第8章熱電式傳感器

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第8章熱電式傳感器

熱電式傳感器是將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的裝置，它利用敏感元件的電磁參數(shù)隨溫度變化而變化的特性來達到測量目的。8.1熱電阻8.2熱電偶8.3熱敏電阻本章要點溫標(biāo)

不是溫度標(biāo)準(zhǔn)(TemperatureStandard)，而是溫度標(biāo)尺(TemperatureScale)的簡稱。國際上規(guī)定的溫標(biāo)有很多種，最常用的是華氏溫標(biāo)(美國)、攝氏溫標(biāo)、熱力學(xué)溫標(biāo)等。下頁上頁返回溫標(biāo)名稱有關(guān)規(guī)定華氏溫標(biāo)（℉）1714年，F(xiàn)ahrenheit把標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下純水的沸點和冰點這兩個恒定溫度作固定點(212℉和32℉)，這兩個溫度點之間用水銀溫度計分成180等份，每等份定為1華氏度(℉)。列氏溫標(biāo)(oR’)1731年Réaumur提出：水的冰點被定為列氏0度，而沸點則為列氏80度。因為標(biāo)準(zhǔn)濃度的酒精在水的冰點和沸點之間體積從1000單位膨脹到1080單位。攝氏溫標(biāo)(℃)1742年Celsius提出：最初定義“水的冰點定為一百攝氏度，沸點定為零攝氏度，其間分成一百等分，一等分為一攝氏度”。第二年將刻度顛倒過來使用，即當(dāng)今用法。當(dāng)前應(yīng)用最廣，ITS-90有專門定義。開氏溫標(biāo)(K)1854年Kelvin提出：把絕對零度(0K)到水的三相點溫度(273.16K)等分為273.16份，每份就是1開氏度。其分度間隔和攝氏溫標(biāo)間隔一致，Δt(1℃)=ΔT(1K)。蘭氏溫標(biāo)(oR)Rankine

溫標(biāo)是美國工程界使用的一種溫標(biāo)。起點也為絕對零度，水的冰點和沸點分別為491.67和671.67蘭氏度(oR)，中間分成180等分，每一等分為1oR。下頁上頁返回幾種溫標(biāo)間的換算關(guān)系攝氏度=5(華氏度-32)/9攝氏度=開氏度-273.15攝氏度=5蘭氏度/9-273.15攝氏度=1.25列氏度====================華氏度=1.8攝氏度+32華氏度=1.8開氏度-459.67華氏度=蘭氏度-459.67華氏度=2.25列氏度+32====================開氏度=攝氏度+273.15開氏度=1.25列氏度+273.15開氏度=5(華氏度-32)/9+273.15開氏度=5蘭氏度/9下頁上頁返回下頁上頁返回8.1熱電阻測溫原理：大多數(shù)金屬的電阻率隨溫度升高而增大，即具有正溫度系數(shù)。特點：

一般用于測量-200～+500℃范圍內(nèi)的溫度參數(shù)，精度較高，適宜于測低溫。8.1.1熱電阻的材料及工作原理下頁上頁返回鉑電阻：精度高，穩(wěn)定性好，性能可靠，測溫復(fù)現(xiàn)性好，但價格昂貴，成本高。（0～850℃）（-200～0℃）根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻R0有100Ω

和50Ω兩種，并將電阻值與溫度t對應(yīng)關(guān)系列成表格，稱為鉑電阻分度表，分度號分別為Pt100和Pt50。

鉑電阻的純度通常用W(100)表示（R100與R0的比值），目前鉑電阻的純度最高可達5個九。銅電阻：鉑是貴金屬，價格昂貴，因此在測溫范圍比較小(-50～+150℃)的情況下，可采用銅制成的測溫電阻，稱銅電阻。

