传感器技术-热电式传感器详解.ppt

第六章 热电式传感器 ;1. 热电效应;B;;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。;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：;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;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;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。;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。;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T1、T2……TN ，闭合回路总的热电动势为： ;3. 热电偶基本定律;(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。;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：;如果按右图接入第三种导体C，则回路中的总电动势为：;(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。;两式相减得：;若一个热电偶由A、B、C三种导体组成，且回路中三个接点的温度都相同，则回路总电动势必为零，即： ;即导体A与B组成的热电偶的热电动势也可知。;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;B ;证明：;;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;6.1.2 常用热电偶的结构;1 ;3．快速反应薄膜热电偶 用真空蒸镀等方法使两种热电极材料蒸镀到绝缘板上而形成薄膜装热电偶。其热接点极薄(0.01～0.lμm)。; 4．快速消耗微型热电偶 可测钢水的温度。用直径为Φ0.05～0.lmm的铂铑10一铂铑30热电偶装在U型石英管中，再铸以高温绝缘水泥，外面再用保护钢帽所组成。;6.1.3 热电偶材料 ;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。;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。;(1) 铂铑30-铂铑6热电偶（分度号B）;铂——pt78，性软，易受机械处理，溶点1772°C，化学性质稳定，但溶于王水（硝酸和盐酸1：3混合）。 铂族元素：钌、锇、铑、铱、钯、铂，溶点都在1500°C以上，性质稳定，在自然界中多以游离态存在。 金——AU79，延展性强，比重19.32,熔点1064°C，在空气中极稳定，不溶于酸或碱，溶于王水及氯化钾、氯化钠溶液中。;(2) 铂铑10-铂热电偶（分度号S）;缺点是在高温还原性气体中（如气体中含CＯ、H2等）易被侵蚀，需要用保护套管；另外其热电极材料属贵金属，成本较高，热电势也较弱。;正极是镍铬合金(88.4～89.7％镍、9～10％铬，0.6％硅，0.3％锰，0.4～0.7％钴)，负极为镍硅(镍95.7～97％镍,2～3％硅,0.4～0.7％钴)。测温范围为-200~+1300℃。 　优点是测温范围很宽、热电动势与温度关系近似线性、热电动势大、高温下抗氧化能力强、价格低，所以在工业上应用广泛。;　缺点是热电动势的稳定性和精度较B型或S型热电偶差，在还原性气体和含有SO2、H2S等气体中易被侵蚀。测量温度长期可达1000℃，短期可达1300℃。;正极是铁，负极是铜镍合金。测温范围为-200℃~+1300℃。 其特点是价格低、热电动势较大（仅次于E型热电偶）、灵敏度高（约为53μV/℃）、线性度好、价格便宜，可在800℃以下的还原介质中使用。 主要缺点是铁极易氧