传感器课件--9热电偶传感器

3. 回路总电势
由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、 T0,如果T＞T0 ，则必存在着两个接触电势和两个温差电 势，回路总电势：
E AB (T , T 0 ) e AB (T ) e AB (T 0 ) e A (T , T 0 ) e B (T , T 0 )
kT e ln N
二、温标
1、温度的数值表示方法称为温标。
它规定了温度的读数的起点（即零点）
以及温度的单位。各类温度计的刻度均
由温标确定。
2、国际上规定的温标有：摄氏温标、 华氏温标、热力学温标等。
热力学温标（K）
热力学温标是建 立在热力学第二定律 基础上的最科学的温 标，是由开尔文 （Kelvin）根据热力 学定律提出来的，因 此又称开氏温标。它 的符号是T，单位是 开尔文（K） 。
如何由热电偶的热电势查热端温度值
设冷端为0C，根据以下电路中的毫伏表的示 值及K热电偶的分度表，查出热端的温度tx 。
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装配型热电偶的外形
安装 螺纹 安装 法兰
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接线盒
普通装配型 热电偶的 结构放大图
引出线套管
不锈钢保护管 固定螺纹
2. 中间导体定律 一个由几种不同导体材料连接成的闭合回路， 只要它们彼此连接的接点温度相同，则此回路 各接点产生的热电势的代数和为零。
如图，由A、B、C三种材料组成的闭合回路，则
E总=EAB（T）+EBC（T）+ECA（T）= 0
T
A
T
B
C
T
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三种不同导体组成的热电偶回路
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两点结论： l）将第三种材料C接入由A、B组成的热电偶回路，如 图，则图a中的A、C接点2与C、A的接点3，均处于相 同温度T0之中，此回路的总电势不变，即 EAB(T1,T2)=EAB(T1)-EAB（T2） 同理，图b中C、A接点2与C、B的接点3，同处于温度T0 之中，此回路的电势也为：
温度升高后变为红色
CPU散 热风扇
低温时显示 蓝色
体积热膨胀式
不需要电源，耐用；但 感温部件体积较大。
气体的体积与 热力学温度成正比
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红外温度计
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热电偶测温的主要优点
1、结构简单，它属于自发电型传感器，测量时可以不 需外加电源，可直接驱动动圈式仪表； 2、测温范围广：下限可达-270C ，上限可达1800C以 上； 3、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；
2. 温差电势
To A eA(T,To)
T 温差电势原理图
e A (T , T 0 )

T
T0
A dT
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 2012-8-2 18 差电动势，例如在0℃时，铜的σ =2μV/℃。
用于制造铂热电偶 的各种铂热电偶丝
几种常用热电偶的测温范围及热电势
分度号
名称
测量温度范围
1000C 热电势/ mV 4.834 10.506 9.587 41.276
B R
铂铑30－铂铑6 铂铑13—铂
50～1820 C -50～1768 C
S
K
铂铑10—铂
镍铬－镍铬 (铝)
-50～1768 C
EAB（T1, T2）=EAB（T1）-EAB（T2） (a)
A T2 a 2 T0 E AB a T0 C 2 3 T0 C B A B 3 T0 A
第三种材料 接入热电偶 回路图
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T1
(b)
T2
EAB
T1
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根据上述原理，可以在热电偶回路中接入电位 计E，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温 度相等，就不会影响回路中原来的热电势，接 入的方式见下图所示。
热电势高，导电率高，且电阻温度系数小； 便于制造； 复现性好，便于成批生产。
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第三节
热电偶的种类及结构
、 、
八种国际通用热电偶：
B:铂铑30—铂铑6 、R:铂铑13—铂 S:铂铑10—铂 、
N:镍铬硅—镍硅 、
J:铁—铜镍 、
K:镍铬—镍硅
E:镍铬—铜镍、
T:铜—铜镍
k e

