第五章电压型传感器2.ppt

图5-3-1 热电效应示意图 图5-3-2 热电偶回路接入第三导体 图5-3-3 开路热电偶的使用 图5-3-4 3种导体分别组成的热电偶 图5-3-7 热电偶冷端的延伸 图5-3-8 电桥补偿法原理图 * * 5.3 热电偶传感器 基于热电效应原理工作的传感器。是目前接触式测温中应用最广的热电式传感器。 各种热电偶 5.3.1 热电效应 两种不同类型的金属导体两端，分别接在一起构成闭合回路，当两个结点温度不等（T＞T0）有温差时，回路里会产生热电势，形成电流。这种现象称为热电效应。 利用这种效应，只要知道一端结点温度，就可以测出另一端结点的温度。 导体（或半导体）A和B称为热电极，组成热电偶； 接点1测温时置于温度场中称为测量端（或工作端、热端） 接点2测温时处于某一恒定温度，称为参考端（或自由端、冷端） 一、热电势的产生 1.单一导体的温差电势 热电偶产生的热电势由单一导体的温差电势和两种导体的接触电势组成。 定义：匀质金属导体，如果两端的温度不同，则在导体内部会产生电动势，这种电势称为温差电势。 ＋ － Ｔ＞Ｔ０ 产生原因：由于导体内自由电子在高温端具有较大的动能，会向低温端扩散。高温端由于失去电子带正电，低温端得到电子带负电，从而两端形成一定的电位差。 单一导体的温差电势表示为： 且有： 导体的温差系数 导体的两端温度相同，温差电势为0 A、B 两导体构成闭合回路总的温差电势为： 2.两种导体的接触电势 产生原因：不同金属内自由电子密度不同，当两种金属接触在一起时，在结点处会产生电子扩散，浓度大的向浓度小的金属迁移扩散。 浓度高的失去电子显正电，浓度低的得到电子显负电。当扩散达到动态平衡时，得到一个稳定的电位差，这就是接触电势。 、 、 式中： A、B 代表不同材料； T：接触处的绝对温度； K：波尔兹曼常数； e：电子电荷量； NA、NB：A、B 材料的自由电子密度； 接触电势表达式为： 接触面（接点）温度为T0时的接触电势为： 且有： A、B 两导体构成闭合回路总的接触电势为： 两导体的材料相同，接触电势为0 3.热电偶回路总的热电势 接触电势 温差电势 “巡游一周”法――从热端出发沿回路一周，按照遇到的导体和温度的顺序，依次写出各接触电势和温差电势，并将它们相加起来便是整个回路的总热电势 结论： 热电偶两电极材料相同，NA=NB时，无论两端点温度如何，总热电势为零； 2. 如果热电偶两接点温度相同，T=T0时，A、B材料不同，回路总电势为零； 因此，热电偶必须用不同材料做电极； 在T、T0两端必须有温差梯度，这是热电偶产生热电势的必要条件。 二、热电偶的基本定律 1.中间导体定律 在实际应用热电偶测量温度时，必须在热电偶回路中接入测量仪表，如图a在电极B中间断开并接入连接导线C，图b在参考端断开并接入连接导线C，这两种情况相当于热电偶回路中接入第三种导体。 “巡游一周”法――从热端出发沿回路一周，(a)回路中的热电势EAB（T，T0）应写为： 因为第三种导体C两端的温度相同: 所以有： 同样(b)回路中的热电势EAB（T，T0）为： 所以在热电偶回路中接入第三种导体后，只要第三种导体两端的温度相同，就不会影响热电偶回路的总热电势,这就是热电偶的中间导体定律。 应用： ① 热电偶回路接入各种仪表和连接导线； ② 开路热电偶的应用。 推论： 热电偶的中间导体定律的应用 2.中间温度定律 热电偶AB在接点温度为T、T0时的热电势等于该热电偶在接点温度为T、Tn和Tn、T0时的热电势之和，即有： Tn 推论： 应用：制作分度表—EAB（T,0）与T的对应数据表 根据中间温度定律，只要知道参考温度为0℃时的“热电势—温度”关系（分度表）就可求出参考温度不等于0 ℃时的“热电势—温度”关系。 3.标准电极定律 由3种材料成分不同的热电极A、B、C分别组成3对热电偶。 标准电极C通常用纯度很高，物理化学性能非常稳定的铂制成，称为标准铂热电极。 在相同结点温度（T、T0）下，如果热电偶AC和BC的热电势已知，则热电偶AB的热电势为： 应用：只要已知任意两种电极分别与标准电极配对的热电势，即可求出这两种热电极配对的热电偶的热电势而不需测定。用标准电极定律大大简化热电偶选配工作。 5.3.2 热电偶的材料、型号及结构 一、热电偶材料 要求： （1）热电性质稳定，物理化学性能稳定； （2）导电率高，电阻温度系数小； （3）热电势随温度的变化率大，且接近常数； （4）机械强度高，复制性好，复制工艺简单，价格便宜。 二、热电偶型号 8种标准化热电偶 P115表5-3-1 标准化热