熱電式傳感器(講-簡版)

1、 熱電偶熱電偶 熱電偶是將溫度量轉(zhuǎn)換為電勢大小的熱電式傳感器。熱電偶是將溫度量轉(zhuǎn)換為電勢大小的熱電式傳感器。自自19世紀發(fā)現(xiàn)熱電效應(yīng)以來世紀發(fā)現(xiàn)熱電效應(yīng)以來,熱電偶被越來越廣泛地用來（工業(yè)）測量熱電偶被越來越廣泛地用來（工業(yè)）測量100 1300范圍內(nèi)范圍內(nèi)的溫度，根據(jù)需要還可以用來測量更高或更低的溫度。的溫度，根據(jù)需要還可以用來測量更高或更低的溫度。 具有的優(yōu)點具有的優(yōu)點結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡單使用方便使用方便精度高精度高熱慣性小熱慣性小可測局部溫度可測局部溫度便于遠距離傳送與集中校測便于遠距離傳送與集中校測自動記錄等自動記錄等一、熱電效應(yīng)一、熱電效應(yīng)熱電偶的基本原理熱電偶的基本原理兩種不同類型金屬

2、（絲）的兩端分別連接在一起，組成一閉合回路，兩種不同類型金屬（絲）的兩端分別連接在一起，組成一閉合回路，當(dāng)兩種不同類型金屬接觸處的溫度不同時，回路中就要產(chǎn)生熱電勢，當(dāng)兩種不同類型金屬接觸處的溫度不同時，回路中就要產(chǎn)生熱電勢， 此現(xiàn)象是此現(xiàn)象是1823年塞貝克（年塞貝克（T.J.Seebeck）用銅和銻做實驗時發(fā)現(xiàn)的，）用銅和銻做實驗時發(fā)現(xiàn)的，稱為塞貝克電勢。這個物理現(xiàn)象稱為金屬絲的熱電效應(yīng)。稱為塞貝克電勢。這個物理現(xiàn)象稱為金屬絲的熱電效應(yīng)。熱電效應(yīng)原理圖如下熱電效應(yīng)原理圖如下把兩種不同導(dǎo)體材料把兩種不同導(dǎo)體材料 A、B 連接成閉合回路，這種組合稱為熱電偶。連接成閉合回路，這種組合稱為熱電偶。T

3、T0BA熱電效應(yīng)原理圖熱電效應(yīng)原理圖工作端熱端自由端冷端將兩個接點置于溫度為將兩個接點置于溫度為 T 和和 T0（設(shè)（設(shè)TT0），），T 稱為熱端（工作端）稱為熱端（工作端）T0 稱為冷端（自由端）稱為冷端（自由端）在該回路會產(chǎn)生電動勢在該回路會產(chǎn)生電動勢（熱電勢），（熱電勢），用用 EAB(T,T0) 表示。表示。溫差電勢溫差電勢00(,)ATTeT TdT單一導(dǎo)體中，如果兩端溫度不同，在兩端間會產(chǎn)生電勢，即單一單一導(dǎo)體中，如果兩端溫度不同，在兩端間會產(chǎn)生電勢，即單一導(dǎo)體的溫差電勢。導(dǎo)體的溫差電勢。這是由于導(dǎo)體內(nèi)自由電子在高溫端具有較大的這是由于導(dǎo)體內(nèi)自由電子在高溫端具有較大的動能動能，因而

4、向低溫，因而向低溫端擴散（運動），結(jié)果高溫端中的原子因失去電子而帶正電荷，端擴散（運動），結(jié)果高溫端中的原子因失去電子而帶正電荷，低溫端中的原子因得到電子而帶負電荷，從而形成一個靜電場；低溫端中的原子因得到電子而帶負電荷，從而形成一個靜電場；這個電場阻礙了電子的繼續(xù)擴散，當(dāng)達到動態(tài)平衡時，在導(dǎo)體兩這個電場阻礙了電子的繼續(xù)擴散，當(dāng)達到動態(tài)平衡時，在導(dǎo)體兩端形成一個穩(wěn)定的電位差，端形成一個穩(wěn)定的電位差，即溫差電勢，其可表示為：即溫差電勢，其可表示為：式中：eA(T，T0) 導(dǎo)體A兩端溫度為T、T0時的溫差電勢 湯姆遜系數(shù)，表示單一導(dǎo)體兩端溫度差為 1時產(chǎn)生的溫差電勢，其值與材料性質(zhì)和 兩端溫度有關(guān)

5、+-AeA（T,T0）溫差電勢溫差電勢TT0在金屬導(dǎo)體中自由電子數(shù)目很多，但溫度不能顯著地改變導(dǎo)體中在金屬導(dǎo)體中自由電子數(shù)目很多，但溫度不能顯著地改變導(dǎo)體中自由電子的動能，所以，在同一種金屬導(dǎo)體內(nèi)，溫差電勢極小，自由電子的動能，所以，在同一種金屬導(dǎo)體內(nèi)，溫差電勢極小，可以忽略。可以忽略。000(,)()()()()ABABABABBAET TeTeTeTeT因此，在一個熱電偶回路中因此，在一個熱電偶回路中起決定作用起決定作用的是兩個接點處材料的性的是兩個接點處材料的性質(zhì)和該點所處溫度有關(guān)的質(zhì)和該點所處溫度有關(guān)的接觸電勢接觸電勢。故上式可以近似為：。故上式可以近似為：eAB(T)eAB(T0)T

