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：熱電效應掌握熱電偶的基本定律及應用均質導體定律中間導體定律中間溫度定律標準電極定律了解熱電偶的誤差及應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換為電量的變化，從而達到測量溫度的目的。將溫度變化轉換為電阻變化的稱為熱電阻傳感器；將溫度變化轉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）結構簡單,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，高溫熱電偶可測1800℃以上的溫度，低溫熱電偶可測-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.熱電效應及測溫原理*

熱電偶：利用導體或半導體材料的熱電效應將溫度的變化轉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論：當兩個結點溫度不相同時，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1821年，德國物理學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（稱為結點），發(fā)現(xiàn)放在回路中的電壓表發(fā)生偏轉（說明什么？），如果用兩盞酒精燈對兩個結點同時加熱，電壓表的偏轉角反而減?。ㄓ终f明什么？）。顯然，電壓表的偏轉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點的溫差有關。

*7第7頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日

熱電效應：指兩種不同導體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。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：閉合回路中的導體或半導體A、B，稱為熱電極；熱電偶：閉合回路中的導體或半導體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：兩導體的接觸電勢＋單一導體的溫差電勢；

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

——導體A、B的電子濃度；若，則，反之亦然。eAB(T)——導體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)-結論：接觸電勢的大小與溫度高低及導體中的電子密度有關，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，低溫端帶負電，形成靜電場，并阻礙電子擴散；當擴散達到動態(tài)平衡時，兩端產(chǎn)生一個相應的電位差，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*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，與材料性質和兩端溫度有關（）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*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：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——導體A在結點溫度為T和T0時的電子密度；NBT、NBT0——導體B在結點溫度為T和T0時的電子密度；σA

、σB——導體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體，則NA=NB,

σA=σB，此時無論溫差多大，都有EAB(T,T0)=0。②兩種導體，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?。海?）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。*16第16頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日=eAB(T)-eAB(T0)④由于導體湯姆遜效應引起的電勢差(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導體材料確定后，熱電勢的大小只與熱電偶兩端的溫度有關。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，而且是T的單值函數(shù)。——熱電偶測溫的原理。所以，在工程應用中，常用實驗的方法得出溫度與熱電勢的關系，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）均質導體定律

由一種導體組成的閉合回路，不論導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）中間導體定律

在熱電偶回路中接入第三種材料的導體時，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

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

T3

AAB

EAB（T1,T3）=EAB（T1,T2）+EAB（T2,T3）結論１：根據(jù)該定律，熱電偶本身的導線如果不夠長，可以用同樣性質（同樣熱電特性）的補償導線加以延長。延長后的熱電動勢與延長線的中間溫度無關，只與延長后的兩端溫度有關。*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T2=0℃時，則：EAB（T1,T3）=EAB（T1,0）+EAB（0,T3）

=EAB（T1,0）-EAB（T3,0）

=EAB（T1）-EAB（T3）

結論２：中間溫度定律為制定熱電偶的分度表奠定了理論基礎。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系為：（４）標準電極定律(參考電極定律)設結點溫度為T、T0，則用導體A、B組成的熱電偶產(chǎn)生的熱電勢等于導體A、C組成的熱電偶和導體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；

應用：簡化熱電偶的選配工作，即只要獲得熱電偶和標準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(標準電極定律)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