（-50～+150℃）下頁上頁返回銅電阻在低溫測溫范圍內(nèi)線性和穩(wěn)定性較好，溫度系數(shù)較大，且價格便宜，但測量精度較低。銅電阻的R0亦有100Ω和50Ω兩種，其分度號分別為Cu100和Cu50。銅熱電阻Cu50分度表下頁上頁返回銦電阻：是一種高精度低溫?zé)犭娮琛Ｔ?.2-15K測溫范圍內(nèi)靈敏度極高，缺點是材料很軟，復(fù)制性很差。錳電阻：在63-2K低溫范圍內(nèi)，靈敏度高，缺點是脆性大，難以拉制成絲。碳電阻：低溫下靈敏度高，熱容量小，對磁場不敏感，價格便宜，使用方便。缺點是熱穩(wěn)定性較差。鐵電阻和鎳電阻：這兩種金屬的電阻溫度系數(shù)較高、電阻率較大，故可作成體積小，靈敏度高的電阻溫度計，其缺點是容易氧化，化學(xué)穩(wěn)定性差，不易提純，復(fù)制性差，而且電阻值與溫度的線性關(guān)系差。下頁上頁返回工業(yè)熱電阻的基本結(jié)構(gòu)

直徑1mm的銀絲或鍍銀銅絲云母、石英或陶瓷塑料雙線無感繞法外接線路相連電阻絲和電阻支架圖8-1幾種純金屬的電阻相對變化率與溫度變化間關(guān)系下頁上頁返回下頁上頁返回8.1.2測量電路最常用的測量電路是電橋電路

下頁上頁返回圖8-3熱電阻測溫電橋的四線連接法下頁上頁返回8.2熱電偶

把兩種不同導(dǎo)體或半導(dǎo)體連接成閉合回路，如果將它們的兩個接點分別置于溫度各為T和T0（設(shè)T＞T0)的熱源中，則在該回路內(nèi)就會產(chǎn)生熱電動勢，這種現(xiàn)象稱作熱電效應(yīng)。由這兩種導(dǎo)體的組合并將溫度轉(zhuǎn)換成熱電勢的傳感器稱為熱電偶。圖8-4熱電效應(yīng)示意圖熱電偶作為敏感元件優(yōu)點為：①結(jié)構(gòu)簡單：其主體實際上是由兩種不同性質(zhì)的導(dǎo)體或半導(dǎo)體互相絕緣并將一端焊接在一起而成的；②具有較高的準(zhǔn)確度；③測量范圍寬，常用的熱電偶，低溫可測到-50℃，高溫可以達到1600℃左右，配用特殊材料的熱電極，最低可測到-180℃，最高可達到+2800℃的溫度；④具有良好的敏感度；⑤使用方便。下頁上頁返回下頁上頁返回8.2.1熱電效應(yīng)

熱電偶產(chǎn)生的熱電勢稱為溫差電勢或塞貝克電勢，通稱熱電勢?；芈分挟a(chǎn)生的電流稱為熱電流，導(dǎo)體A、B稱為熱電極。測溫時結(jié)點1置于被測的溫度場中，稱為測量端(工作端、熱端)；結(jié)點2一般處在某一恒定溫度，稱為參考端(自由端、冷端)。熱電效應(yīng)（塞貝克效應(yīng)）：下頁上頁返回兩種導(dǎo)體的接觸電勢

式中k

—波爾茲曼常數(shù)，為1.38×10-16；

T

—接觸處的絕對溫度；

e—電子電荷數(shù)；

NA、NB—金屬A、B的自由電子密度。圖8-5接觸電勢下頁上頁返回同理可以計算出A、B兩種金屬構(gòu)成回路在溫度T0端的接觸電勢為：

但與方向相反，所以回路的總接觸電勢

由上式可見，當(dāng)兩結(jié)點的溫度相同，即T=T0

，回路中總電勢將為零。下頁上頁返回

當(dāng)導(dǎo)體兩端的溫度分別為T、T0時，溫差電勢可由下式表示:

式中A—A導(dǎo)體的湯姆遜系數(shù)。對于兩種金屬A、B組成的熱電偶回路，湯姆遜電勢等于它的代數(shù)和，即:

