第08章 热电式传感器

1 （1）热电性质稳定，不随时间变化，物理化学性能稳定，
（2 （3）热电动势随温度的变化率大，接近线性或近似为常数； （4 （5）容易制成细丝或薄片，易焊接。
2、对热电偶结构的要求 （1）热电偶的工作端要焊接牢固，可靠，不能有气孔和 杂质； （2） 绝缘良好，防止电极间短路。 （3） 保护管（作用：防止热电极受机械损伤）要有一定的 强度；且与被测介质隔离。 （4） 电极一般选用0.5mm直径，如果工作时间较长， 就要选用直径较大的电极，一般为1.3～3 mm 。
（2）参考电极定律
图中导体C接在A、B之间，形成三个热电偶组成的回路。 当结点温度为T，T0时，用导体A、B组成的热电偶的热电 动势等于AC热电偶和CB热电偶的热电动势的代数和。这一 规律称为参考电极定律。
参考电极定律的应用：选配热电偶 ，见下图
3种导体分别组成的热电偶 其中C是纯铂丝做成的参考电极，可以简化热电偶的选配工作。 P171 的习题2, 热电动势 EAB(T, T0)= EAC(T, T0)- EBC(T, T0)
=13.967mV- 8.345mV=5. 622mV
❖ （3）中间温度定律
当热电偶的两个节点温度为T，T1时, 热电势为EAB（T,T1）； 当热电偶的两个节点温度为T1，T0时, 热电势为EAB(T1,T0)； 则当热电偶的两个节点温度为T，T0时, 热电势EAB(T,T0)为
EAB (T ,T0 ) EAB (T ,0) EAB (T0 ,0)
第八章 热电式传感器
❖ 第一节 热电偶传感器 ❖ 第二节 热电阻传感器 ❖ 第三节 热敏电阻传感器 ❖ 第四节 集成温度传感器 ❖ 第8 章复习题
第一节 热电偶传感器
热电偶传感器特点： 1.测温范围广: -270℃～+2800℃。 2.便于远距离传输，自动记录，多点测量。 3.可适应各种测量需求。 4.结构简单。
❖ 中间温度定律的应用：T1 =0 ℃ ，得到
上式的实际意义是：只要列出参考温度为0 ℃ 时该热电偶的热电动势与温度的 关系EAB（T, 0） 和EAB（T0, 0） （即分度表），那么参考温度不等于0 ℃ 时的 热电势EAB（T,T 0） 就可以由上式求出来。（见下图所示）
二、热电偶的材料、结构及常用热电偶
❖ 一、热电偶的工作原理 1．热电效应
将两种不同性质的金属导体A，B串接成一个闭合回路，如果两接合点处的
温度不同（T0≠T， 设T0>T ），则在两导体间产生热电动势 EAB(T, T0)，
并在回路中有一定大小的电流，这种现象称为热电效应。
A
T T0
B
❖ 闭合回路中的两种金属导体叫热电极； ❖ 两个结点中，一个称工作端或热端（T），另一个叫参比端
遇到的导体和温度的顺序，依次写出各种接触电动势和温差电 动势，它们的代数和就是整个回路的总热电势。例如：对于导 体A、B构成的热电偶回路，其总的热电动势
（包括两个接触电动势和两个温差电动势）
由此得到：有关热电偶回路的几点结论：
1，如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，则无论两端的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ度如何，热 电偶回路的总热电动势为0，所以热电偶必须采用两种不同的材料作为热 电极。
（2）同一导体中的温差电动势（汤姆逊效应 ） ❖ 单一导体，如果两端温度不同，在两端间会产生电动势，即
单一导体的温差电动势， 大小可表示为
：汤姆逊系数（导体两端温差1 ℃ 时的温差电动势）
（3） 热电偶回路的总热电动势 EAB (T, T0)
“巡游一周”法：从热端T出发，沿热电偶回路巡游一周，按 照
3、 热电偶的分类 根据结构分类： 普通型热电偶、铠装热电偶、薄型热电偶， 根据用途分类：表面热电偶、快速热电偶、 多点式热电偶、气流式热电偶、 热辐射强度热电偶、真空热电偶。
普通热电偶：可用于测量气体、液体等介质的温度，已形成标 准，应用范围广。
主要有以下几种形式： 法兰式： 适用于固定深度测量。 活动螺纹式：适用于具有高压力对象的测量，一般压力在 10兆Pa以下。 锥型热电偶：适用于较高压力的测量对象，在30兆Pa以下。
必另加补偿导线。
薄膜热电偶：由两种薄膜连接在一起的热电偶。厚度一般为 0.01～0.1m ，动态响应快，时间常数可以达到秒级。
分类： （1）片状热电偶：用于低温测量 –200～300℃，一般用云 母做绝缘。 （2）针状热电偶：一电极材料做成针状，另一电极材料用 真空蒸镀的方法覆盖在针状电极表面，两电极之间用涂层绝 缘。
铠装热电偶：是将热电极，绝缘材料和保护管三者合成一体 的特殊结构热电偶，可以做得很长，根据测量 需要，可以任意弯曲，一般分为单芯和双芯。
优点:（1）动态响应快，时间常数10mS （2）热容量小，对被测对象影响小 （3）柔性好，任意弯 （4）强度高 （5）最长可达100米，可以直接与显示仪表连接，不
或冷端（T0）。 ❖ 由这两种金属导体的组合，并将温度转换成热电动势的传感
器叫做热电偶。 ❖ 热电动势是由两种金属导体的接触电势和单一导体的温差电
动势所组成。
（1）不同金属导体的接触电动势 不同金属导体接触，由于自由电子密度N不同，在接触表面
形成一个稳定的电位差，叫做接触电动势。大小可表示为
NA , NB : 不同金属导体的自由电子密度 T ，温度 ；k ：玻尔兹曼常数 e ：电子电量
2，如果热电偶两结点温度相等，则尽管导体A、B的材料不同，热电偶回路 内的总电动势为零。
3，热电偶AB的热电动势与A、B材料的中间温度无关，只与结点温度有关。
❖ P171的习题1：T=50+60/0.08*=50 ℃ +750 ℃ =800 ℃ (注意：电位计的读数是温度差所对应的热电偶回路内的总电动势。)
2．热电偶的基本定律
❖ （1）中间导体定律 如图, 在热电偶回路A,B中的冷端T0处断开，接入第三导 体C，当A、B结点温度为T，其余结点温度为T0，且 T>T0时，则回路中总热电动势并不因接入第三导体C而 发生变化。即有：
❖ 中间导体定律的实际应用：在热电偶回路中接入第三种材料的导线， 只要其两端的温度相等，第三导线的引入不会影响热电偶的热电动势。 可以在热电偶回路接入仪表 ，见下图的2中仪表接法。