第八章第八章热电势传感器热电势传感器主讲人：姚兰主讲人：姚兰dancyyaocuit.edu.cn 温度标志着物质温度标志着物质内部大量分子无规则内部大量分子无规则运动的剧烈程度。温运动的剧烈程度。温度越高，表示物体内度越高，表示物体内部分子热运动越剧烈。部分子热运动越剧烈。模拟图模拟图：在一个密闭的空间里，气体分子在高温时：在一个密闭的空间里，气体分子在高温时的运动速度比低温时快！的运动速度比低温时快！低温低温高温高温温度测量的基本概念温度测量的基本概念体积体积热膨胀式热膨胀式 不需要电源，耐用；不需要电源，耐用；但感温部件体积较大。但感温部件体积较大。气体的体积与气体的体积与热力学温度成正比热力学温度成正比红外温度计红外温度计物物理理现现象象体积热膨胀体积热膨胀电阻变化电阻变化温差电现象温差电现象导磁率变化导磁率变化电容变化电容变化压电效应压电效应超声波传播速度变化超声波传播速度变化物质物质颜色颜色PN结电动势结电动势晶体管特性变化晶体管特性变化可控硅动作特性变化可控硅动作特性变化热、光辐射热、光辐射种种类类铂测温电阻、热敏电阻铂测温电阻、热敏电阻热电偶热电偶BaSrTiO3陶瓷陶瓷石英晶体振动器石英晶体振动器超声波温度计超声波温度计示温涂料示温涂料液晶液晶半导体二极管半导体二极管晶体管半导体集成电路温度传感器晶体管半导体集成电路温度传感器可控硅可控硅辐射温度传感器辐射温度传感器光学高温计光学高温计1.气体温度计气体温度计2.玻璃制水银温度计玻璃制水银温度计3.玻璃制有机液体温度计玻璃制有机液体温度计4.双金属温度计双金属温度计5.液体压力温度计液体压力温度计6.气体压力温度计气体压力温度计1热铁氧体热铁氧体2Fe-Ni-Cu合金合金热电偶、测温电阻器、热敏电阻、感温铁氧体、石英晶体振动器、双金属温度计、压力式温度计、玻璃制温度计、辐射传感器、晶体管、二极管、半导体集成电路传感器、可控硅分类特征传感器名称超高温用传感器1500以上光学高温计、辐射传感器高温用传感器10001500光学高温计、辐射传感器、热电偶中高温用传感器5001000光学高温计、辐射传感器、热电偶中温用传感器0500低温用传感器-2500极低温用传感器-270-250BaSrTiO3陶瓷晶体管、热敏电阻、压力式玻璃温度计见表下内容测温范围温度传感器分类热热电极电极A A自由端自由端（参考（参考端、冷端、冷端）端）测量端测量端（工作（工作端、热端、热端）端）热热电极电极B BAB第一节第一节 热电偶热电偶一、热电效应一、热电效应从实验到理论：从实验到理论：热电效应热电效应问题问题1 1： 发现放在回路中的毫伏计发生偏转？发现放在回路中的毫伏计发生偏转？问题问题2 2： 如果用两盏酒精灯对两个结点如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，同时加热，毫伏计毫伏计的的偏转角反而减小？偏转角反而减小？ 说明回路中有电动势产生并说明回路中有电动势产生并有电流在回路中流动有电流在回路中流动说明电流的强弱与两个结点说明电流的强弱与两个结点的温差有关。的温差有关。结论：两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。结论：两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。2.2.热电效应的分析热电效应的分析接触电势接触电势: : 两种材料的自由电子密度不同两种材料的自由电子密度不同 温差电势：温差电势： 两个接点的温度不同两个接点的温度不同（1 1）接触电势）接触电势k k 玻耳兹曼常数；玻耳兹曼常数；T T 接触面的绝对温度；接触面的绝对温度；e e 单位电荷量；单位电荷量；N NA A金属电极金属电极A A的自由电子密度的自由电子密度N NB B金属电极金属电极B B的自由电子密度的自由电子密度接触电势接触电势结论：在材料一定的情况，其大小与结论：在材料一定的情况，其大小与T T成正比关系。