热电偶传感器.ppt

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。 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(),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。AeAB(t)BeA(t,t0)eB(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t0的两接点,可得下列接触电动势公式BtAtABU-U(t)e?Bt0At00ABU-U)(te?(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0BtBt0B0AtAt0AU-U)t(t,eU-U)t(t,e??(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)t(t,e-)t(t,e)(te-(t)e)t(t,E0B0A0ABAB0AB??(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,E0ABAB0AB?(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,E0ABAB0AB??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))f(t-f(t))t(t,E00AB?(t)C-f(t))t(t,E0AB??? 热电偶的特性热电偶的主要特性如下: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