热电偶传感器97204969.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。 热电偶的工作原理与基本结构 热电偶的工作原理 工作原理当有两种不同的导体或半导体 A和B组成一个回路,其两端相互连接时(如图 ),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 T 0,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。 A e AB(t)B e A(t,t0)e B(t,t0) 热电偶回路当A和B两种不同材料的导体接触时,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t 0的两接点,可得下列接触电动势公式 Bt At ABU-U (t) e? Bt0 At0 0 ABU-U) (te? (5-1-1) 式中 e AB(t,) 、e AB(t 0) 为导体 A、B 在接点温度 t和t 0 时形成的电动势; U At、U At0 分别为导体 A在接点温度为 t和t 0时的电压; U Bt、U Bt0分别为导体 B在接点温度为 t和t 0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、t 0中( t> t 0)。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 0 Bt Bt 0B 0 At At 0AU-U)t (t,eU-U)t (t,e??(5-1-2) 式中, e A(t,t 0)、e B(t,t 0)为导体 A和B在两端温度分别为 t和t 0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)t (t,e-)t (t,e) (te- (t) e)t (t,E 0B0A0 AB AB 0 AB??(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) (te- (t) e)t (t,E 0 AB AB 0 AB?(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) (te (t) e)t (t,E 0A B AB 0 AB??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t 0。的函数差。即如果使冷端温度 t 0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) )