成正比关系。静电场静电场扩散扩散设设N NA ANNB B（2 2）温差电势）温差电势汤姆逊系数，它表示温度为汤姆逊系数，它表示温度为1时所产生的电动势值，时所产生的电动势值，它与材料的性质有关。它与材料的性质有关。温差电势温差电势（汤姆逊电势）（汤姆逊电势）静电场静电场扩散扩散热端热端电子电子冷端冷端电子电子设设TTTT0 0（3 3）回路的总热电势）回路的总热电势 设设TTo, TTo, NANB热电极热电极A A和和B B为同一种材料时，为同一种材料时，N NA A=N=NB B, , A A= =B B，则则E EABAB(T, T(T, T0 0)=0)=0。若热电偶两端处于同一温度下，若热电偶两端处于同一温度下， T=TT=T0 0 ，则则E EABAB(T, T(T, T0 0)=0 )=0 。热电势存在必须具备两个条件：热电势存在必须具备两个条件： 两种不同的金属材料组成热电偶，两种不同的金属材料组成热电偶， 它的两端存在温差。它的两端存在温差。热电势是热电势是T T和和T T0 0的的温度函数的差温度函数的差，而不是温度的函数。，而不是温度的函数。 问题问题1 1：能否测量单点温度？：能否测量单点温度？E E与与T T之间有唯一对应的单值函数关系，之间有唯一对应的单值函数关系， 问题问题2 2：为什么实际应用中，常把：为什么实际应用中，常把T T0 0=0=0？当当T0保持不变时，保持不变时，f (T0)=C则有：则有：K热电偶的热电偶的分度表分度表 比较比较查出的查出的3 3个个热电势，热电势，可以看出可以看出热电势是热电势是否否线性？线性？ 八种国际通用热电偶：八种国际通用热电偶： B:B:铂铑铂铑3030铂铑铂铑6 6 、R:R:铂铑铂铑1313铂铂 、 S:S:铂铑铂铑1010铂铂 、 K:K:镍铬镍铬镍硅镍硅 、 N:N:镍铬硅镍铬硅镍硅镍硅 、 E:E:镍铬镍铬铜镍、铜镍、 J:J:铁铁铜镍铜镍 、 T:T:铜铜铜镍铜镍 ； 用于制造用于制造铂铂热电偶热电偶的各种的各种铂铂热电偶丝热电偶丝几种常用热电偶的测温范围及热电势几种常用热电偶的测温范围及热电势分度号分度号名称名称测量温度范围测量温度范围1000 C热电势热电势/mVB铂铑铂铑3030铂铑铂铑6 6501820 C C4.8344.834R铂铑铂铑1313铂铂-501768 C C10.50610.506S铂铑铂铑1010铂铂-501768 C C9.5879.587K镍铬镍铬镍铬镍铬(铝铝)-2701370 C C41.27641.276E镍铬铜镍镍铬铜镍(康康铜铜)270800 C C?热电偶的结构形式热电偶的结构形式1.普通型热电偶普通型热电偶：由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒：由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成组成安装安装螺纹螺纹安装安装法兰法兰2.铠装热电偶铠装热电偶由热电偶丝、由热电偶丝、 绝缘材料和金属套管绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体三者经拉伸加工而成的坚实组合体, , 它可以做得很它可以做得很细很长细很长, , 使用中随需要能任意弯曲。使用中随需要能任意弯曲。BA绝缘绝缘 材料材料热电偶横截面热电偶横截面二、热电偶的基本定律二、热电偶的基本定律1.1.匀质导体定律匀质导体定律2.2.中间导体定律中间导体定律3.3.连接导体定律连接导体定律1.1.中间导体定律中间导体定律在在热热电电偶偶回回路路中中接接入入与与另另一一种种导导体体称称中中间间导导体体C C，只只要要引引入入点点温温度度相相同同，热热电电偶偶回回路路总总电电动动势势不不受中间导体接入的影响。受中间导体接入的影响。