热电偶基础知识介绍.ppt

2018/3/5
第四章非电量的电测技术
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热电偶传感器介绍
在工业生产过程中,温度是需要测量和控制的重要参数之一。在温度测量中,热电偶的应用极为广泛,它具有结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯性小和输出信号便于远传等许多优点,在温度测量中占有重要的地位。其测温范围较宽,一般为-50~1600℃,最高的可达到3000℃。
另外,由于热电偶是一种有源传感器,测量时不需外加电源,使用十分方便,所以常被用作测量炉子、管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度。
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一、热电偶的测温原理
先看一个实验——热电偶工作原理演示
结论:当两个结点温度不相同时,回路中将产生电动势。
热电极A
右端称为:自由端(参考端、冷端)
左端称为:测量端(工作端、热端)
热电极B
热电势
A
B
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从实验到理论:热电效应
1821年,德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路,并用酒精灯加热其中一个接触点(称为结点),发现放在回路中的指南针发生偏转(说明什么?),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?)。
显然,指南针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回路中流动,电流的强弱与两个结点的温差有关。
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通过以上演示得出结论——有关热电偶热电势的讨论
将两种不同的导体(或半导体)A、B组合成闭合回路。若两结点处温度不同,则回路中将有电流流动,即回路中有热电动势存在。
此电动势的大小除了与材料本身的性质有关以外,还决定于结点处的温差,这种现象称为热电效应或塞贝克效应。
热电偶就是根据此原理设计制作的将温差转换为电势量的热电式传感器。热电效应产生的热电势是由接触电势和温差电势两部分组成的。
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(一)接触电势
产生原因:两种不同的金属互相接触时,由于不同金属内自由电子的密度不同,在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B,使A失去电子带正电,B得到电子带负电,从而产生接触电势:
自由电子
+
A
B
eAB(T)
T
k:波尔兹曼常数; 
e:单位电荷电量;
NAT、NBT:温度为T时,导体A、B的自由电子密度。
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(二)温差电动势
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!
温度的影响
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定义:同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势——温差电动势
同一导体的两端温度不同时, 高温端的电子能量要比低温端的电子能量大, 因而从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多, 结果高温端因失去电子而带正电, 低温端因获得多余的电子而带负电, 形成一个静电场,该静电场阻止电子继续向低温端迁移,最后达到动态平衡。因此, 在导体两端便形成温差电势,公式:
EA(t,t0)=UAt-UAt0
考虑:如果同一导体各点温度相同,即t=t0,则回路总电动势必为零?
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(三)热电偶回路的热电势
热电偶回路中总的热电势应是接触电势与温差电势之和。
EAB(t,t0)=EAB(t) +EB(t,t0) -EAB(t0)-EA(t,t0)
经实践证明,在热电偶中起主要作用的是接触电动势,温差电动势只占极小部分。可以忽略不计:
EAB(t,t0)= EAB(t)-EAB(t0)
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综上所述,如下结论:
热电偶回路中热电动势的大小,与组成热电偶的导体材料和两接点的温度有关,而与热电偶的形状尺寸无关。当热电偶两电极材料固定后,热电动势便是两接点温度为t和t0时的函数差:
对于已选定的热电偶, 当参考端温度t0恒定时, EAB(t0)为常数,则总的热电动势就只与温度t成单值函数关系, 即
EAB(t,t0)=EAB(t)-C=φ(t)
EAB(t,t0)= EAB(t)-EAB(t0)
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(四)实际应用
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。
目前热电偶统一规定在T0=0℃的条件下,给出测量端温度与热电势的数值对照表