單一導(dǎo)體的溫差電勢圖8-6溫差電勢下頁上頁返回

綜上所述，對于勻質(zhì)導(dǎo)體A、B組成的熱電偶，其總電勢為接觸電勢與溫差電勢之和，用式子可表示為：圖8-7熱電偶回路的總熱電勢下頁上頁返回①如果熱電偶兩電極材料相同，則雖兩端溫度不同(T≠T0)。但總輸出電勢仍為零。因此必須由兩種不同的材料才能構(gòu)成熱電偶。②如果熱電偶兩結(jié)點溫度相同，則回路中的總電勢必等于零。由上述分析知，熱電勢的大小只與材料和結(jié)點溫度有關(guān)，與熱電偶的尺寸、形狀及沿電極溫度分布無關(guān)。應(yīng)注意，如果熱電極本身性質(zhì)為非均勻的，由于溫度梯度存在，將會有附加電勢產(chǎn)生。討論：下頁上頁返回8.2.2熱電偶基本定律中間導(dǎo)體定律標(biāo)準(zhǔn)電極定律連接導(dǎo)體定律和中間溫度定律8.2.2熱電偶基本規(guī)律

中間導(dǎo)體定律

在熱電偶回路中，只要中間導(dǎo)體兩端的溫度相同，那么接入中間導(dǎo)體后，對熱電偶回路的總熱電勢無影響?？捎檬阶颖硎緸椋?/p>

EABC(T,T0)=EAB(T,T0)

下頁上頁返回圖8-8具有中間導(dǎo)體的熱電偶電路下頁上頁返回

如果將導(dǎo)體C（熱電極，一般為純鉑絲）作為標(biāo)準(zhǔn)電極（也稱參考電極），并已知標(biāo)準(zhǔn)電極與任意導(dǎo)體配對時的熱電勢，則在相同結(jié)點溫度(T，T0)下，任意兩導(dǎo)體A、B組成的熱電偶，其熱電勢可由下式求得：

EAB(T,T0)=EAC(T,T0)-EBC(T,T0)標(biāo)準(zhǔn)電極定律下頁上頁返回圖8-9三種導(dǎo)體分別組成的熱電偶

連接導(dǎo)體定律：在熱電偶回路中，如果熱電極A、B分別與連接導(dǎo)線A’、B’相連接，結(jié)點溫度分別為T、Tn、T0

，那么回路的熱電勢將等于熱電偶的熱電勢EAB(T,Tn

)與連接導(dǎo)線A’、B’在溫度Tn、T0

時熱電勢EA’B’(T,Tn

)的代數(shù)和，即：

EABB’A’(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EA’B’(Tn,T0)

連接導(dǎo)體定律和中間溫度定律下頁上頁返回圖8-10用連接導(dǎo)線的熱電偶回路

中間溫度定律：

熱電偶在結(jié)點溫度為T、T0時的熱電勢值EAB(T,T0)，等于熱電偶在(T,Tn

)、(Tn,T0)時相應(yīng)的熱電勢EAB(T,Tn

)與EAB(Tn,T0)的代數(shù)和。如下式所示：

EAB(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)下頁上頁返回如A與A’、B與B’材料相同，且結(jié)點溫度分別為T、Tn、T0時，有：如：A、B組成的熱電偶在（1000C，00C）時熱電勢為1mV,且A、B組成的熱電偶在（10000C，00C）時熱電勢為10mV,則它們在（10000C，1000C）時的熱電勢為：

