熱電式傳感器(講-簡(jiǎn)版)

1、 熱電偶熱電偶 熱電偶是將溫度量轉(zhuǎn)換為電勢(shì)大小的熱電式傳感器。熱電偶是將溫度量轉(zhuǎn)換為電勢(shì)大小的熱電式傳感器。自自19世紀(jì)發(fā)現(xiàn)熱電效應(yīng)以來(lái)世紀(jì)發(fā)現(xiàn)熱電效應(yīng)以來(lái),熱電偶被越來(lái)越廣泛地用來(lái)（工業(yè)）測(cè)量熱電偶被越來(lái)越廣泛地用來(lái)（工業(yè)）測(cè)量100 1300范圍內(nèi)范圍內(nèi)的溫度，根據(jù)需要還可以用來(lái)測(cè)量更高或更低的溫度。的溫度，根據(jù)需要還可以用來(lái)測(cè)量更高或更低的溫度。 具有的優(yōu)點(diǎn)具有的優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單使用方便使用方便精度高精度高熱慣性小熱慣性小可測(cè)局部溫度可測(cè)局部溫度便于遠(yuǎn)距離傳送與集中校測(cè)便于遠(yuǎn)距離傳送與集中校測(cè)自動(dòng)記錄等自動(dòng)記錄等一、熱電效應(yīng)一、熱電效應(yīng)熱電偶的基本原理熱電偶的基本原理兩種不同類型金屬

2、（絲）的兩端分別連接在一起，組成一閉合回路，兩種不同類型金屬（絲）的兩端分別連接在一起，組成一閉合回路，當(dāng)兩種不同類型金屬接觸處的溫度不同時(shí)，回路中就要產(chǎn)生熱電勢(shì)，當(dāng)兩種不同類型金屬接觸處的溫度不同時(shí)，回路中就要產(chǎn)生熱電勢(shì)， 此現(xiàn)象是此現(xiàn)象是1823年塞貝克（年塞貝克（T.J.Seebeck）用銅和銻做實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)的，）用銅和銻做實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)的，稱為塞貝克電勢(shì)。這個(gè)物理現(xiàn)象稱為金屬絲的熱電效應(yīng)。稱為塞貝克電勢(shì)。這個(gè)物理現(xiàn)象稱為金屬絲的熱電效應(yīng)。熱電效應(yīng)原理圖如下熱電效應(yīng)原理圖如下把兩種不同導(dǎo)體材料把兩種不同導(dǎo)體材料 A、B 連接成閉合回路，這種組合稱為熱電偶。連接成閉合回路，這種組合稱為熱電偶。T

3、T0BA熱電效應(yīng)原理圖熱電效應(yīng)原理圖工作端熱端自由端冷端將兩個(gè)接點(diǎn)置于溫度為將兩個(gè)接點(diǎn)置于溫度為 T 和和 T0（設(shè)（設(shè)TT0），），T 稱為熱端（工作端）稱為熱端（工作端）T0 稱為冷端（自由端）稱為冷端（自由端）在該回路會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)在該回路會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)（熱電勢(shì)），（熱電勢(shì)），用用 EAB(T,T0) 表示。表示。溫差電勢(shì)溫差電勢(shì)00(,)ATTeT TdT單一導(dǎo)體中，如果兩端溫度不同，在兩端間會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)，即單一單一導(dǎo)體中，如果兩端溫度不同，在兩端間會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)，即單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)。導(dǎo)體的溫差電勢(shì)。這是由于導(dǎo)體內(nèi)自由電子在高溫端具有較大的這是由于導(dǎo)體內(nèi)自由電子在高溫端具有較大的動(dòng)能動(dòng)能，因而

