第六章热电势传感器

第六章热电势传感器第一页，共三十三页，编辑于2023年，星期五

温度标志着物质内部大量分子无规则运动的剧烈程度。温度越高，表示物体内部分子热运动越剧烈。

模拟图：在一个密闭的空间里，气体分子在高温时的运动速度比低温时快！低温高温温度测量的基本概念第二页，共三十三页，编辑于2023年，星期五体积热膨胀式

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第三页，共三十三页，编辑于2023年，星期五红外温度计第四页，共三十三页，编辑于2023年，星期五物理现象

体积热膨胀

电阻变化温差电现象导磁率变化电容变化压电效应超声波传播速度变化物质颜色P–N结电动势晶体管特性变化可控硅动作特性变化热、光辐射种类铂测温电阻、热敏电阻热电偶BaSrTiO3陶瓷石英晶体振动器超声波温度计示温涂料液晶半导体二极管晶体管半导体集成电路温度传感器可控硅辐射温度传感器光学高温计1.气体温度计2.玻璃制水银温度计3.玻璃制有机液体温度计4.双金属温度计5.液体压力温度计6.气体压力温度计1．

热铁氧体2．

Fe-Ni-Cu合金第五页，共三十三页，编辑于2023年，星期五热电偶、测温电阻器、热敏电阻、感温铁氧体、石英晶体振动器、双金属温度计、压力式温度计、玻璃制温度计、辐射传感器、晶体管、二极管、半导体集成电路传感器、可控硅分类特征传感器名称超高温用传感器1500℃以上光学高温计、辐射传感器高温用传感器1000～1500℃光学高温计、辐射传感器、热电偶中高温用传感器500～1000℃光学高温计、辐射传感器、热电偶中温用传感器0～500℃低温用传感器-250～0℃极低温用传感器-270～-250℃BaSrTiO3陶瓷晶体管、热敏电阻、压力式玻璃温度计见表下内容测温范围温度传感器分类第六页，共三十三页，编辑于2023年，星期五结论：两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。

热电极A自由端（参考端、冷端）

测量端（工作端、热端）

热电极BAB第一节热电偶一、热电效应第七页，共三十三页，编辑于2023年，星期五

从实验到理论：热电效应

问题1：

发现放在回路中的指南针发生偏转？

（说明什么）问题2：如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转角反而减小？（又说明什么）。

说明回路中有电动势产生并有电流在回路中流动说明电流的强弱与两个结点的温差有关。

第八页，共三十三页，编辑于2023年，星期五2.热电效应的分析

接触电势:两种材料的自由电子密度不同

温差电势：两个接点的温度不同第九页，共三十三页，编辑于2023年，星期五（1）接触电势k——玻耳兹曼常数；T——接触面的绝对温度；e——单位电荷量；NA——金属电极A的自由电子密度NB——金属电极B的自由电子密度接触电势结论：在材料一定的情况，其大小与T成正比关系。静电场扩散设NA>NB第十页，共三十三页，编辑于2023年，星期五（2）温差电势δ——汤姆逊系数，它表示温度为1℃时所产生的电动势值，它与材料的性质有关。温差电势（汤姆逊电势）静电场扩散热端电子冷端电子设T>T0第十一页，共三十三页，编辑于2023年，星期五（3）回路的总热电势

设T>To,NA>NB第十二页，共三十三页，编辑于2023年，星期五热电极A和B为同一种材料时，NA=NB,δA=δB， 则EAB(T,T0)=0。若热电偶两端处于同一温度下，T=T0， 则EAB(T,T0)=0。热电势存在必须具备两个条件： 两种不同的金属材料组成热电偶， 它的两端存在温差。

第十三页，共三十三页，编辑于2023年，星期五热电势是T和T0的温度函数的差，而不是温度的函数。

问题1：能否测量单点温度？E与T之间有唯一对应的单值函数关系，

问题2：为什么实际应用中，常把T0=0℃？当T0保持不变时，f(T0)=C则有：第十四页，共三十三页，编辑于2023年，星期五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？第十五页，共三十三页，编辑于2023年，星期五

