4.3 热电偶传感器.ppt

第4章热电式传感技术



1
温差热电偶(简称热电偶)是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。它除具有结构简单,测量范围宽、准确度高、热惯性小,输出信号为电信号便于远传或信号转换等优点外,还能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。
热电偶传感器
★热电偶的工作原理
★热电偶回路的性质
★热电偶的常用材料与结构
★冷端处理及补偿
★热电偶的选择、安装使用和校验
2
结论:当两个结点温度不相同时,回路中将产生电动势。
热电极A
右端称为:自由端(参考端、冷端)
热电偶的工作原理演示实验
左端称为:测量端(工作端、热端)
热电极B
热电势
A
B
3
两种不同的导体或半导体A和B组合成如图所示闭合回路,若导体A和B的连接处温度不同(设T>T0),则在此闭合回路中就有电流产生,也就是说回路中有电动势存在,这种现象叫做热电效应。这种现象早在1821年首先由西拜克(See-back)发现,所以又称西拜克效应。
热电偶原理图
T
T0
A
B
一、热电偶的工作原理
回路中所产生的电动势,叫热电势。热电势由两部分组成,即温差电势和接触电势。
热端
冷端
4
1. 接触电势
接触电势原理图
+
A
B
T
eAB(T)
-
eAB(T)——导体A、B结点在温度T 时形成的接触电动势;
e——单位电荷, e =×10-19C;
k——波尔兹曼常数, k =×10-23 J/K ;
NA、NB ——导体A、B在温度为T 时的电子密度。
接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。
5
A
eA(T,To)
To
T
eA(T,T0)——导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势;
T,T0——高低端的绝对温度;
σA——汤姆逊系数,表示导体A两端的温度差为1℃时所产生的温差电动势,例如在0℃时,铜的σ=2μV/℃。
2. 温差电势
温差电势原理图
6
eB(T,T0)
T0
T
eAB(T)
eAB(T0)
eA(T,T0)
A
B
3. 回路总电势
NAT、NAT0——导体A在结点温度为T和T0时的电子密度; NBT、NBT0——导体B在结点温度为T和T0时的电子密度;
σA 、σB——导体A和B的汤姆逊系数。
7
根据电磁场理论得
忽略温差电动势,热电偶的热电势可表示为:
导体材料确定后,热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使eAB(T0)=常数,则回路热电势EAB(T,T0)就只与温度T有关,而且是T的单值函数,只要测出eAB(T,T0)的大小,就能得到被测温度T,这就是热电偶测温的原理。
8
导体材料确定后,热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使EAB(T0)=常数,则回路热电势EAB(T,T0)就只与温度T有关,而且是T的单值函数,这就是利用热电偶测温的原理。
两接点温度相同时,总电动势为0
热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关;与热电偶的长度、粗细无关。
两热电极相同时,总电动势为0
结论:
9
4、热电偶的分度表
在工程应用中,常用实验的方法得出温度与热电势的关系并做成表格,以供备查,即分度表。每10℃分档。中间值按内插法计算。由公式可得:
EAB(T, T0)= EAB(T)-EAB(T0)
= EAB(T)-EAB(0)-[EAB(T0)-EAB(0)]
= EAB(T,0)-EAB(T0,0)
热电偶的热电势,等于两端温度分别为T 和零度以及T0和零度的热电势之差。
10