熱電式檢測元件

熱電式檢測元件1第1頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日基本要求掌握熱電式檢測元件的基本工作原理：熱電效應(yīng)掌握熱電偶的基本定律及應(yīng)用均質(zhì)導(dǎo)體定律中間導(dǎo)體定律中間溫度定律標(biāo)準(zhǔn)電極定律了解熱電偶的誤差及應(yīng)用了解晶體管溫度檢測元件*2第2頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日

熱電式檢測元件是利用敏感元件將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量的變化，從而達到測量溫度的目的。將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的稱為熱電阻傳感器；將溫度變化轉(zhuǎn)換為熱電勢變化的稱為熱電偶傳感器。

熱電式檢測元件概述*3第3頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日熱電偶的主要優(yōu)點有:（1）結(jié)構(gòu)簡單,易于制造,使用方便,熱電偶的電極不受大小和形狀的限制,可按照需要進行配制。（2）熱電偶本身屬于發(fā)電型傳感器，因此測量時可以不要外加電源。（3）測量范圍廣，高溫?zé)犭娕伎蓽y1800℃以上的溫度，低溫?zé)犭娕伎蓽y-269℃的溫度。（4）測量精度高，便于遠距離測量、自動測量及多點測量。*4第4頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日熱電偶原理圖TT0AB熱端冷端2.5.1熱電偶檢測元件1.熱電效應(yīng)及測溫原理*

熱電偶：利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料的熱電效應(yīng)將溫度的變化轉(zhuǎn)換為電動勢變化的元件。5第5頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日工作原理演示結(jié)論：當(dāng)兩個結(jié)點溫度不相同時，回路中將產(chǎn)生電動勢。

熱電極A右端稱為：自由端（參考端、冷端）

左端稱為：測量端（工作端、熱端）

熱電極B熱電勢AB*6第6頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日從實驗到理論：熱電效應(yīng)1821年，德國物理學(xué)家賽貝克用兩種不同金屬組成閉合回路，并用酒精燈加熱其中一個接觸點（稱為結(jié)點），發(fā)現(xiàn)放在回路中的電壓表發(fā)生偏轉(zhuǎn)（說明什么？），如果用兩盞酒精燈對兩個結(jié)點同時加熱，電壓表的偏轉(zhuǎn)角反而減?。ㄓ终f明什么？）。顯然，電壓表的偏轉(zhuǎn)說明回路中有電動勢產(chǎn)生并有電流在回路中流動，電流的強弱與兩個結(jié)點的溫差有關(guān)。

*7第7頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日

熱電效應(yīng)：指兩種不同導(dǎo)體A、B的兩端連接成如圖所示的閉合回路。若使連接點分別處于不同溫度場T0和T（設(shè)T>T0），則在回路中產(chǎn)生由于接點溫度差（T－T0）引起的熱電勢，也稱熱電動勢，同時在回路中有一定大小的電流。這種現(xiàn)象早在1821年首先由西拜克（See－back）發(fā)現(xiàn),所以又稱西拜克（塞貝克）效應(yīng)。熱電偶原理圖TT0AB熱端冷端*8第8頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日幾個概念：熱電極：閉合回路中的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A、B，稱為熱電極；熱電偶：閉合回路中的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A、B的組合，稱為熱電耦；工作端：兩個接點中溫度高的一端，稱為工作端或熱端；參比端：兩個接點中溫度低的一端，稱為參比端或冷端（或自由端）；熱電動勢：兩導(dǎo)體的接觸電勢＋單一導(dǎo)體的溫差電勢；

熱電偶原理圖TT0AB熱端冷端*9第9頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日

產(chǎn)生接觸電勢的主要原因：①不同材料具有不同的自由電子密度；②兩種不同材料的導(dǎo)體接觸時，接觸面會發(fā)生電子擴散；接觸電勢原理圖+ABTeAB(T)-（1）接觸電勢：當(dāng)擴散達到動態(tài)平衡時，在接觸區(qū)形成一個穩(wěn)定的電位，即接觸電勢。表示為：*10第10頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日（1）接觸電勢：k——波爾茲曼常數(shù):T——節(jié)點所處溫度；

e——電子電荷:

