PPT《第七章 热电式传感器》

第七章 热电式传感器 1.

热电效应 7.1 热电偶7.1.1 热电偶的工作原理 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 热电势 A B B A T0 T B A T0 T 热电势 EAB( T,T0 ) 热电偶 热电极 热端(工作端)冷端(自由端) (1 )接触电动势 接触电势温差电势 若金属A的自由电子浓度大于金属B的,则在同一瞬间由A扩散到B的电子将比由B扩散到A的电子多,因而A对于B因失去电子而带正电,B获得电子而带负电,在接触处便产生电场.A、B之间便产生了一定的接触电动势. 热电势 EAB( T,T0 ) 接触电动势的大小与两种金属的材料、接点的温度有关,与导体的直径、长度及几何形状无关. 对于温度为T的接点,有下列接触电动势公式: 上式说明接触电动势的大小与接点温度的高低及导体中的电子密度有关. 对于任何一种金属,当其两端温度不同时,两端的自由电子浓度也不同,温度高的一端浓度大,具有较大的动能;

温度低的一端浓度小,动能也小.因此高温端的自由电子要向低温端扩散,高温端因失去电子而带正电,低温端得到电子而带负电,形成温差电动势,又称汤姆森电动势. (2)温差电动势 温差电动势的大小取决于导体的材料及两端的温度.导体A两端的温差电动势可用下式表示: eA(T,T0)――导体A两端温度分别为T、T0时形成的温差电动势;

T、T0――高、低温端的绝对温度;

σA――汤姆逊系数,表示导体A两端的温度差为1℃时所产生的温差电动势. 同样导体B两端的温差电动势如下式所示: 图6-4 闭合回路总的热电势 A B T T0 - eA(T,T0) eB(T,T0) eAB(T) eAB(T0) (3) 回路总电动势 由于在金属中自由电子数目很多,温度对自由电子密度的影响很小,故温差电动势可以忽略不计,在热电偶回路中起主要作用的是接触电动势.NAT和NAT0可记做NA,NBT和NBT0可记做NB ,则有在标定热电偶时,一般使T0为常数,则①热电偶回路的热电动势只与组成热电偶的材料及两端接点的温度有关;

与热电偶的长度、粗细、形状无关. 2. 热电偶基本性质 ② 只有用不同性质的材料才能组合成热电偶,相同材料不会产生热电动势.因为当A、B两种导体是同一种材料时,ln(NA/NB)=0,所以EAB(T,T0)=0. ③ 只有当热电偶两端温度不同时,不同材料组成的热电偶才能有热电动势产生;

当热电偶两端温度相同时,不同材料组成的热电偶也不产生热电动势,即EAB(T,T0)=0. ④ 导体材料确定后,热电动势的大小只与热电偶两端的温度有关.如果使eAB(T0)=常数,则回路热电动势EAB(T, T0 )就只与温度T有关,而且是T的单值函数,这就是利用热电偶测温的基本原理. ⑤ 对于有几种不同材料串联组成的闭合回路,若各接点温度分别为T

1、T2……TN ,闭合回路总的热电动势为: 3. 热电偶基本定律 (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,热电动势均为零;

反之,如果有热电动势产生,两个热电极的材料则一定是不同的. 根据这一定律,可以检验两个热电极材料的成分是否相同(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C,只要第三种导体的两接点温度相同,则回路中总的热电动势不变. 右图回路中的总电动势为: T0 T0 B T A C 如果回路中三个接点的温度都相同,即T=T0,则回路总电动势必为零,即: 即则如果按右图接入第三种导体C,则回路中的总电动势为: T1 C T0 T1 T A B 而 所以 (3) 标准电极定律如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动势已知,则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就可知. T0 T EAB (T,T0) A B T0 T EAC(T,T0) A C T0 T EBC (T,T0) B C 两式相减得: 解:由标准电极定律,镍铬和考铜热电偶的热电动势应等于镍铬合金与纯铂热电偶与考铜与纯铂热电偶的热电动势的差,即例7-1 热端为100℃、冷端为0℃时,镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为2.95mV,而考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为-4.0mV,求镍铬和考铜组合而成的热电偶所产生的热电动势. 2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV B B A T2 T1 T3 A A B (4) 中间温度定律热电偶在两接点温度分别为T、T0时的热电动势等于该热电偶在接点温度分别为T、Tn和接点温度分别为Tn、T0时的相应热电动势的代数和. 证明: 即: 对于冷端温度不是零度时,热电偶如何分度表的问题提供了依据. 当Tn=0℃时,则: 上式说明:只要A、B组成的热电偶在冷端温度为零时的 热电动势 ― 温度 关系已知,则它在冷端温度不为零时的热电动势即可知. 中间温度定律表明:当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A、B相同热电特性的材料C、D即引入所谓补偿导线时,只要它们之间连接的两点温度相同,则总回路的热电动势与两连接点温度无关,只与热电偶两端的温度有关. 热电偶补偿导线接线图 A B T Tn Tn C D T0 T0 M 由于A与C、B与D的热电特性相同,由热电偶的基本性质可知:eAC(Tn)= eBD(Tn)=0,则回路总电动势为: 热电偶的分度表 热电偶的线性较差,多数情况下采用查表法 我国从1991年开始采用国际计量委员会规定的 1990年国际温标 (简称ITS-90)的新标准.按此标准,制定了相应的分度表,并且有相应的线性化集成电路与之对应. 直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是:自由端(冷端)温度必须为0?C. 7.1.2 常用热电偶的结构 普通工业用装配式热电偶 图 工业用装配式热电偶结构示意图 接线盒 保险套管 绝缘套管 热电偶丝 7.1.3 热电偶材料 用作热电极的材料应具备下面的条件: ① 温度测量范围广.要求在规定的温度测量范围内有较高的测量精确度,有较大的热电动势.温度与热电动势的关系是单值函数,最好是呈线性关系.② 性能稳定.要求在规定的温度测量范围内使用时热电性能稳定,均匀性和复现性好. ③ 物理化学性能好.要求在规定的温度测量范围内有良好的化学稳定性、抗氧化性或抗还原性能. 满足上述条件的热电偶材料并不很多.我国把性能符合专业标准或国家标准并具有统一分度表的热电偶材料称为定型热电偶材料. 从1988年1月1日起,我国热电偶和热电阻的生产全部按国际电工委员会(IEC)的标准,并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶.但其中的R型(铂铑13-铂)热电偶,因其温度范围与S型(铂铑10-铂)重合,我国没有生产和使用. 7.1.4 热电偶的种类 1. 标准型热电偶 (1) 铂铑30-铂铑6热电偶(分度号B) 它的正极是铂铑丝(铂70%,铑30%),负极也是铂铑丝(铂94%,铑6%),俗称双铂铑.测量温度最高长期可达1600℃,短期可达1800℃.优点是材料性能稳定,测量精度高,测温上限高.缺点是在还原性气体中易被侵蚀,成本高. (2) 铂铑10-铂热电偶(分度号S) 正极是铂铑丝(铂90%,铑l0%),负极是纯铂丝.测量温度最高长期可达1300℃,短期可达1600℃,一般用来测量1000℃以上的高温.优点是材料性能稳定;