《傳感器與檢測技術(shù)》熱電偶傳感器Co

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1.熱電效應(yīng)2.熱電勢的組成4.熱電偶的結(jié)構(gòu)及外形6.正確使用熱電偶傳感器5.熱電偶的種類3.熱電偶的基本定律01SENSORSANDAUTOMATICDETECTIONTECHNOLOGY熱電效應(yīng)一、熱電效應(yīng)

(a)(b)a.熱電效應(yīng)原理圖b.結(jié)點產(chǎn)生熱電動勢示意圖圖6.1熱電偶原理圖將兩種不同材料的導體組成一個閉合回路，當兩個觸點溫度T和TO不同時，則在該回路中就會產(chǎn)生電動勢，該回路稱為熱電偶，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，相應(yīng)的電動勢稱為熱電勢。兩種導體A、B稱為熱電極。置于被測溫度（T）中的結(jié)點稱為測量端，又稱工作端或熱端。置于恒定溫度（TO）中的結(jié)點稱為參考端，又稱自由端或冷端。02SENSORSANDAUTOMATICDETECTIONTECHNOLOGY熱電勢的組成二、熱電勢的組成

熱電勢由兩種導體的接觸電動勢和溫差電動勢兩部分組成。

1.接觸電動勢兩種不同材料的導體A、B接觸時，由于兩導體的自由電子密度不同，假設(shè)A的自由電子密度大于B的自由電子密度，則A的自由電子向B擴散，形成A到B的電場,如圖6.1（b）所示。在電場作用下，電子反方向運動，當達到動態(tài)平衡時，A與B之間的電位差就是接觸電動勢。接觸電動勢：EAB＝EAB（T）－EAB（T0）

2.溫差電動勢同一導體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電勢。同一導體的兩端溫度不同時，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，低溫端帶負電，形成溫差電動勢。二、熱電勢的組成

2.溫差電動勢其大小為：E(T,T0）＝EA(T,T0）-EB(T,T0）

3.總電動勢熱電偶的總電勢為接觸電動勢與溫差電動勢之和，即

EAB(T,T0)=EAB(T)+EB(T,T0)?EAB(T0)?EA(T,T0)

溫差電動勢較小，可忽略，則總電動勢：

EAB(T,T0)=EAB(T)?EAB(T0)

熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢只隨熱端（測量端）溫度的變化而變化，即—定的熱電動勢對應(yīng)—定的溫度，測得熱電動勢通過熱電偶分度表就可確定溫度了。03SENSORSANDAUTOMATICDETECTIONTECHNOLOGY熱電偶的基本定律三、熱電偶的基本定律(1)均質(zhì)導體定律

由兩種均質(zhì)導體組成的熱電偶，其熱電動勢的大小只與兩材料及兩觸點溫度有關(guān)，與熱電偶的尺寸大小、形狀無關(guān)。熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的均質(zhì)材料構(gòu)成。如果熱電偶回路中的兩個熱電極材料相同，無論兩接點的溫度如何，熱電偶回路內(nèi)的總熱電動勢均為零。三、熱電偶的基本定律

在熱電偶測溫回路內(nèi)，接入第三種導體時，只要第三種導體的兩端溫度相同，則對回路的總熱電勢沒有影響。(2)中間導體定律三、熱電偶的基本定律如圖6.2所示，在熱電偶測溫回路中，Tn為熱電極上某一點的溫度，熱電偶AB在觸點溫度為T、TO時的熱電勢EAB(T,TO)等于熱電偶AB在觸點溫度為T、Tn和Tn、TO時的熱電勢EAB(T,Tn)和EAB(Tn,TO)的代數(shù)和，即EAB(T,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)(3)中間溫度定律(a)(b)a.熱電偶回路b.應(yīng)用補償導線圖6.2中間溫度定律04SENSORSANDAUTOMATICDETECTIONTECHNOLOGY熱電偶的結(jié)構(gòu)及外形四、氣敏傳感器性能測試