NA、NB

——導(dǎo)體A、B的電子濃度；若，則，反之亦然。eAB(T)——導(dǎo)體A、B接點在溫度T時形成的接觸電動勢；接觸電勢原理圖+ABTeAB(T)-結(jié)論：接觸電勢的大小與溫度高低及導(dǎo)體中的電子密度有關(guān)，電子濃度高的材料電位高。

*11第11頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日

產(chǎn)生溫差電勢的主要原因：①導(dǎo)體中自由電子在高溫端具有較大的動能；②電子從高溫端向低溫端擴散，因而高溫端帶正電，低溫端帶負(fù)電，形成靜電場，并阻礙電子擴散；當(dāng)擴散達到動態(tài)平衡時，兩端產(chǎn)生一個相應(yīng)的電位差，稱為溫差電勢，表示為：AeA(T,To)ToT溫差電勢原理圖（2）溫差電勢：湯姆遜效應(yīng)*12第12頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日（2）溫差電勢：其中：——湯姆遜系數(shù)，表示單一導(dǎo)體兩端單位溫度差為1℃時所產(chǎn)生的溫差電勢，與材料性質(zhì)和兩端溫度有關(guān)（）若，則，反之亦然。AeA(T,To)ToT溫差電勢原理圖

例如:銅的σ=2μV/℃。湯姆遜效應(yīng)*13第13頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日（3）接觸電勢與溫差電勢的性質(zhì)：用公式可以證明：

*14第14頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日由導(dǎo)體材料A、B組成的閉合回路，如果接點溫度T＞T0，NA>NB,則必存在著兩個接觸電勢和兩個溫差電勢，回路總電勢：T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB(4)回路總電勢NAT、NAT0——導(dǎo)體A在結(jié)點溫度為T和T0時的電子密度；NBT、NBT0——導(dǎo)體B在結(jié)點溫度為T和T0時的電子密度；σA

、σB——導(dǎo)體A和B的湯姆遜系數(shù)。*15第15頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日①若兩個電極是同種導(dǎo)體，則NA=NB,

σA=σB，此時無論溫差多大，都有EAB(T,T0)=0。②兩種導(dǎo)體，則NA

≠

NB,

σA

≠

σB

：

若T≠T0

，則EAB(T,T0)≠0

若T=T0

，則EAB(T,T0)=0③熱電偶回路中熱電動勢的大小：（1）取決于兩接點間的溫度差，（2）取決于兩種不同電極的材料。與電路形狀無關(guān)。*16第16頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日=eAB(T)-eAB(T0)④由于導(dǎo)體湯姆遜效應(yīng)引起的電勢差(溫差電動勢)極小，?？珊雎?。回路中起決定作用的是接觸電勢，因而上式可改寫為：*17第17頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日EAB(T,T0)=eAB(T)-eAB(T0)=eAB(T)-eAB(0)-[eAB(T0)-eAB(0)]=EAB(T，0)-EAB(T0，0)熱電偶的熱電勢，等于兩端溫度分別為T和零度以及T0和零度的熱電勢之差。*⑤導(dǎo)體材料確定后，熱電勢的大小只與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。如果使eAB(T0)=常數(shù)，則回路熱電勢EAB(T，T0)就只與溫度T有關(guān)，而且是T的單值函數(shù)?！獰犭娕紲y溫的原理。所以，在工程應(yīng)用中，常用實驗的方法得出溫度與熱電勢的關(guān)系，并做成表格，以供備查。18第18頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日2.熱電偶的基本定律（1）均質(zhì)導(dǎo)體定律

由一種導(dǎo)體組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的截面積和長度如何，也不論各處的溫度如何都不產(chǎn)生熱電勢。應(yīng)用：檢查兩種熱電極材料是否相同，或一種熱電極材料是否均勻。*19第19頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日（２）中間導(dǎo)體定律

在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體時，只要其兩端溫度相等，總回路電勢不變。*20第20頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日電位計接入熱電偶回路應(yīng)用：在熱電偶回路中接入電位計E，只要保證電位計與連接熱電偶處的接點溫度相等，就不會影響回路中原來的熱電勢，接入的方式見下圖所示。ET0T0TET0T1T1T*21第21頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日（3）中間溫度定律