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、K:镍铬—镍硅、N:镍铬硅—镍硅、E:镍铬—铜镍、J:铁—铜镍、T:铜—铜镍；用于制造铂热电偶的各种铂热电偶丝第十六页，共三十三页，编辑于2023年，星期五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/mVB铂铑30－铂铑650～1820C4.834R铂铑13—铂-50～1768C10.506S铂铑10—铂-50～1768C9.587K镍铬－镍铬(铝)-270～1370C41.276E镍铬－铜镍(康铜)－270～800C——?第十七页，共三十三页，编辑于2023年，星期五热电偶的结构形式

1.普通型热电偶：由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成安装螺纹安装法兰第十八页，共三十三页，编辑于2023年，星期五2.铠装热电偶

由热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体,它可以做得很细很长,使用中随需要能任意弯曲。BA绝缘材料热电偶横截面第十九页，共三十三页，编辑于2023年，星期五二、热电偶的基本定律1.匀质导体定律2.中间导体定律3.连接导体定律第二十页，共三十三页，编辑于2023年，星期五1.匀质导体定律两电极（A、B）材料相同时,即则无论接点处温度如何变化，第二十一页，共三十三页，编辑于2023年，星期五2.中间导体定律

在热电偶回路中接入与另一种导体称中间导体C，只要引入点温度相同，热电偶回路总电动势不受中间导体接入的影响。第二十二页，共三十三页，编辑于2023年，星期五ET0T0TET0T1T1T电位计接入热电偶回路根据上述原理，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。

第二十三页，共三十三页，编辑于2023年，星期五3.连接导体定律其中：而：第二十四页，共三十三页，编辑于2023年，星期五例.用（S型）热电偶测量某一温度，若参比端温度T0=30℃，测得的热电势E(T,Tn)=7.5mV，求测量端实际温度T。查分度表有E（30，0）=0.173mV反查分度表有T=830℃，测量端实际温度为830℃第二十五页，共三十三页，编辑于2023年，星期五三、热电偶的冷端处理和补偿

热电偶的热电势大小不仅与热端温度的有关，而且也与冷端温度有关，只有当冷端温度恒定，通过测量热电势的大小得到热端的温度。

热电偶的冷端处理和补偿: 当热电偶冷端处在温度波动较大的地方时，必须首先使用补偿导线将冷端延长到一个温度稳定的地方，再考虑将冷端处理为０℃。第二十六页，共三十三页，编辑于2023年，星期五几种冷端处理方法：

1.补偿导线法2.热电偶冷端温度恒温法3.计算修正法4.冷端补偿电桥法第二十七页，共三十三页，编辑于2023年，星期五1.补偿导线法热电偶补偿导线功能：其一实现了冷端迁移；其二是降低了电路成本。第二十八页，共三十三页，编辑于2023年，星期五2.热电偶冷端温度恒温法

适用于实验室中的精确测量和检定热电偶时使用。第二十九页，共三十三页，编辑于2023年，星期五3.计算修正法在实际应用中，热电偶的参比端往往不是零，而是环境温度，这时测量出的回路热电势要小，因此必须加上环境温度与冰点之间温差所产生的热电势后才能符合热电偶分度表的要求。可用室温计测出环境温度T1，从分度表中查出的E(T1,0)值，然后加上热电偶回路热电势E(T,T1)，得到E(T,0)值，反查分度表即可得到准确的被测温度值。第三十页，共三十三页，编辑于2023年，星期五例用镍铬--镍硅(K型)热电偶测温，热电偶参比端温度为30℃。测得的热电势为28mV，求热端温度。反查K分度表T=701.5℃计算修正曲线第三十一页，共三十三页，编辑于2023年，星期五4.冷端补偿电桥法利用直流不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶冷端温度变化而引起的热电势的变化值第三十二页，共三十三页，编辑于2023年