10-1=9mV下頁上頁返回8.2.3熱電偶材料及常用熱電偶

對熱電偶的電極材料主要要求是：①配制成的熱電偶應(yīng)具有較大的熱電勢，并希望熱電勢與溫度之間成線性關(guān)系或近似線性關(guān)系。②能在較寬的溫度范圍內(nèi)使用．并且在長期工作后物理化學(xué)性能與熱電性能都比較穩(wěn)定。③電導(dǎo)率要求高，電阻溫度系數(shù)要小。④易于復(fù)制，工藝簡單，價格便宜。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶有：鉑銠10—鉑（S型）熱電偶、鎳鉻—鎳硅（K型）熱電偶、鎳鉻—康銅（E型）熱電偶等。下頁上頁返回下頁上頁返回常用熱電偶鉑銠10—鉑熱電偶（S型）這種熱電偶可在1300℃以下范圍內(nèi)長期使用，短期可測1600℃高溫，復(fù)制精度和測量準(zhǔn)確性高，但LB熱電偶的材料為貴金屬，成本較高。鎳鉻—鎳硅熱電偶（K型）化學(xué)穩(wěn)定性較高，測量范因為–50—+1312℃，復(fù)制性好，產(chǎn)生熱電勢大，線性好，價格便宜，是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的一種熱電偶。鎳鉻—銅鎳（康銅）熱電偶（E型）適用于還原性或中性介質(zhì)，熱電偶靈敏度高，價格便宜，但測溫范窄而低。熱電偶名稱正熱電極負熱電極分度號測溫范圍特點鉑銠30－鉑銠6鉑銠30鉑銠6B0～＋1700℃（超高溫）適用于氧化性氣氛中測溫，測溫上限高，穩(wěn)定性好。在冶金、鋼水等高溫領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。鉑銠10－鉑鉑銠10純鉑S0～＋1600℃（超高溫）適用于氧化性、惰性氣氛中測溫，熱電性能穩(wěn)定，抗氧化性強，精度高，但價格貴、熱電動勢較小。常用作標(biāo)準(zhǔn)熱電偶或用于高溫測量。鎳鉻－鎳硅鎳鉻合金鎳硅K－200～＋1200℃（高溫）適用于氧化和中性氣氛中測溫，測溫范圍很寬、熱電動勢與溫度關(guān)系近似線性、熱電動勢大、價格低。穩(wěn)定性不如B、S型熱電偶，但是非貴金屬熱電偶中性能最穩(wěn)定的一種。鎳鉻－康銅鎳鉻合金銅鎳合金E－200～＋900℃（中溫）適用于還原性或惰性氣氛中測溫，熱電動勢較其他熱電偶大，穩(wěn)定性好，靈敏度高，價格低。鐵－康銅鐵銅鎳合金J－200～＋750℃（中溫）適用于還原性氣氛中測溫，價格低，熱電動勢較大，僅次于E型熱電偶。缺點是鐵極易氧化。銅－康銅銅銅鎳合金T－200～＋350℃（低溫）適用于還原性氣氛中測溫，精度高，價格低。在－200～0℃可制成標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。缺點是銅極易氧化。

常用熱電偶特性

1.普通型熱電偶

普通型熱電偶結(jié)構(gòu)熱電偶的結(jié)構(gòu)下頁上頁返回2．鎧裝熱電偶鎧裝熱電偶工作端結(jié)構(gòu)（a）單芯結(jié)構(gòu)；（b）雙芯碰底型；（c）雙芯不碰底型；（d）雙芯露頭型；（e）雙芯帽型下頁上頁返回3．薄膜熱電偶

薄膜熱電偶電極為厚度0.01~0.1m薄膜構(gòu)成鐵-鎳薄膜熱電偶下頁上頁返回8.2.4熱電偶測溫電路

熱電偶直接與指示儀表配用熱電偶與動圈式儀表連接，如圖8-11所示。這時流過儀表的電流不僅與勢電勢大小有關(guān)，而且與測溫回路的總電阻有關(guān)，因此要求回路總電阻必須為恒定值，即：

Rr+Rc+RG=常數(shù)

下頁上頁返回圖8-11一支熱電偶直接配一臺儀表多點溫度和測量t三個熱電偶工作在線性區(qū)時代表著多點溫度之和。任一熱電偶燒壞都可立即知道，且可得到較大的電動勢。每一熱電偶引出的補償導(dǎo)線必須接到儀表的冷端處。BABABAT1T2T3下頁上頁返回多點平均溫度的測量t

三個熱電偶工作在線性區(qū)時代表著平均溫度。每個熱電偶需串聯(lián)較大電阻，且分度與單個熱電偶一樣。某一熱電偶壞了不易及時發(fā)現(xiàn)。BABABAT1T2T3下頁上頁返回兩點溫度差的測量若熱電動勢E與溫度T呈線性關(guān)系，則t=T1-T2。tBAABA’A’B’E=E1－E2E1E2T1T2下頁上頁返回