不同的兩種導(dǎo)體材料組成熱電偶回路。(如圖所示)當(dāng)接點溫度分別為T1、T2時,其熱電勢為EAB(T1,T2)；當(dāng)接點溫度為T2、T3時，其熱電勢為EAB(T2,T3)；當(dāng)接點溫度為T1、T3時，其熱電勢為EAB(T1,T3)。則BBAT2T1

T3

AAB

EAB（T1,T3）=EAB（T1,T2）+EAB（T2,T3）結(jié)論１：根據(jù)該定律，熱電偶本身的導(dǎo)線如果不夠長，可以用同樣性質(zhì)（同樣熱電特性）的補償導(dǎo)線加以延長。延長后的熱電動勢與延長線的中間溫度無關(guān)，只與延長后的兩端溫度有關(guān)。*22第22頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日即得：

EAB（T1,T3）=EAB（T1,T2）+EAB（T2,T3）證明：

EAB（T1,T3）=EAB（T1,T2）+EAB（T2,T3）如當(dāng)T2=0℃時，則：EAB（T1,T3）=EAB（T1,0）+EAB（0,T3）

=EAB（T1,0）-EAB（T3,0）

=EAB（T1）-EAB（T3）

結(jié)論２：中間溫度定律為制定熱電偶的分度表奠定了理論基礎(chǔ)。從分度表查出參考端為零度時得熱電勢，即可求得參考端溫度不為零時的熱電勢。*23第23頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日例：用鎳鉻-鎳硅熱電偶測量熱處理爐爐溫。冷端溫度T0=30℃，此時測得熱電勢E(T,T0)＝39.17mV,則實際爐溫是多少？解：根據(jù)E(T,30)＝E(T,0)-E(30,0)E(T,0)＝E(T,30)＋E(30,0)

＝39.17mV＋1.2mV

＝40.37mV

再由40.37mV查分度表，得實際爐溫T＝977℃已知:E(30℃,0)＝1.2mV,E(977℃,0)＝40.37mV。*24第24頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日

EAB（T,T0）=EAC（T,T0）+ECB（T,T0）T0TEAB(T,T0)ABT0TEAC(T,T0)ACT0TECB(T,T0)CB如果任意兩種導(dǎo)體材料的熱電勢已知，且它們的冷端和熱端的溫度又分別相等，如圖所示，它們相互間熱電勢的關(guān)系為：（４）標(biāo)準(zhǔn)電極定律(參考電極定律)設(shè)結(jié)點溫度為T、T0，則用導(dǎo)體A、B組成的熱電偶產(chǎn)生的熱電勢等于導(dǎo)體A、C組成的熱電偶和導(dǎo)體C、B組成的熱電偶產(chǎn)生的熱電勢的代數(shù)和。*25第25頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日ATCTCBT0其中：C為參考電極；

應(yīng)用：簡化熱電偶的選配工作，即只要獲得熱電偶和標(biāo)準(zhǔn)鉑電極配對的熱電動勢，那么任意兩種熱電極配對時的熱電動勢都可由上式求得。

（４）參考電極定律(標(biāo)準(zhǔn)電極定律)證明：T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB*26第26頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日舉例：已知在某特定條件下，材料A與鉑配對的熱電動勢為13.967mV，材料B與鉑配對的熱電動勢為8.345mV。求出在此特定條件下材料A與材料B配對后的熱電動勢。解：根據(jù)參考電極定律，有依題意可知，EAC（T,T0）=13.967mV，ECB（T,T0）=-8.345mV則：EAB（T,T0）=13.967mV-8.345mV=5.622mV

EAB（T,T0）=EAC（T,T0）+ECB（T,T0）*27第27頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日例2.3

用鎳鉻-鎳硅熱電偶測爐溫。當(dāng)冷端溫度T0=30℃時，測得熱電勢為E(T,T0)=39.17mV，若被測溫度不變，而冷端溫度為-20℃，則該熱電偶測得的熱電勢為多少？（已知該熱電偶E（30,0）=1.2mV，E（-20,0）=-0.77mV，）解：根據(jù)中間溫度定律

E（T,T’0）=E（T,T0

）+E（T0,T’0

）

E（T,-20）=E（T,30

）+[E（30,0）-E（-20,0）]=39.17+1.2-(-0.77)=41.4mV

E（T,T’0）=E（T,T0

）+[E