第五章

熱電偶傳感器及應(yīng)用熱電偶傳感器的工作原理熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)熱電偶的冷端補(bǔ)償和測(cè)溫電路本章內(nèi)容熱電偶的應(yīng)用及其配套儀表§1§3§2§4§1

熱電偶傳感器的工作原理一、工作原理1．熱電效應(yīng)

如圖所示，如果兩接合點(diǎn)的溫度不同(T≠T0)，則在兩者間將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，而在回路中就會(huì)有一定大小的電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)或塞貝克效應(yīng)。

導(dǎo)體A因失去電子而帶正電，導(dǎo)體B則因獲得電子而帶負(fù)電，在接觸面處形成電場，如圖所示。由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度不同，在接觸處會(huì)發(fā)生自由電子的擴(kuò)散形成的電動(dòng)勢(shì)。2．接觸電動(dòng)勢(shì)該電場的存在阻礙了電子的繼續(xù)擴(kuò)散，當(dāng)電子擴(kuò)散達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，就在接觸區(qū)形成一個(gè)穩(wěn)定的電位差，即接觸電動(dòng)勢(shì)，其大小為：

T——接觸處的絕對(duì)溫度；

k——波爾茲曼常數(shù)（k=1.38×10-23J/K）

e——電子電荷（e=1.6×10-19C）接觸電動(dòng)勢(shì)的數(shù)值取決于兩種導(dǎo)體的性質(zhì)和接觸點(diǎn)的溫度，而與導(dǎo)體的形狀及尺寸無關(guān)。高溫端的自由電子具有較大的動(dòng)能而向低溫端擴(kuò)散，因而導(dǎo)致導(dǎo)體的高溫端因失去電子而帶正電，低溫端由于獲得電子而帶負(fù)電

。是在同一導(dǎo)體中，由于溫度不同而產(chǎn)生的一種電動(dòng)勢(shì)。3．同一導(dǎo)體中的溫差電動(dòng)勢(shì)在T和T0的接觸電動(dòng)勢(shì)導(dǎo)體A和B兩端存在溫差電動(dòng)勢(shì)必須由兩種不同的材料才能構(gòu)成熱電偶

若T＝T0,盡管導(dǎo)體A，B的材料不同，但回路總的熱電動(dòng)勢(shì)亦為零。起主要作用的是兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的接觸電動(dòng)勢(shì)

二、熱電偶定律1．中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只要第三種導(dǎo)體兩端的溫度相等，則對(duì)熱電偶回路總的熱電動(dòng)勢(shì)無影響

。==2．中間溫度定律實(shí)際測(cè)溫時(shí)，由于熱電偶的長度有限，自由端溫度將直接受到被測(cè)介質(zhì)溫度和周圍環(huán)境的影響,采用補(bǔ)償導(dǎo)線，可將熱電偶的自由端延伸到遠(yuǎn)離高溫區(qū)的地方，從而使自由端的溫度相對(duì)穩(wěn)定注意兩根補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶兩個(gè)熱電極的接點(diǎn)必須具有相同的溫度補(bǔ)償導(dǎo)線只能與相應(yīng)型號(hào)的熱電偶配用

(表5-1)3．參考電極定律（標(biāo)準(zhǔn)電極定律）由A、B兩種熱電極配對(duì)后的熱電動(dòng)勢(shì)。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于純鉑絲的物理化學(xué)性能穩(wěn)定、熔點(diǎn)高、易提純，所以目前常用純鉑絲作為標(biāo)準(zhǔn)電極

(C極)參考電極§2熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)一、熱電偶的結(jié)構(gòu)工程上實(shí)際使用的熱電偶大多是由熱電極、絕緣套管、保護(hù)套管和接線盒等部分組成。二、常用熱電偶簡介鉑銠10—鉑熱電偶1300℃鎳鉻—鎳硅（鎳鉻—鎳鋁）熱電偶900℃鎳鉻—考銅熱電偶600℃鉑銠30—鉑銠6熱電偶1600℃常用的鎳鉻一鎳硅（K）熱電偶的分度表（附錄D）。(電偶的熱電動(dòng)勢(shì)與溫度的對(duì)照表)§3

熱電偶的冷端補(bǔ)償和測(cè)溫電路一、熱電偶的冷端補(bǔ)償1．冷端恒溫法2．冷端溫度校正法EAB（t，0℃）＝EAB（t，t0）＋EAB（t0，0℃）

當(dāng)熱電偶的冷端溫度t0≠0℃時(shí)，測(cè)得的熱電動(dòng)勢(shì)EAB（t，t0）與冷端為0℃時(shí)測(cè)得的熱電動(dòng)勢(shì)EAB（t，0℃）不等。若冷端溫度高于0℃，則EAB（t，t0）＜EAB（t，0℃）。根據(jù)熱電偶的中間溫度定律，可得熱電勢(shì)的修正公式：3．電橋補(bǔ)償法利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓，來自動(dòng)補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電動(dòng)勢(shì)的變化值。

電橋通常取在20℃時(shí)處于平衡狀態(tài)，此時(shí)橋路輸出電壓Uab=0，電橋無補(bǔ)償作用4．采用PN結(jié)溫度傳感器作冷端補(bǔ)償二、熱電偶的測(cè)溫電路a）所示為一個(gè)熱電偶和一個(gè)儀表配用的基本電路

b）圖所示為測(cè)量兩點(diǎn)溫度之和的電路c）圖所示為測(cè)量兩點(diǎn)間溫度差的電路，兩支同型號(hào)的熱電偶反向串聯(lián)1．基本測(cè)溫電路測(cè)量兩點(diǎn)間平均溫度的電路，兩支同型號(hào)的熱電偶并聯(lián)

圖中串入較大阻值的電阻R1、R2以減小熱電偶內(nèi)阻的影響

2．熱電偶的實(shí)際測(cè)溫電路在實(shí)際測(cè)量過程中，熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)和溫度關(guān)系為非線形關(guān)系

因此熱電偶應(yīng)用時(shí)都要線形化。

線形校正電路采用平方運(yùn)算的專用集成電路AD538構(gòu)成的線形化電路

§４

熱電偶的應(yīng)用及配套儀表一、伺服式溫度表I，i——分別為工作電流回路和測(cè)量回路的電流；∑R——a、b間的