热电偶专题讲座.ppt

第5章热电偶传感器在工业生产过程中,温度是需要测量和控制的重要参数之一。在温度测量中,热电偶的应用极为广泛,它具有结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯性小和输出信号便于远传等许多优点。另外,由于热电偶是一种有源传感器,测量时不需外加电源,使用十分方便,所以常被用作测量炉子、管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度。,其两端相互连接时(),只要两结点处的温度不同,一端温度为T,称为工作端或热端,另一端温度为T0,称为自由端(也称参考端)或冷端,回路中将产生一个电动势,该电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关。这种现象称为“热电效应”,两种导体组成的回路称为“热电偶”,这两种导体称为“热电极”,产生的电动势则称为“热电动势”。热电动势由两部分电动势组成,一部分是两种导体的接触电动势,另一部分是单一导体的温差电动势。,由于两者内部单位体积的自由电子数目不同(即电子密度不同),因此,电子在两个方向上扩散的速率就不一样。现假设导体A的自由电子密度大于导体B的自由电子密度,则导体A扩散到导体B的电子数要比导体B扩散到导体A的电子数大。所以导体A失去电子带正电荷,导体B得到电子带负电荷,于是,在A、B两导体的接触界面上便形成一个由A到B的电场。该电场的方向与扩散进行的方向相反,它将引起反方向的电子转移,阻碍扩散作用的继续进行。当扩散作用与阻碍扩散作用相等时,即自导体A扩散到导体B的自由电子数与在电场作用下自导体B到导体A的自由电子数相等时,便处于一种动态平衡状态。在这种状态下,A与B两导体的接触处就产生了电位差,称为接触电动势。接触电动势的大小与导体的材料、接点的温度有关,与导体的直径、长度及几何形状无关。对于温度分别为t和t0的两接点,可得下列接触电动势公式(5-1-1)式中eAB(t,)、eAB(t0)为导体A、B在接点温度t和t0时形成的电动势;UAt、UAt0分别为导体A在接点温度为t和t0时的电压;UBt、UBt0分别为导体B在接点温度为t和t0时的电压。对于导体A或B,将其两端分别置于不同的温度场t、t0中(t>t0)。在导体内部,热端的自由电子具有较大的动能,向冷端移动,从而使热端失去电子带正电荷,冷端得到电子带负电荷。这样,导体两端便产生了一个由热端指向冷端的静电场。该电场阻止电子从热端继续跑到冷端并使电子反方向移动,最后也达到了动态平衡状态。这样,导体两端便产生了电位差,我们将该电位差称为温差电动势。温差电动势的大小取决于导体的材料及两端的温度,如下式所示幽羚访跺钦盎熟顷鬃铃汽序参署埠岗揣腐惶化切乍俏虞胶诚欧区普蒜叹示热电偶专题讲座热电偶专题讲座(5-1-2)式中,eA(t,t0)、eB(t,t0)为导体A和B在两端温度分别为t和t0时形成的电动势。导体A和B头尾相接组成回路,如果导体A的电子密度大于导体B的电子密度,且两接点的温度不相等,则在热电偶回路中存在着四个电势,即两个接触电动势和两个温差电动势。热电偶回路的总电动势为(5-1-3)实践证明,在热电偶回路中起主要作用的是接触电动势,温差电动势只占极小部分,可以忽略不计,故式(5-3)可以写成(5-1-4)上式中,由于导体A的电子密度大于导体B的电子密度,所以A为正极,B为负极。脚注AB的顺序表示电动势的方向。不难理解:当改变脚注的顺序时,电动势前面的符号(指正、负号)也应随之改变。因此,式(5-4)也可以写成综上所述,我们可以得出如下结论:热电偶回路中热电动势的大小,只与组成热电偶的导体材料和两接点的温度有关,而与热电偶的形状尺寸无关。当热电偶两电极材料固定后,热电动势便是两接点温度t和t0。的函数差。即如果使冷端温度t0保持不变,则热电动势便成为热端温度t的单一函数。即,(5-1-5):①稳定性指热电偶的热电特性随使用时间变化小。②不均匀性指热电极的不均匀程度,所引起的附加热电势的大小,取决于沿热电极长度的温度梯度分布状态、材料的不均匀形式和不均匀程度以及热电偶在温度场中所处的位置。不均匀性降低测温的准确度,影响热电偶的稳定性和互换性。造成不均匀性的原因有杂质分布不均,成份偏析,局部表面金属的挥发和氧化,局部的腐蚀和沾污,应力分布不均匀和晶体结构不均匀等。③热惰性指被测介质从某一温度跃迁到另一温度时,热电偶测量端的温度上升到整个跃迁的