第十章熱電式傳感器

溫度是表征物體冷熱程度的物理量。它反映物體內(nèi)部各分子運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能的大小。溫度可以利用物體的某些物理性質(zhì)（電阻、電勢等）隨著溫度變化的特征進(jìn)行測量。測量方法按作用原理分接觸式和非接觸式。接觸式傳感器接觸溫度場，二者進(jìn)行熱交換。（熱電偶、熱電阻溫度傳感器）。

測溫范圍在-250——1800度，適用于遠(yuǎn)距離多點(diǎn)測量。非接觸式測溫方法是應(yīng)用物體的熱輻射能量隨溫度的變化而變化的原理。物體輻射能量的大小與溫度有關(guān),當(dāng)選擇合適的接收檢測裝置時(shí),便可測得被測對象發(fā)出的熱輻射能量并且轉(zhuǎn)換成可測量和顯示的各種信號(hào),實(shí)現(xiàn)溫度的測量。這類測溫方法的溫度傳感器主要有光電高溫傳感器、紅外輻射溫度傳感器、光纖高溫傳感器等。測量范圍600—6000度。第一節(jié)熱電偶傳感器熱電偶是工程上應(yīng)用最廣泛的溫度傳感器。它構(gòu)造簡單,使用方便,具有較高的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性及復(fù)現(xiàn)性,溫度測量范圍寬,在溫度測量中占有重要的地位。一、熱電偶工作原理

1.熱電效應(yīng)兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連成閉合回路，兩個(gè)接點(diǎn)分別置于溫度為T和T0的熱源中，該回路內(nèi)會(huì)產(chǎn)生熱電勢。熱電勢的大小反映兩個(gè)接點(diǎn)溫度差，保持T0不變，熱電勢隨著溫度T變化而變化。測得熱電勢的值，即可知道溫度T的大小。

兩種不同的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）組成一個(gè)閉合回路,在閉合回路中，A、B導(dǎo)體稱為熱電極。T端結(jié)點(diǎn)稱為工作端或熱端；T0端結(jié)點(diǎn)稱為冷端或自由端。

產(chǎn)生的熱電勢由兩部分組成:溫差電勢和接觸電勢(1)接觸電勢產(chǎn)生原因：由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動(dòng)勢。兩種導(dǎo)體接觸時(shí),自由電子由密度大的導(dǎo)體向密度小的導(dǎo)體擴(kuò)散,（NA>NB,A到B）在接觸處失去電子的一側(cè)帶正電,得到電子的一側(cè)帶負(fù)電,形成穩(wěn)定的接觸電勢。接觸電勢的數(shù)值取決于兩種不同導(dǎo)體的性質(zhì)和接觸點(diǎn)的溫度。

式中:K——波爾茲曼常數(shù);e——單位電荷電量;NAT、NBT和NAT0、NBT0——分別在溫度為T和T0時(shí),導(dǎo)體A、B的自由電子密度。兩接點(diǎn)的接觸電勢和可表示為（2）同一導(dǎo)體溫差電勢同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電勢。

同一導(dǎo)體的兩端溫度不同時(shí),高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大,因而從高溫端跑到低溫端的電子數(shù)比從低溫端跑到高溫端的要多,結(jié)果高溫端因失去電子而帶正電,低溫端因獲得多余的電子而帶負(fù)電,形成一個(gè)靜電場，該靜電場阻止電子繼續(xù)向低溫端遷移，最后達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。因此,在導(dǎo)體兩端便形成溫差電勢,其大小由下面公式給出:溫差電動(dòng)勢：熱電偶回路中總的熱電勢應(yīng)是接觸電勢與溫差電勢之和ＥAB(T,T0)=eAB(T)-eAB(T0)+eB(T,T0)-eA(T,T0)：湯姆遜系數(shù)，表示導(dǎo)體A兩端的溫度差為1℃時(shí)所產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢。在總熱電勢中,溫差電勢比接觸電勢小很多,在精度要求不高的情況下,熱電偶的熱電勢可近似表示為：ＥAB(T,T0)≈eAB(T)-eAB(T0)對于已選定的熱電偶,當(dāng)參考端溫度T0恒定時(shí),eAB(T0)為常數(shù),則總的熱電動(dòng)勢就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)系,即ＥAB(T,T0)=EAB(T)-c=f(T)實(shí)際應(yīng)用中,熱電勢與溫度之間關(guān)系是通過熱電偶分度表來確定的。分度表是在參考端溫度為0℃時(shí),通過實(shí)驗(yàn)建立起來的熱電勢與工作端溫度之間的數(shù)值對應(yīng)關(guān)系。熱電偶回路的幾點(diǎn)結(jié)論：①如果構(gòu)成熱電偶的兩個(gè)熱電極為材料相同的均質(zhì)導(dǎo)體，則無論兩結(jié)點(diǎn)溫度如何，熱電偶回路內(nèi)的總熱電勢為零。必須采用兩種不同的材料作為熱電極。②如果熱電偶兩結(jié)點(diǎn)溫度相等，熱電偶回路內(nèi)的總電勢亦為零。③熱電偶AB的熱電勢與A、B材料的中間溫度無關(guān)，只與結(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)。2.熱電偶基本定律

