热电式传感器(河南理工大学).ppt

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1、第二节热电偶温度传感器热电偶温度传感器是基于热电效应原理而工作的一种传感器。主要特点：（1）结构简单，使用方便；（2）发电型传感器，使用时不需加电源；（3）测温范围宽，测量温度高，可测1800°C以上的温度；（4）测量精度高，便于远距离测量。1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）一、热电偶的工作原理左端称为：测量端（工作端、热端）热电极B热电势AB2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

2、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。3两种不同金属导体两端分别接在一起构成闭合回路，当两个结点温度不等时，回路里会产生热电势，形成电流，这种现象称为热电效应。利用这种效应，就可实现对温度的测量。热电效应4两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，在金属A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象。设nA＞nB，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，从而产生热

3、电势（称为接触电势）。自由电子＋ABeAB（T）T1.接触电势5eAB(T)——导体A、B结点在温度T时形成的接触电动势；e——电子电荷，e=1.6×10-19C；k——波尔兹曼常数，k=1.38×10-23J/K；NA、NB——导体A、B的电子密度。接触电势的大小与温度T及导体中的电子密度有关。6对于任何一种金属，当其两端温度不同时，两端的自由电子浓度也不同，温度高的一端浓度大，具有较大的动能；温度低的一端浓度小，动能也小。因此高温端的自由电子要向低温端扩散，高温端因失去电子而带正电，低温端得到电子而带负电，形成温差电动势，又称汤姆森电动势。2.温差电势7AeA(T,To)

4、ToTeA(T，T0)——导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势；T，T0——高、低端的绝对温度；σA——汤姆逊系数，与材料有关。温差电势原理图8由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0,如果T＞T0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3.回路总电势9一般情况：温差电势远小于接触电势，通常可把温差电势忽略不计。则有在标定热电偶时，一般使T0为常数,所以EAB(T,T0)=f(T)+C101、热电偶回路的热电动势只与组成热电偶的材料及两端接点的温度有关；与热电偶的长度、粗细、

5、形状无关。二.热电偶基本性质2、只有用不同性质的材料才能组合成热电偶，相同材料不会产生热电动势。因为当A、B两种导体是同一种材料时，ln（NA/NB）=0，所以EAB（T，T0）=0。3、只有当热电偶两端温度不同时，不同材料组成的热电偶才能有热电动势产生；当热电偶两端温度相同时，不同材料组成的热电偶也不产生热电动势，即EAB（T，T）=0。114、导体材料确定后，热电动势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使eAB（T0）=常数，则回路热电动势EAB（T，T0）就只与温度T有关，而且是T的单值函数，这就是利用热电偶测温的基本原理。即：121、中间导体定律在热电偶回路中接入第三

6、种导体C，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变。T0T0BTAC右图回路中的总电动势为：三、热电偶基本定律即：EABC(T,T0)=EAB(T,T0)13如果回路中三个接点的温度都相同，即T＝T0，则回路总电动势必为零，即：即则14T1CT0T1TBA如果按右图接入第三种导体C，则回路中的总电动势为：而所以意义：可用测量仪表直接测量热电势152、参考电极定律如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就可知。T0TEAB(T,T0)ABT0TEAC(T,T0)ACT0TEBC(T,T0)BC即：

7、EAB(T,T0)=EAC(T,T0)-EBC(T,T0)16解：由标准电极定律，镍铬合金（A)和铐铜(B)热电偶的热电动势应等于镍铬合金(A)与纯铂（C)热电偶和考铜(B)与纯铂(C)热电偶的热电动势的差，即例.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，而铐铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为-4.0mV，求镍铬和铐铜组合而成的热电偶所产生的热电动势。=2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV17BBAT2T1T3AAB3、中间温度定律热电偶在两接点温度分别为T