4、向低溫，因而向低溫端擴(kuò)散（運(yùn)動(dòng)），結(jié)果高溫端中的原子因失去電子而帶正電荷，端擴(kuò)散（運(yùn)動(dòng)），結(jié)果高溫端中的原子因失去電子而帶正電荷，低溫端中的原子因得到電子而帶負(fù)電荷，從而形成一個(gè)靜電場(chǎng)；低溫端中的原子因得到電子而帶負(fù)電荷，從而形成一個(gè)靜電場(chǎng)；這個(gè)電場(chǎng)阻礙了電子的繼續(xù)擴(kuò)散，當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，在導(dǎo)體兩這個(gè)電場(chǎng)阻礙了電子的繼續(xù)擴(kuò)散，當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，在導(dǎo)體兩端形成一個(gè)穩(wěn)定的電位差，端形成一個(gè)穩(wěn)定的電位差，即溫差電勢(shì)，其可表示為：即溫差電勢(shì)，其可表示為：式中：eA(T，T0) 導(dǎo)體A兩端溫度為T(mén)、T0時(shí)的溫差電勢(shì) 湯姆遜系數(shù)，表示單一導(dǎo)體兩端溫度差為 1時(shí)產(chǎn)生的溫差電勢(shì)，其值與材料性質(zhì)和 兩端溫度有關(guān)

5、+-AeA（T,T0）溫差電勢(shì)溫差電勢(shì)TT0在金屬導(dǎo)體中自由電子數(shù)目很多，但溫度不能顯著地改變導(dǎo)體中在金屬導(dǎo)體中自由電子數(shù)目很多，但溫度不能顯著地改變導(dǎo)體中自由電子的動(dòng)能，所以，在同一種金屬導(dǎo)體內(nèi)，溫差電勢(shì)極小，自由電子的動(dòng)能，所以，在同一種金屬導(dǎo)體內(nèi)，溫差電勢(shì)極小，可以忽略。可以忽略。000(,)()()()()ABABABABBAET TeTeTeTeT因此，在一個(gè)熱電偶回路中因此，在一個(gè)熱電偶回路中起決定作用起決定作用的是兩個(gè)接點(diǎn)處材料的性的是兩個(gè)接點(diǎn)處材料的性質(zhì)和該點(diǎn)所處溫度有關(guān)的質(zhì)和該點(diǎn)所處溫度有關(guān)的接觸電勢(shì)接觸電勢(shì)。故上式可以近似為：。故上式可以近似為：eAB(T)eAB(T0)T

6、T0熱電偶回路接觸電勢(shì)熱電偶回路接觸電勢(shì)000(,)()()()()A BA BA BA BB AET TeTeTeTeT在工程中，常用上式表示熱電偶回路的總熱電勢(shì)。在工程中，常用上式表示熱電偶回路的總熱電勢(shì)。從上式可以看出，回路的總電勢(shì)是隨從上式可以看出，回路的總電勢(shì)是隨T和和T0而變化的，而變化的，即總電勢(shì)為即總電勢(shì)為T(mén)和和T0的函數(shù)，這在實(shí)際使用中不方便。的函數(shù)，這在實(shí)際使用中不方便。為此，在使用和標(biāo)定熱電勢(shì)時(shí)，使為此，在使用和標(biāo)定熱電勢(shì)時(shí)，使T0為常數(shù)，即為常數(shù)，即:eAB(T0) = f(T0) = C(常數(shù))則上式可寫(xiě)成則上式可寫(xiě)成EAB(T,T0) = eAB(T)-f(T0)

7、= f(T)-CeAB(T)eAB(T0)TT0熱電偶回路接觸電勢(shì)熱電偶回路接觸電勢(shì)EAB(T,T0) =eAB(T)-f(T0) = f(T) -C上式表明上式表明當(dāng)熱電偶回路的一個(gè)端點(diǎn)（冷端）保持溫度當(dāng)熱電偶回路的一個(gè)端點(diǎn)（冷端）保持溫度T0不變，不變，則熱電勢(shì)則熱電勢(shì)EAB（T,T0）只隨另一個(gè)端點(diǎn)（熱端）的溫度）只隨另一個(gè)端點(diǎn)（熱端）的溫度T變化而變化而變化，回路總電勢(shì)是（熱端）溫度變化，回路總電勢(shì)是（熱端）溫度T的單值函數(shù)；的單值函數(shù)；兩個(gè)端點(diǎn)溫差（兩個(gè)端點(diǎn)溫差（T-T0）越大，回路總電勢(shì)）越大，回路總電勢(shì)EAB（T,T0）也越大；）也越大；這給工程使用帶來(lái)方便。這給工程使用帶來(lái)方便

