势。体，不影响回路中原来的热电势。中间导体定律的用途：中间导体定律的用途：第7章 热电偶传感器 13),(),()
11、,(),(),(00000TTETTETTETTETTEBCACCBACAB导体导体C C称为标准电极称为标准电极 当接点温度为当接点温度为T,T0时，用导体时，用导体A，B组成的热电偶产组成的热电偶产生的热电动势等于生的热电动势等于A、C热电偶和热电偶和C、B热电偶热电势热电偶热电势的代数和。的代数和。意义：意义：（二）（二）标准电极定律标准电极定律第7章 热电偶传感器 14标准电极定律的意义：标准电极定律的意义：l通常选用高纯铂丝作标准电极通常选用高纯铂丝作标准电极l只要测得它与各种金属组成的热电偶的热电动只要测得它与各种金属组成的热电偶的热电动势，则各种金属间相互组合成热电偶的热电动势，
12、则各种金属间相互组合成热电偶的热电动势就可根据标准电极定律计算出来。从而减少势就可根据标准电极定律计算出来。从而减少了热电偶分度表的工作量。了热电偶分度表的工作量。例：热端为例：热端为100，冷端为，冷端为0时，镍铬合金与纯铂组成的时，镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为热电偶的热电动势为2.95mV，而考铜与纯铂组成的热电，而考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为偶的热电动势为4.0mV，则镍铬和考铜组成的热电偶，则镍铬和考铜组成的热电偶所产生的热电动势应为：所产生的热电动势应为：2.95(4.0)=6.95(mV)第7章 热电偶传感器 15（三）连接导体定律与中间温度定律（三）连接导体定律与
13、中间温度定律 A、B热电偶，热电偶，A、B 连接导线，连接导线，回路的总热电势：回路的总热电势：EABB A（T,Tn,T0）=EAB（T,Tn）+EA B（Tn,T0）上式为连接导体定律的数学表达式上式为连接导体定律的数学表达式TnBB A Tn TT0A当当A与与A、B与与B 材料分别相同时，上式为：材料分别相同时，上式为：EAB(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)上式为中间温度定律的数学表达式上式为中间温度定律的数学表达式意义：意义：第7章 热电偶传感器 16ABTTnTnABT0T0热电偶补偿导线接线图E工业上运用补偿导线进行温度测量的理论基础。工业上运用补偿导
14、线进行温度测量的理论基础。只要只要T、T0不变，接入不变，接入AB后不管接点温度后不管接点温度Tn如何变如何变化，都不影响总热电势化，都不影响总热电势引入补偿导线原理。引入补偿导线原理。连接导体定律的意义：连接导体定律的意义：EABB A（T,Tn,T0）=EAB（T,Tn）+EA B（Tn,T0）第7章 热电偶传感器 17为制定热电偶分度表奠定了理论基础。为制定热电偶分度表奠定了理论基础。l 热电偶分度表：热电偶分度表：每一个电势值对应的温度是在冷端每一个电势值对应的温度是在冷端为为0的情况下获得的。的情况下获得的。l 只要得到冷端为只要得到冷端为0时的热电势，就可求出冷端不时的热电势，就可
15、求出冷端不为为0时的热电势。时的热电势。Tn为中间温度，当为中间温度，当T0=0，Tn已知时：已知时：查分度表得出查分度表得出中间温度定律的意义：中间温度定律的意义：EAB(T,Tn)=EAB(T,0)EAB(Tn，0)EAB(T,0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn，0)查分度表得出查分度表得出分度表分度表 EAB(T,T0)=EAB(T,0)EAB(T0，0)第7章 热电偶传感器 18用镍铬用镍铬-镍硅热电偶测量温度，镍硅热电偶测量温度，已知冷端温度已知冷端温度T0=20，测得热，测得热电势电势EAB(T,T0)为为19.633mV,求被求被测温度测温度T。解：解：使用分度表举例使用分度
16、表举例查镍铬查镍铬-镍硅热电偶分度表得镍硅热电偶分度表得E EABAB(T T0 0,0),0)E EABAB(20,0)(20,0)0.7980.798 EAB(T,0)=EAB(T,T0)+EAB(T0,0)=19.633+0.798=20.431mV由分度表得温度由分度表得温度T495第7章 热电偶传感器 197-2 7-2 常用热电偶及结构常用热电偶及结构一、常用热电偶一、常用热电偶八种国际通用热电偶：八种国际通用热电偶：S:S:铂铑铂铑1010铂、铂、B:B:铂铑铂铑3030铂铑铂铑6 6、R:R:铂铑铂铑1313铂、铂、K:K:镍铬镍铬镍硅、镍硅、N:N:镍铬硅镍铬硅镍硅、镍硅、E:E:镍铬镍铬铜镍铜镍J:J:铁铁铜镍铜镍 、T:T:铜铜铜镍铜镍 写在前面的热电极为写在前面的热电极为正极正极，写在后面的热电极为，写在后面的热电极为负极负极。铂铑铂铑10表示该合金含表示该合金含90的铂及的铂及10的铑。的铑。第7章 热电偶传感器 20铂铑铂铑1010-铂热电偶（铂热电偶（S S型）型）l贵金属热电偶贵金属热电偶。电极线径规定为。电极线径规定为0.5mm0.5mm，正极（正极（