T
ln
N
A
dT
T0
NB
由于NA、NB是温度的单值函数
EAB(T,T0)=EAB(T )-EAB(T0 )=f(T )-C=g(T )
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。由公式可得： EAB(T, T0)= EAB(T)-EAB(T0) = EAB(T)-EAB(0)-[EAB(T)-EAB(T0)] = 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。
-270～1370 C
E
镍铬－铜镍 (康 铜) －270～800 C
——
5种热电偶的测温范围与热电势各有什么特点？
几种常用热电偶的热电势与温度的 关系曲线分析
哪几种热电 偶的测温上限较 高？ 哪一种热电 偶的灵敏度较高？ 哪一种热电 偶的灵敏度较低？ 哪几种热电 偶的线性较差？
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威廉· 汤姆逊· 开尔文勋爵像
几种温标的对比
正常 体温为37 C ，相 当于华 氏温度 多少度？
1990国际温标(ITS-90)
从1990年1月1日开始在全世界范围内
采用1990年国际温标，简称ITS-90。它定 义了一系列温度的固定点，测量和重现这 些固定点的标准仪器以及计算公式，例如 水的三相点为273.16K（0.01C）等。
E T0 T0 T0 T1 T1 T
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E
T
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2）如果任意两种导体材料的热电势是已知的， 它们的冷端和热端的温度又分别相等，如图所 示，它们相互间热电势的关系为： EAB（T, T0）= EAC（T, T0）+ ECB（T, T0）
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3. 中间温度定律
如果不同的两种导体材料组成热电偶回路,其接点温度 分别为T1、T2(如图所示)时,则其热电势为EAB(T1, T2)； 当接点温度为T2、T3时，其热电势为EAB(T2, T3)；当接 点温度为T1、T3时，其热电势为EAB(T1, T3)，则
AT

kT 0 e
N ln N
AT BT
0

N BT
0

T
(
T0
A
B )dT
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。
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根据电磁场理论得
E AB ( T , T 0 )
如何利用热电偶的分度表
假设热电偶的冷端温度 为0C，请根据本教材p317的 附录E——工业中常用的镍 铬-镍硅（K）热电偶的分度 表，查出-100C 、0C、 100C 时的热电势。
数字式温度表
温度上限设定值 温度上限值设定键
K热电偶 的分度表
比较 查出的3个 热电势， 可以看出 热电势是 否线性？
kT e
ln
N N
A B
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 =1.6×10-19C； k——波尔兹曼常数， k =1.38×10-23 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。 2012-8-2 17 而与导体的形状及尺寸无关。
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对于有几种不同材料串联组成的闭合回路，接点温度分
别为T1、T2 、 …、Tn ，冷端温度为零度的热电势。其 热电势为 E= EAB（T1）+ EBC（T2）+…+ENA（Tn）
二、热电偶回路的性质
1. 均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体 是否存在温度梯度，回路中没有电流(即不产生 电动势)；反之，如果有电流流动，此材料则一 定是非均质的，即热电偶必须采用两种不同材 料作为电极。 2012-8-2 22
结论：
当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。
通过以上演示得出结论 ——有关热电偶热电势的讨论
热电偶两结点所产生的总的热电势等于热端热电势 与冷端热电势之差，是两个结点的温差Δ t 的函数：
EAB（T，T0）=eAB （ T ）- eAB （ T0 ）
热电势大致与两个结点的温差Δ t 成正比
从实验到理论：热电效应
为什么所有的曲线均过原点（零度点）？
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热电偶的分度表
——热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法
我国从1991年开始采用国际计量委员会规 定的“1990年国际温标”（简称ITS-90）的新 标准。按此标准，制定了相应的分度表，并且 有相应的线性化集成电路与之对应。 直接从热电偶的分度表查温度与热电势的 关系时的约束条件是：自由端（冷端）温度必 须为0C。 本教材的附录D列出了工业中常用的镍铬镍硅（K）热电偶的分度表。
第九章
热电偶传感器
本章学习的主要内容有: 1、了解温度测量的基本概念和方法；
2、了解热电偶的工作原理，了解热电 偶的分类及特点；
第一节
温度测量的基本概念