传感器技术第八章.ppt

第八章 热电偶型传感器 热电偶传感器是一种能将温度信号转换成电动势的传感器。目前在工业生产和科学研究中已得到广泛的应用，并且已经可以选用标准的显示仪表和记录仪表来进行显示和记录。 它具有： ①结构简单，制造容易，使用方便，热电偶的电极不受大小和外形的限制，可按照需要进行配制。因为它属于自发电型传感器，因 此测量时，可以不要外加电源； ②测温范围广，高温热电偶可达1800℃以上, 低温用热电偶可达- 269℃； ③测量精确度较高； ④便于远距离测量、自动记录及多点测量。 第一节 热电偶型传感器工作原理 第二节 中间导体定律 第三节 中间温度定律 第四节 参考电极定律 第五节 热电偶的种类 第六节 热电偶冷端延长 第七节 热电偶冷端补偿 第八节 热电偶型传感器应用 第九节 热电偶型传感器综合训练 第一节 热电偶型传感器工作原理 一、热电效应 热电偶的工作原理是基于物体的热电效应。由两种不同材料的导体A和B 组成闭合回路，如图8—1所示。当两个结点温度不同时，回路中将产生电动势。如果将回路中接入一个毫安表，则毫安表的指针将发生偏转。这种现象即称为热电效应或塞贝克效应。两种不同材料的导体所组成的回路称为“热电偶”。组成热电偶的导体称为“热电极”。热电偶所产生的电动势称为热电动势。热电偶的两个结点中，置于温度为T的被测对象中的结点称之为测量端，又称为工作端或热端，而置于参考温度为T0的另一结点称之为参考端，又称自由端或冷端。? 三、热电偶产生的热电动势 由上式可以得出下列结论： ①如果热电偶两电极材料相同，即使两端温度不同( ≠ ），但总输出电动势仍为零。 因此必需由两种不同材料才能构成热电偶； ②如果热电偶两结点温度相同,则回路总的热电动势必然等于零,温差越大，热电动势越大； ③热电动势的大小只与材料和结点温度有关，与热电偶的尺寸形状无关。 第二节 中间导体定律 若在热电偶回路中插入中间导体，只要中间导体两端温度相同，则对热电偶回路的总热电动势无影响。这就是中间导体定律。其证明如下： 如图8—4所示，热电偶回路插入中间导体C后总的热电动势为： ? 第三节 中间温度定律 在生产实际中，例如：化工厂、火力发电厂等使用的热电偶数量达几千支，将热电偶的冷端（参比端）保持在0℃是很不现实的。所以，在工程实际中应用《中间温度定律》可以解决此类问题。 热电偶AB两结点的温度分别为 、 时所产生的热电动势 （ 、 ）等于该热电偶在 、 以及 、 时的热电动势的 （ ， ）与 （ ， ）的代数和，这就是中间温度定律，如图8—5所示。可用下式表示: 当结点温度不用热力学温度（绝对温度）T表示，而改用摄氏温度t来表示时（t=T–273.16K），则式: 可以改写成下式： 中间温度定律为制定热电偶分度表奠定了基础。 许多年来，科学家们试图研究能否用函数关系式甚至用分段函数来表达热电偶的热端（测量端）温度与热电偶回路所产生的热电势之间的关系，最终没能成功。 所谓分度表就是热电偶自由端（冷端）温度为0℃时，热电偶工作端（热端）温度与输出热电动势之间的对应关系的表格。如果自由端温度不为0℃，则可通过上式及分度表求得工作端的温度t。 第四节 参考电极定律 热电偶由A、B两种导体制成，若将A、B两种导体分别于第三种导体C制成如图8—6所示的热电偶，且三个热电偶的热端和冷端热度相同（T, ），则A和B热电偶的热电势 （T，）等于A和C热电偶热电势 （T，）与B和C热电偶热电势 （T，）之差，称标准电极定律，公式为： （T，）= （T，）- （T，） 上式的证明，可采用中间导体定律的证明方法进行。这里不再重复。 第三种导体C，即热电极C，称为标准电极，也称参考电极，通常用纯铂丝制成。因为铂的物理和化学性能稳定、熔点高、易提纯。热电偶的两个热电极材料是根据需要进行选配的。由于采用了标准电极就大大地方便了这种选配工作，只要知道一些材料与标准电极相配的热电势值，就可以用标准电极定律求出其中任意两种材料配成热电偶后的热电势值。 参考电极定律大大简化了热电偶的选配工作。只要我们获得有关热电极与参考电极配对的热电动势，那么任何两种热电极配对时的热电动势均可按式 求得，以便于筛选出适合工业和科研各方面需要的、性能良好的热电偶。 第五节 热电偶的种类 由分析知道，任意两种导体（或半导体）都可以配制成热电偶作为测温的元件，但实用中总是希望配制成的热电偶的热电势较大、热电势与被测温