普通熱電偶由熱電極、絕緣套管、保護套管和接線盒等幾部分組成，如圖6.3所示。常用于測量氣體和各種液體等介質(zhì)的溫度。1.普通型熱電偶(a)(b)a.活動法蘭連接式b.固定螺紋連接式1．接線柱；2.接線盒外罩；3.接線盒固定螺釘；4.引出線套管；5.接線絕緣座；6.接線盒底座；7.上保護套管；8.固定法蘭；9.絕緣珠管；10.下保護套管；11.絕緣套；12.熱電偶工作端圖6.3普通型熱電偶的結(jié)構(gòu)及外形四、氣敏傳感器性能測試2.鎧裝型熱電偶按圖示意接線，注意傳感器的引線號碼。（1紅色，3黑色，2藍色）圖6.4鎧裝型熱電偶的外形

鎧裝熱電偶是將熱電極、絕緣材料連同保護管—起拉制成型，經(jīng)焊接密封和裝配等工藝制成的堅實的組合體，如圖6.4所示。可做得很細、很長，可彎曲，外徑小到1～3ｍｍ。主要特點是測量端熱容量小、動態(tài)響應(yīng)快、線性好、強度高。四、氣敏傳感器性能測試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、化學涂層等辦法蒸鍍到絕緣基板上而制成的一種特殊熱電偶，薄膜熱電偶的熱觸點可以做得很?。杀〉?.01～0.1），具有熱容量小、反應(yīng)速度快等特點，熱響應(yīng)時間達到微秒級，適用于微小面積上的表面溫度以及快速變化的動態(tài)溫度測量。05SENSORSANDAUTOMATICDETECTIONTECHNOLOGY熱電偶的種類五、熱電偶的種類工業(yè)上常用的4種標準化熱電偶材料為：鉑銠30-鉑銠6（B型）、鉑銠10-鉑（S型）、鎳鉻-鎳硅（K型）和鎳鉻-銅鎳（我國通常稱為鎳鉻-康銅）（E型）。熱電偶名稱的含義如下：

1.鉑銠30-鉑銠６：正負極均為鉑銠合金，其中正極含鉑70％、銠30％；負極含鉑94％、銠30％。

2.鉑銠10-鉑：正極為鉑銠合金，含鉑90％、銠10％；負極為純鉑。

3.鎳鉻-鎳硅：正極為鎳鉻合金，含鎳90.5％、鉻9.5％；負極為鎳硅材料，含鎳97.5％、硅2.5％。

4.鎳鉻-銅鎳：正極為鎳鉻合金，含鎳89％、鉻10％，鐵1％；負極為鎳銅合金，含鎳40％、銅60％。06SENSORSANDAUTOMATICDETECTIONTECHNOLOGY正確使用熱電偶傳感器六、正確使用熱電偶傳感器1.熱電偶要求冷端補償熱電偶測溫是將溫度的變化轉(zhuǎn)換為電勢的變化，它們的對應(yīng)關(guān)系是用分度表列出，而分度表上的值是在TO＝0℃時測得的。因此，用熱電偶的分度表查時，必須滿足TO＝0℃的條件。在實際測溫中，冷端溫度常隨環(huán)境溫度而變化，這樣TO不但不是0℃，而且也不恒定，將產(chǎn)生誤差。因此要采用—些措施進行補償或者修正。六、正確使用熱電偶傳感器2.熱電偶冷端補償方法

（1）0℃恒溫法將熱電偶冷端置于0℃恒溫容器中，從而保證冷端溫度恒為0℃，此時熱電偶的熱電勢與分度表—致。這種方法精度較高，適用于實驗室或精密測量中。

(2)補償導線法熱電偶一般做得較短，通常為350～2000mm，當測溫儀表與測量點距離較遠時，冷端溫度會波動，為使冷端溫度穩(wěn)定，又節(jié)省熱電偶的材料，通常采用補償導線來延長熱電偶的冷端，使之遠離高溫區(qū)。這種方法稱為補償導線法，即冷端溫度延長法，補償導線是由兩種不同性質(zhì)的金屬材料制成，在0～150℃范圍內(nèi)與配接的熱電偶具有—致的熱電特性，起著延長熱電偶冷端的作用。六、正確使用熱電偶傳感器2.熱電偶冷端補償方法

（3）計算修正法采用補償導線可使熱電偶的冷端延伸到溫度比較穩(wěn)定的地方，但只要冷端溫度T0不等于0℃，需要對熱電偶回路的測量電勢值EAB(T,T0)加以修正。根據(jù)中間溫度定律可得：

E