6、T0熱電偶回路接觸電勢熱電偶回路接觸電勢000(,)()()()()A BA BA BA BB AET TeTeTeTeT在工程中，常用上式表示熱電偶回路的總熱電勢。在工程中，常用上式表示熱電偶回路的總熱電勢。從上式可以看出，回路的總電勢是隨從上式可以看出，回路的總電勢是隨T和和T0而變化的，而變化的，即總電勢為即總電勢為T和和T0的函數(shù)，這在實際使用中不方便。的函數(shù)，這在實際使用中不方便。為此，在使用和標定熱電勢時，使為此，在使用和標定熱電勢時，使T0為常數(shù)，即為常數(shù)，即:eAB(T0) = f(T0) = C(常數(shù))則上式可寫成則上式可寫成EAB(T,T0) = eAB(T)-f(T0)

7、= f(T)-CeAB(T)eAB(T0)TT0熱電偶回路接觸電勢熱電偶回路接觸電勢EAB(T,T0) =eAB(T)-f(T0) = f(T) -C上式表明上式表明當(dāng)熱電偶回路的一個端點（冷端）保持溫度當(dāng)熱電偶回路的一個端點（冷端）保持溫度T0不變，不變，則熱電勢則熱電勢EAB（T,T0）只隨另一個端點（熱端）的溫度）只隨另一個端點（熱端）的溫度T變化而變化而變化，回路總電勢是（熱端）溫度變化，回路總電勢是（熱端）溫度T的單值函數(shù)；的單值函數(shù)；兩個端點溫差（兩個端點溫差（T-T0）越大，回路總電勢）越大，回路總電勢EAB（T,T0）也越大；）也越大；這給工程使用帶來方便。這給工程使用帶來方便

8、。eAB(T)eAB(T0)TT0熱電偶回路接觸電勢熱電偶回路接觸電勢常用熱電偶常用熱電偶目前，常用熱電材料分貴金屬和普通金屬兩大類目前，常用熱電材料分貴金屬和普通金屬兩大類我國使用的熱電偶有以下幾種我國使用的熱電偶有以下幾種鉑銠鉑銠-鉑鉑 熱電偶熱電偶鎳鉻鎳鉻-鎳硅鎳硅 熱電偶熱電偶分度號為分度號為 S 測溫范圍：測溫范圍：0-1300 分度號為分度號為 K 測溫范圍：測溫范圍：0-1000 鎳鉻鎳鉻-考銅考銅 熱電偶熱電偶分度號為分度號為 E 測溫范圍：測溫范圍：0-600 分度號為分度號為 B 測溫范圍：測溫范圍：0-1800 分度號為分度號為 T 測溫范圍：測溫范圍：0-1000 鉑銠

9、鉑銠30-鉑銠鉑銠6 熱電偶熱電偶銅銅-康銅康銅 熱電偶熱電偶 熱電阻熱電阻 Resistance一、常用熱電阻一、常用熱電阻熱電阻是利用導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的特性，對和溫度有關(guān)的參熱電阻是利用導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的特性，對和溫度有關(guān)的參數(shù)進行測量的元件。數(shù)進行測量的元件。絕大多數(shù)金屬具有正的電阻溫度系數(shù)，利用這一特性制成溫度傳絕大多數(shù)金屬具有正的電阻溫度系數(shù)，利用這一特性制成溫度傳感器，稱為熱電阻。感器，稱為熱電阻。（1）鉑電阻鉑電阻鉑電阻的溫度特性鉑電阻的溫度特性Rt=R0(1+At+Bt2+Ct3)式中：Rt 溫度為t時鉑電阻的電阻值（）R0 溫度為0時鉑電阻的電阻值（）A 常數(shù)，3.9

10、684710-3/B 常數(shù)，-5.84710-7/C 常數(shù)，-4.2210-12/ t 測量溫度 鉑電阻的分度號：鉑電阻的分度號：Pt10 測溫范圍：測溫范圍：0-850 Pt100 測溫范圍：測溫范圍：-200-850（2）銅電阻銅電阻銅電阻的溫度特性銅電阻的溫度特性Rt = R0（1+t）式中：Rt 溫度為t時銅電阻的電阻值（）R0 溫度為0時銅電阻的電阻值（） 常數(shù)，4.2889910-3/ t 測量溫度 銅電阻的分度號：銅電阻的分度號：Cu50 測溫范圍：測溫范圍：-50-150Cu100 測溫范圍：測溫范圍：-50-150傳感器的防爆傳感器的防爆在石油、化工、冶金等工業(yè)生產(chǎn)過程中，有爆炸性、可燃性氣體、在石油、化工、冶金等工業(yè)生產(chǎn)過程中，有爆炸性、可燃性氣體、液體、粉塵存在，所以，要求傳感器具有防爆功能。液體、粉塵存在，所以，要求傳感器具有防爆功能。如何防爆如何防爆具有防爆的意識具有防爆的意識掌握防爆的基本知識掌握防爆的基本知識清楚防爆的原理、方法、分類與標準清楚防爆的原理、方法、分類與標準爆炸是在同時滿足三個條件下發(fā)生的：爆炸是在同時滿足三個條件下發(fā)生的：現(xiàn)場存