8、。eAB(T)eAB(T0)TT0熱電偶回路接觸電勢(shì)熱電偶回路接觸電勢(shì)常用熱電偶常用熱電偶目前，常用熱電材料分貴金屬和普通金屬兩大類目前，常用熱電材料分貴金屬和普通金屬兩大類我國(guó)使用的熱電偶有以下幾種我國(guó)使用的熱電偶有以下幾種鉑銠鉑銠-鉑鉑 熱電偶熱電偶鎳鉻鎳鉻-鎳硅鎳硅 熱電偶熱電偶分度號(hào)為分度號(hào)為 S 測(cè)溫范圍：測(cè)溫范圍：0-1300 分度號(hào)為分度號(hào)為 K 測(cè)溫范圍：測(cè)溫范圍：0-1000 鎳鉻鎳鉻-考銅考銅 熱電偶熱電偶分度號(hào)為分度號(hào)為 E 測(cè)溫范圍：測(cè)溫范圍：0-600 分度號(hào)為分度號(hào)為 B 測(cè)溫范圍：測(cè)溫范圍：0-1800 分度號(hào)為分度號(hào)為 T 測(cè)溫范圍：測(cè)溫范圍：0-1000 鉑銠

9、鉑銠30-鉑銠鉑銠6 熱電偶熱電偶銅銅-康銅康銅 熱電偶熱電偶 熱電阻熱電阻 Resistance一、常用熱電阻一、常用熱電阻熱電阻是利用導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的特性，對(duì)和溫度有關(guān)的參熱電阻是利用導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的特性，對(duì)和溫度有關(guān)的參數(shù)進(jìn)行測(cè)量的元件。數(shù)進(jìn)行測(cè)量的元件。絕大多數(shù)金屬具有正的電阻溫度系數(shù)，利用這一特性制成溫度傳絕大多數(shù)金屬具有正的電阻溫度系數(shù)，利用這一特性制成溫度傳感器，稱為熱電阻。感器，稱為熱電阻。（1）鉑電阻鉑電阻鉑電阻的溫度特性鉑電阻的溫度特性Rt=R0(1+At+Bt2+Ct3)式中：Rt 溫度為t時(shí)鉑電阻的電阻值（）R0 溫度為0時(shí)鉑電阻的電阻值（）A 常數(shù)，3.9

10、684710-3/B 常數(shù)，-5.84710-7/C 常數(shù)，-4.2210-12/ t 測(cè)量溫度 鉑電阻的分度號(hào)：鉑電阻的分度號(hào)：Pt10 測(cè)溫范圍：測(cè)溫范圍：0-850 Pt100 測(cè)溫范圍：測(cè)溫范圍：-200-850（2）銅電阻銅電阻銅電阻的溫度特性銅電阻的溫度特性Rt = R0（1+t）式中：Rt 溫度為t時(shí)銅電阻的電阻值（）R0 溫度為0時(shí)銅電阻的電阻值（） 常數(shù)，4.2889910-3/ t 測(cè)量溫度 銅電阻的分度號(hào)：銅電阻的分度號(hào)：Cu50 測(cè)溫范圍：測(cè)溫范圍：-50-150Cu100 測(cè)溫范圍：測(cè)溫范圍：-50-150傳感器的防爆傳感器的防爆在石油、化工、冶金等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，有爆炸性、可燃性氣體、在石油、化工、冶金等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，有爆炸性、可燃性氣體、液體、粉塵存在，所以，要求傳感器具有防爆功能。液體、粉塵存在，所以，要求傳感器具有防爆功能。如何防爆如何防爆具有防爆的意識(shí)具有防爆的意識(shí)掌握防爆的基本知識(shí)掌握防爆的基本知識(shí)清楚防爆的原理、方法、分類與標(biāo)準(zhǔn)清楚防爆的原理、方法、分類與標(biāo)準(zhǔn)爆炸是在同時(shí)滿足三個(gè)條件下發(fā)生的：爆炸是在同時(shí)滿足三個(gè)條件下發(fā)生的：現(xiàn)場(chǎng)存