（1）中間導(dǎo)體定律利用熱電偶進(jìn)行測溫,必須在回路中引入連接導(dǎo)線和儀表,接入導(dǎo)線和儀表后會(huì)不會(huì)影響回路中的熱電勢呢？中間導(dǎo)體定律說明,在熱電偶測溫回路內(nèi),接入第三種導(dǎo)體,只要其兩端溫度相同,則對回路的總熱電勢沒有影響。

接入第三種導(dǎo)體回路如圖所示。即EABC(T,T0)=EAB(T)+EBC(T0)+ECA(T0)（1）當(dāng)T=T0

時(shí),有

EABC(T0)=EAB(T0)+EBC(T0)+ECA(T0)=0

由此得EAB(T0)＝－EBC(T0)－ECA(T0)代入（1）式ＥＡＢＣ(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)=EAB(T,T0)

同理,加入第四、第五種導(dǎo)體后,只要加入的導(dǎo)體兩端溫度相等,同樣不影響回路中的總熱電勢。（2）參考電極定律當(dāng)結(jié)點(diǎn)溫度為T,T0時(shí)，用導(dǎo)體A，B組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢等于AC熱電偶和CB熱電偶的熱電動(dòng)勢的代數(shù)和。對AC熱電偶：對BC熱電偶：所以：而：所以：

參考電極的實(shí)用價(jià)值在于：它可大大簡化熱電偶的選配工作。實(shí)際測溫中，只要獲得有關(guān)熱電極與參考電極配對時(shí)的熱電勢值，那么任何兩種熱電極配對時(shí)的熱電勢均可按公式而無需再逐個(gè)去測定。用作參考電極(標(biāo)準(zhǔn)電極)的材料，目前主要為純鉑絲材，因?yàn)殂K的熔點(diǎn)高，易提純，且在高溫與常溫時(shí)的物理、化學(xué)性能都比較穩(wěn)定。

二、常用熱電偶

理論上講,任何兩種不同材料的導(dǎo)體都可以組成熱電偶,但為了準(zhǔn)確可靠地測量溫度,對組成熱電偶的材料必須經(jīng)過嚴(yán)格的選擇。工程上用于熱電偶的材料應(yīng)滿足以下條件:熱電勢變化盡量大,熱電勢與溫度關(guān)系盡量接近線性關(guān)系,物理、化學(xué)性能穩(wěn)定,易加工,復(fù)現(xiàn)性好,便于成批生產(chǎn),有良好的互換性。實(shí)際上并非所有材料都能滿足上述要求。目前在國際上被公認(rèn)比較好的熱電材料只有幾種。國際電工委員會(huì)（IEC）向世界各國推薦8種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶,所謂標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶,它已列入工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化文件中,具有統(tǒng)一的分度表。我國從1988年開始采用IEC標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)熱電偶。目前工業(yè)上常用的有四種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶1.鉑銠10－鉑熱電偶2.鎳鉻－鎳硅熱電偶3.鎳鉻－考銅熱電偶4.鎢錸5－鎢錸20熱電偶三、熱電偶的結(jié)構(gòu)形式

為了適應(yīng)不同生產(chǎn)對象的測溫要求和條件,熱電偶的結(jié)構(gòu)形式有普通型熱電偶、鎧裝型熱電偶和薄膜熱電偶等。

(1)普通型熱電偶普通型結(jié)構(gòu)熱電偶工業(yè)上使用最多,它一般由熱電極、絕緣套管、保護(hù)管和接線盒組成

(2)鎧裝熱電偶鎧裝熱電偶又稱套管熱電偶。它是由熱電偶絲、絕緣材料和金屬套管三者經(jīng)拉伸加工而成的堅(jiān)實(shí)組合體,它可以做得很細(xì)很長,使用中隨需要能任意彎曲。鎧裝熱電偶的主要優(yōu)點(diǎn)是測溫端熱容量小,動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,機(jī)械強(qiáng)度高,撓性好,可安裝在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝置上,因此被廣泛用在許多工業(yè)部門中。(3)薄膜熱電偶

薄膜熱電偶是由兩種薄膜熱電極材料,用真空蒸鍍、化學(xué)凃?qū)拥绒k法蒸鍍到絕緣基板上面制成的一種特殊熱電偶,薄膜熱電偶的熱接點(diǎn)可以做得很?。杀〉?.01~0.1μm）,具有熱容量小,反應(yīng)速度快等的特點(diǎn),熱相應(yīng)時(shí)間達(dá)到微秒級(jí),適用于微小面積上的表面溫度以及快速變化的動(dòng)態(tài)溫度測量。

