DOC《第5章》

第5章 热电偶传感器 在工业生产过程中,温度是需要测量和控制的重要参数之一.

热电式传感器是一种将温度转换为电量变化的装置.其中,热电偶应用极为广泛,具有结构简单,制造方便,测量范围广,精度高,惯性小和输出信号便于远传等许多优点.其中将温度转换为热电势变化的称为热电偶传感器. 5.1 热电偶工作原理 5.1.1 热电偶工作原理 图5.1 热电偶回路 1.热电效应 将两种不同成分的导体组成一个闭合回路,如图5.1所示.当闭合回路的两个接点分别置于不同温度场中时,回路中将产生一个电动势.该电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关,这种现象被称为 热电效应 ,两种导体组成的回路被称为 热电偶 ,这两种导体被称为 热电极 ,产生的电动势则被称为 热电动势 .热电偶的两个工作端分别被称为热端和冷端.热电偶产生的热电动势由两部分电动势组成:一部分是两种导体的接触电动势,另一部分是单一导体的温差电动势.下面以导体为例说明热电势的产生. 2.接触电动势 当A和B两种不同材料的导体接触时,由于两者内部单位体积的自由电子数目不同(即电子密度不同,分别用NA和NB表示),因此,电子在两个方向上扩散的速率就不一样.设NA>

NB,则导体A扩散到导体B的电子数要比导体B扩散到导体A的电子数多.所以导体A失去电子带正电荷,而导体B得到电子带负电荷.于是,在A、B两导体的接触界面上便形成了一个由A到B的电场.该电场的方向与扩散进行的方向相反,阻碍扩散作用的继续进行.当扩散作用与阻碍扩散的作用相等时,即自导体A扩散到导体B的自由电子数与在电场作用下自导体B扩散到A的自由电子数相等时,导体便处于一种动态平衡状态.在这种状态下,A与B两导体的接触处就产生了电位差,称为接触电动势,其大小可用下式表示: eAB(t) =UA(t)-UB(t) eAB(t0) =UA(t0)-UB(t0)5.1) 式中,eAB(t)、eAB(t0)为导体A、B在接点温度为t和t0 时形成的电动势;

UA(t)、UA(t0)分别为导体A在接点温度为t和t0时的电压;

UB(t)、UB(t0)分别为导体B在接点温度为t和t0时的电压. 可见,接触电动势的大小与接点处温度高低和导体的电子密度有关.温度越高,接触电动势越大;

两种导体电子密度的比值越大,接触电动势越大. 3.温差电动势 对于导体A或B,若将其两端分别置于不同的温度场t、t0中(t >

t0),则在导体内部,热端的自由电子具有较大的动能,因此向冷端移动,从而使热端失去电子带正电荷,冷端得到电子带负电荷.这样,在导体两端便产生了一个由热端指向冷端的静电场.该电场阻止电荷的进一步扩展.这样,导体两端便产生了电位差,将该电位差称为温差电动势,表达式为 (5.2) 式中,eA(t,t0)、eB(t,t0)分别为导体A和B在两端温度为t和t0时形成的电动势.可见,温差电动势的大小与导体的电子密度及两端温度有关. 4.热电偶回路的总电势 将导体A和B头尾相接组成回路.如果导体A的电子密度大于导体B的电子密度,且两接点的温度不相等,则在热电偶回路中存在着4个电动势,即2个接触电动势和2个温差电动势.热电偶回路的总电势为 EAB(t,t0)=eAB(t)CeAB(t0)CeA(t,t0) + eB(t,t0)5.3) 一般地,在热电偶回路中接触电动势远远大于温差电动势,所以温差电动势可以忽略不计,故式(5.3)可以写为 EAB(t,t0)=eAB(t)-eAB(t0)5.4) 上式中,由于导体A的电子密度大于导体B的电子密度,所以A为正极,B为负极. 综上所述,可以得出如下结论: 热电偶回路中热电势的大小,只与组成热电偶的导体材料和两接点的温度有关,而与热电偶的形状尺寸无关.当热电偶两电极材料固定后,热电动势便是两接点温度为t和t0时的函数差.即EAB(t,t0)=f(t)-f(t0) 如果使冷端温度t0保持不变,则热电动势便成为热端温度t的单一函数.即EAB(t,t0)=f(t)-C=φ(t)5.5) 这一关系式在实际测温中得到了广泛应用.因为冷端温度t0恒定,热电偶产生的热电动势只与热端的温度有关.即一定的温度对应一定的热电势,若测得热电势,便可知热端的温度t了. 用实验方法求取这个函数关系.通常令t0=0℃,然后在不同的温差(t - t0)情况下,精确地测定出回路总热电动势,并将所测得的结果列成表格(称为热电偶分度表),供使用时查阅. 5.1.2 热电偶的基本定律 1.均质导体定律 如果热电偶回路中的两个热电极材料相同,无论两接点的温度如何,热电势均为零. 根据这个定律,可以检验两个热电极材料成分是否相同(称为同名极检验法),也可以检查热电极材料的均匀性. 2.中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种导体,只要第三种导体和原导体的两接点温度相同,则回路中总的热电动势不变. 如图5.2所示,在热电偶回路中接入第三种导体C.设导体A与B接点处的温度为t,导体A、B与C两接点处的温度为t0,则回路中的总电势为 EABC(t,t0)=eAB(t)+eBC(t0)-eAC(t0)5.6) 图5.2 第三导体接入热电偶回路 如果回路中三接点的温度相同,即t = t0,则回路总电动势必为零,即eAB(t0)+eBC(t0)-eAC(t0)=0 或者 eBC(t0)CeAC(t0)=-eAB(t0)5.7) 将式(5.7)代入式(5.6),可得 EABC(t,t0)=eAB(t)-eAB(t0)5.8) 热电偶的这种性质在工业生产中是很实用的,例如,可以将显示仪表或调节器作为第三种导体直接接入回路中进行测量.也可以将热电偶的两端不焊接而直接插入液态金属中或直接焊在金属表面进行温度测量. 如果接入的第三种导体两端温度不相等,热电偶回路的热电动势将要发生变化,变化的大小取决于导体的性质和接点的温度.因此,在测量过程中必须接入的第三种导体不宜采用与热电偶热电性质相差很大的材料;