ET0T0TET0T1T1T电位计接入热电偶回路根据上述原理，可以在热电偶回路中接入电位根据上述原理，可以在热电偶回路中接入电位计计E E，只要保证电位计与连接热电偶处的只要保证电位计与连接热电偶处的接点接点温温度相等，就不会影响回路中原来的热电势，接度相等，就不会影响回路中原来的热电势，接入的方式见下图所示。入的方式见下图所示。 2.2. 连接导体定律连接导体定律其中：其中：而：而：例例. . 用（用（S S型）热电偶测量某一温度，若参比端温型）热电偶测量某一温度，若参比端温度度T T0 0=30=30，测得的热电势测得的热电势E(T,TnE(T,Tn)=7.5mV)=7.5mV，求测求测量端实际温度量端实际温度T T。查分度表有查分度表有E（30，0）=0.173mV反查分度表有反查分度表有T=830T=830，测量端实际温度为测量端实际温度为830830三、三、 热电偶的冷端处理和补偿热电偶的冷端处理和补偿热热电电偶偶的的热热电电势势大大小小不不仅仅与与热热端端温温度度的的有有关关，而而且且也也与与冷冷端端温温度度有有关关，只只有有当当冷冷端端温温度度恒恒定定，通过测量热电势的大小得到热端的温度。通过测量热电势的大小得到热端的温度。 热电偶的冷端处理和补偿热电偶的冷端处理和补偿: : 当当热热电电偶偶冷冷端端处处在在温温度度波波动动较较大大的的地地方方时时，必必须须首首先先使使用用补补偿偿导导线线将将冷冷端端延延长长到到一一个个温温度度稳稳定定的地方，再考虑将冷端处理为的地方，再考虑将冷端处理为。几种冷端处理方法：几种冷端处理方法：1.补偿导线法补偿导线法2. 2. 热电偶冷端温度恒温法热电偶冷端温度恒温法3. 3. 计算修正法计算修正法4. 4. 冷端补偿电桥冷端补偿电桥法1.1.补偿导线法补偿导线法热电偶补偿导线功能：热电偶补偿导线功能：其一实现了冷端迁移；其一实现了冷端迁移；其二是降低了电路成本。其二是降低了电路成本。2.2.热电偶冷端温度恒温法热电偶冷端温度恒温法适用于实验室中的精确测量和检定热电偶时使用。适用于实验室中的精确测量和检定热电偶时使用。3.3.计算修正法计算修正法在实际应用中，热电偶的参比端往往不是零在实际应用中，热电偶的参比端往往不是零，而是环境温度，这时测量出的回路热电势要小，而是环境温度，这时测量出的回路热电势要小，因此必须加上环境温度与冰点之间温差所产生因此必须加上环境温度与冰点之间温差所产生的热电势后才能符合热电偶分度表的要求。的热电势后才能符合热电偶分度表的要求。 可用室温计测出环境温度可用室温计测出环境温度T T1 1，从分度表中查出的从分度表中查出的E(TE(T1 1,0),0)值，值，然后加上热电偶回路热电势然后加上热电偶回路热电势E(T,TE(T,T1 1) )，得到得到E(T,0)E(T,0)值，值，反查分度表即可得到准确的被测温度值。反查分度表即可得到准确的被测温度值。例例用镍铬用镍铬-镍硅镍硅(K(K型型) )热电偶测温，热电偶参比端温热电偶测温，热电偶参比端温度为度为3030。测得的热电势为。测得的热电势为28mV28mV，求热端温度。求热端温度。反查K分度表T=701.5计算修正曲线4.4.冷端补偿电桥法冷端补偿电桥法利用直流不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶利用直流不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶冷端温度变化而引起的热电势的变化值冷端温度变化而引起的热电势的变化值 a) T0a) T020C20C，RcuRcuR1R1R2R2R3R3 电桥平衡，则电桥平衡，则UabUab0 0，对电势无补偿输出；，对电势无补偿输出；b b）T020C, T020C, 减小，而减小，而RcuRcu增大增大 UabUab增大增大 则：则：u u UabUab补偿作用补偿作用c c）T020C, T020C, 增大，而增大，而RcuRcu减小减小 UabUab减小减小则：则：u u UabUab补偿作用补偿作用补偿分析：补偿分析：