热电偶温度传感器的设计

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1、基于热电偶的温度传感器—现代检测技术课程主要内容热电偶的基本原理；热电偶的种类；热电偶测温补偿方法；变送器的实现；1.热电偶的基本原理工作原理：热电势效应(赛贝克效应)两种不同材料的导体A与B，按图所示的组合在一起，如果两结点的温度不同，则在回路中就会有电势产生，其电势（电流）的大小与两导体的性质和结点的温度有关。这种现象称为热电势效应。热电势接触电势温差电势接触电势接触电势原理图式中:nA、nB——导体A、B的自由电子密度（nA＞nB）K——波尔兹曼常数；1.38×10-23J/Kq——电子电量AeA(T,To)ToTeA(T，T0)——导体A两端温度为T、T0时形成的温差

2、电动势；T，T0——高低端的绝对温度；σA——汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1℃时所产生的温差电动势，例如在0℃时，铜的σ=2μV/℃。温差电势温差电势原理图两种导体的接触电势（珀尔贴电势）A,B两金属在温度T时的接触电势eAB(T):eAB(T)=(KT/q)ln(nA/nB)式中:nA、nB——A、B的自由电子密度（nA＞nB）K——波尔兹曼常数；1.38×10-23J/Kq——电子电量总的接触电势为：eAB(T,T0）=[K(T-T0)/q]ln(nA/nB)两种导体的温差电势（汤姆逊效应）设导体A达到动态平衡时的温差电势为eA(T，T0），导体B的温差电势为eB

3、(T，T0）。由A，B两导体组成的闭合电路总温差电势：式中：σA、σB——导体A，B的汤姆逊系数热电偶总热电势1、同种导体构成的热电偶,即便TT0。闭合回路中也不会产生热电势。因此，作为热电偶，必须采用两种不同的导体作热极。2.热电偶所产生的热电势大小，只决定于热电极材料的成分和两结点温度，与热电极的长度，直径和接触面的形状、大小无关。当T=T0时，热电势为零。3.热电偶两电极材料成分确定后，热电势大小只由两结点温度决定，与电极中间温度无关。若自由端温度T0保持一定，热电偶的热电势仅是测量端温度T的单值函数。即：EAB(T，T0）=φ（T）结论:热电偶应用定律中间导体定律中

4、间温度定律标准导体（电极）定律TabT0ABTc在热电偶测温回路内，接入第三种导体时，只要第三种导体的两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响。中间导体定律应用：利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线和仪表，接入导线和仪表后不会影响回路中的热电势。若三个接点的温度均为T0，则回路的总热电势为EABC（T0）=EAB(T0)+EBC(T0)+ECA(T0)=0若A、B接点温度为T，其余接点温度为T0，且T>T0，则回路的总热电势为EABC（T，T0）=EAB(T)+EBC(T0)+ECA(T0)因为EAB(T0)=-[EBC(T0)+ECA(T0)]所以EABC（T，T0

5、）=EAB(T)-EAB(T0)中间导体定律测量仪表及引线作为第三种导体的热电偶回路中间温度定律eAB(T,T0)=eAB(T,Tc)+eAB(Tc,T0)在热电偶测温回路中，Tc为热电极上某一点的温度，热电偶AB在接点温度为T、T0时的热电势eAB(T,T0)等于热电偶AB在接点温度T、Tc和Tc、T0时的热电势eAB(T,Tc)和eAB(Tc,T0)的代数和，即中间温度定律中间温度定律的应用根据这个定律，可以连接与热电偶热电特性相近的导体A′和B′，将热电偶冷端延伸到温度恒定的地方，这就为热电偶回路中应用补偿导线提供了理论依据。该定律是参考端温度计算修正法的理论依据。在实

6、际热电偶测温回路中,利用热电偶这一性质,可对参考端温度不为0℃的热电势进行修正。标准导体（电极）定律标准导体定律的意义通常选用高纯铂丝作标准电极只要测得它与各种金属组成的热电偶的热电动势，则各种金属间相互组合成热电偶的热电动势就可根据标准电极定律计算出来。例子热端为100℃，冷端为0℃时，镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为2.95mV，而康铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为－4.0mV，则镍铬和康铜组成的热电偶所产生的热电动势应为：2.95－(－4.0)=6.95(mV)热电偶的分度表不同金属组成的热电偶，温度与热电动势之间有不同的函数关系，一般通过实验的方法来确定，并将不

7、同温度下测得的结果列成表格，编制出热电势与温度的对照表，即分度表。例子用镍铬-镍硅热电偶测量加热炉温度。已知冷端温度T0=30℃，测得热电势eAB（T，T0）为33.29mV,求加热炉温度。查镍铬-镍硅热电偶分度表得eAB（30，0）1.203mV。可得eAB（T，0）=eAB(T,T0)+eAB(T0,0)=33.29+1.203=34.493mV由镍铬-镍硅热电偶分度表得T=829.8℃。2.热电偶的种类按材料：廉金属贵金属难熔金属非金属按用途和结构：1.普通工业用：直形角形锥形2.专用：锴装（缆式