文档介绍：第十章热电式传感器
温度是表征物体冷热程度的物理量。它反映物体内部各分子运动平均动能的大小。
温度可以利用物体的某些物理性质(电阻、电势、等)随着温度变化的特征进行测量。
测量方法按作用原理分接触式和非接触式。接触式传感器接触温度场,二者进行热交换。(热电偶、热电阻温度传感器)。
测温范围在-250——1800度,适用于远距离多点测量。
非接触式测温方法是应用物体的热辐射能量随温度的变化而变化的原理。物体辐射能量的大小与温度有关, 当选择合适的接收检测装置时, 便可测得被测对象发出的热辐射能量并且转换成可测量和显示的各种信号, 实现温度的测量。这类测温方法的温度传感器主要有光电高温传感器、红外辐射温度传感器、光纤高温传感器等。测量范围600—6000度。
第一节热电偶传感器
热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器。它构造简单, 使用方便, 具有较高的准确度、稳定性及复现性, 温度测量范围宽, 在温度测量中占有重要的地位。
一、热电偶工作原理
两种不同材料的导体或半导体连成闭合回路,两个接点分别置于温度为T和T0的热源中,该回路内会产生热电势。热电势的大小反映两个接点温度差,保持T0不变,热电势随着温度T变化而变化。测得热电势的值,即可知道温度T的大小。
两种不同的导体(或半导体)组成一个闭合回路,在闭合回路中,A、B导体称为热电极。T端结点称为工作端或热端;T0端结点称为冷端或自由端。
产生的热电势由两部分组成: 温差电势和接触电势
(1)接触电势
产生原因:由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。两种导体接触时,自由电子由密度大的导体向密度小的导体扩散, (NA>NB,A到B)在接触处失去电子的一侧带正电, 得到电子的一侧带负电, 形成稳定的接触电势。接触电势的数值取决于两种不同导体的性质和接触点的温度。
式中: K——波尔兹曼常数;
e——单位电荷电量;
NAT、NBT和NAT0、NBT0——分别在温度为T和T0时, 导体A、B的自由电子密度。
两接点的接触电势和可表示为
(2)同一导体温差电势
同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势。
同一导体的两端温度不同时, 高温端的电子能量要比低温端的电子能量大, 因而从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多, 结果高温端因失去电子而带正电, 低温端因获得多余的电子而带负电, 形成一个静电场,该静电场阻止电子继续向低温端迁移,最后达到动态平衡。因此, 在导体两端便形成温差电势, 其大小由下面公式给出:
温差电动势:
热电偶回路中总的热电势应是接触电势与温差电势之和
EAB(T, T0)=eAB(T) -eAB(T0) +eB(T, T0) -eA(T, T0)
: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。
在总热电势中, 温差电势比接触电势小很多, 在精度要求不高的情况下, 热电偶的热电势可近似表示为:
EAB(T, T0) ≈eAB(T) -eAB(T0)
对于已选定的热电偶, 当参考端温度T0恒定时, eAB(T0) 为常数, 则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系, 即
EAB(T, T0) =EAB(T)-c=f(T)
实际应用中, 热电势与温度之间关系是通过热电偶分度表来确定的。分度表是在参考端温度为0℃时, 通过实验建立起来的热电势与工作端温度之间的数值对应关系。
热电偶回路的几点结论:
①如果构成热电偶的两个热电极为材料相同的均质导体,则无论两结点温度如何,热电偶回路内的总热电势为零。必须采用两种不同的材料作为热电极。
②如果热电偶两结点温度相等,热电偶回路内的总电势亦为零。
③热电偶AB的热电势与A、B材料的中间温度无关,只与结点温度有关。