四.熱電偶溫度補(bǔ)償方法

從熱電偶測溫基本公式可以看到,對某一種熱電偶來說熱電偶產(chǎn)生的熱電勢只與工作端溫度t和自由端溫度t0有關(guān),即:EAB(t,t0)=EAB(t)-EAB(t0)

熱電偶的分度表是以t0=0℃作為基準(zhǔn)進(jìn)行分度的,而在實(shí)際使用過程中,參考端溫度往往不為0℃,那么工作端溫度為t時(shí),分度表所對應(yīng)的熱電勢EAB(t,0)與熱電偶實(shí)際產(chǎn)生的熱電勢EAB(t,t0)之間的關(guān)系可根據(jù)中間溫度定律得到下式:EAB(t,0)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0)由此可見,EAB(t,0)

是參考端溫度t0的函數(shù),因此需要對熱電偶參考端溫度進(jìn)行處理。(1)熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線在實(shí)際測溫時(shí),需要把熱電偶輸出的電勢信號(hào)傳輸?shù)竭h(yuǎn)離現(xiàn)場數(shù)十米的控制室里的顯示儀表或控制儀表,這樣參考端溫度t0也比較穩(wěn)定。熱電偶一般做得較短需要用導(dǎo)線將熱電偶的冷端延伸出來。工程中采用一種補(bǔ)償導(dǎo)線,它通常由兩種不同性質(zhì)的廉價(jià)金屬導(dǎo)線制成,而且在0~100℃溫度范圍內(nèi),要求補(bǔ)償導(dǎo)線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。

(2)參考端溫度修正法采用補(bǔ)償導(dǎo)線可使熱電偶的參考端延伸到溫度比較穩(wěn)定的地方,但只要參考端溫度不等于0℃,需要對熱電偶回路的電勢值加以修正,修正值為EAB(t0,0)。經(jīng)修正后的實(shí)際熱電勢,可由分度表中查出被測實(shí)際溫度值

(3)參考端0℃恒溫法在實(shí)驗(yàn)室及精密測量中,通常把參考端放入裝滿冰水混合物的容器中,以便參考端溫度保持0℃,這種方法又稱冰浴法。

(4)參考端溫度自動(dòng)補(bǔ)償法（補(bǔ)償電橋法）補(bǔ)償電橋法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓作為補(bǔ)償信號(hào),來自動(dòng)補(bǔ)償熱電偶測量過程中因參考端溫度不為0℃或變化而引起熱電勢的變化值。不平衡電橋由三個(gè)電阻溫度系數(shù)較小的錳銅絲繞制的電阻R1、R2

、R3、電阻溫度系數(shù)較大的銅絲繞制的電阻RCU和穩(wěn)壓電源組成。補(bǔ)償原理：將帶有銅熱電阻的補(bǔ)償電橋與被補(bǔ)償?shù)臒犭娕即?lián)，銅與熱電偶的冷端置于同一溫度場。室溫時(shí)，電橋輸出為零，當(dāng)冷端溫度變化時(shí)，銅電阻阻值變化造成電橋不平衡輸出。此不平衡輸出電壓對熱電偶輸出變化有抵消作用。補(bǔ)償電橋法第二節(jié)熱電阻傳感器

一、概述

熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進(jìn)行測溫的。優(yōu)點(diǎn)：①測量精度高；

②有較大的測量范圍；－200～500℃③易于使用在自動(dòng)測量和遠(yuǎn)距離測量中分類熱電阻傳感器分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻兩大類,一般把金屬熱電阻稱為熱電阻,而把半導(dǎo)體熱電阻稱為熱敏電阻。二、熱電阻材料和常用熱電阻用于制造熱電阻的材料應(yīng)具有盡可能大和穩(wěn)定的電阻溫度系數(shù)和電阻率,R-t關(guān)系最好成線性,物理化學(xué)性能穩(wěn)定,復(fù)現(xiàn)性好等。目前最常用的熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻。

(1)鉑熱電阻熱電特性鉑熱電阻的特點(diǎn)是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠,所以在溫度傳感器中得到了廣泛應(yīng)用。按IEC標(biāo)準(zhǔn),鉑熱電阻的使用溫度范圍為-200~+850℃。鉑熱電阻的特性方程為在-200~0℃的溫度范圍內(nèi):

在0~850℃的溫度范圍內(nèi):式中Rt和R0分別為t℃和0℃時(shí)鉑電阻值;A、B和C為常數(shù)。

熱電阻在溫度t時(shí)的電阻值與R0

有關(guān)。目前我國規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有R0=10Ω和R0=100Ω兩種,它們的分度號(hào)分別為Pt10和Pt100,其中以Pt100為常用。鉑熱電阻不同分度號(hào)亦有相應(yīng)分度表,即Rt-t的關(guān)系表,這樣在實(shí)際測量中,只要測得熱電阻的阻值Rt,便可從分度表上查出對應(yīng)的溫度值。(2)銅熱電阻