橋式電位差計線路可實現(xiàn)高精度測溫并自動記錄。下頁上頁返回圖8-15自動電位差計測溫線路8.2.5熱電偶參考端溫度

0℃恒溫法

下頁上頁返回0℃恒溫法

熱電偶參考端溫度為tn時的補正方法

1、熱電勢補正法

下頁上頁返回圖8-16熱電偶特性曲線例：用銅-康銅熱電偶測某一溫度t，參考端在室溫環(huán)境tn中，測得熱電動勢E(t,tn)=1.999mV，又用室溫計測出tn=21℃，求實際溫度t。解：查T分度號表得E(21,0)=0.830mV，故：

E(t,0)=E(t,21)+E(21,0) =1.999+0.830 =2.829(mV)

再次查分度表，得實際溫度t=68℃。

注意：

1.分度表中68℃對應(yīng)2.820mV，69℃時的熱電勢為2.864mV，實際精確溫度應(yīng)采用插值法計算。

2.如按E(t,tn)=1.999mV直接查分度表，則t=49℃,不能認(rèn)定t=49℃+21℃=70℃下頁上頁返回2、溫度修正法下頁上頁返回由實測熱電勢EAB（T，Tn）查表，得Tz

真實溫度為：

式中，K為熱電偶修正系數(shù)，決定于熱電偶于熱電偶種類和被測溫度范圍。例如：實測EAB(T，Tn)=0.465mV，查分度表

Tz=75℃；查修正系數(shù)表，此時該熱電偶的K=0.82，

Tn=21℃，則實際溫度:T=75+0.82×21=92.2℃

這種修正方法工程上應(yīng)用較廣泛。3、調(diào)整儀表起始點法下頁上頁返回

在不需精確測量的前提下，且熱電偶冷端溫度較為穩(wěn)定，可將顯示儀表的機械零點先調(diào)整到t0℃(按溫度刻度)或者毫伏E(t0,0)(按毫伏刻度)，從而實現(xiàn)近似補償。該法常見于動圈式儀表中。指針被預(yù)調(diào)到冷端溫度(40C)圖8-17補償熱電偶原理圖4、熱電偶補償法反向串聯(lián)一支同型號熱電偶，即補償熱電偶，將其測量端恒定于0℃。下頁上頁返回5、電橋補償法圖8-18冷端溫度補償線路圖下頁上頁返回補償導(dǎo)線法下頁上頁返回

補償導(dǎo)線是在一定溫度范圍內(nèi)(包括常溫)具有與所匹配的熱電偶的熱電動勢的標(biāo)稱值相同的一對帶有絕緣層的導(dǎo)線。用它們連接熱電偶與測量裝置，從而可將熱電偶的參考端移到離被測介質(zhì)較遠且溫度比較穩(wěn)定的場合，以免參比端溫度受到被測介質(zhì)的熱干擾。t0’變化頻繁t0較為穩(wěn)定補償導(dǎo)線類型(1)按結(jié)構(gòu)可分為普通型和帶屏蔽層型；(2)按補償原理分為補償型及延伸型兩種；(3)按使用溫度可分為一般用(0～100℃)和耐熱用(0～150℃)；(4)按精度可分為普通級與精密級。補償導(dǎo)線作用(1)用廉價的補償導(dǎo)線作為貴金屬熱電偶的延長導(dǎo)線，以節(jié)約貴金屬熱電偶；(2)將熱電偶的參比端遷移至離被側(cè)對象較遠且環(huán)境溫度較恒定的地方，有利于參考端溫度的修正和測量誤差的減少；(3)用粗直徑和導(dǎo)電系數(shù)大的補償導(dǎo)線作為熱電偶的延長線，可減小熱電偶回路電阻，以利于動圈式儀表的正常工作。下頁上頁返回補償導(dǎo)線的使用(1)各種補償導(dǎo)線只能與相應(yīng)型號的熱電偶用；(2)使用時必須各級相連，切勿將其極性接反；(3)熱電偶和補償導(dǎo)線連接點的溫度不能超過規(guī)定的使用溫度范圍，規(guī)定為0～100℃及0～150℃兩種。下頁上頁返回8.3熱敏電阻熱敏電阻是用一種半導(dǎo)體材料制成的敏感元件，其特點是電阻隨溫度變化而顯著變化，能直接將溫