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第6章 热电偶传感器6.1热电偶传感器的工作原理 一．热电效应二. 热电偶测温原理热电偶回路的主要性质 6.2 热电偶的种类及结构 6.3 热电偶自由端温度的补偿6.4、热电偶的应用 1、了解热电势效应，了解热电偶的结构及种类2、掌握热电偶回路的主要性质3、掌握热电偶自由端温度补偿的常用方法4、熟悉热电偶的应用 难点：热电偶自由端温度补偿的常用方法； 6.1热电偶的工作原理 是工业中使用最为普遍的接触式测温装置。这是因为热电偶具有性能稳定、测温范围大、信号可以远距离传输等特点，并且结构简单、使用方便。热电偶能够将热能直接转换为电信号，并且输出直流电压信号，使得显示、记录和传输都很容易。.热电效应 二. 热电偶测温原理 热电偶的测温原理是基于热电效应。将两种不同材料的导体组成一个闭合回路，如图4.87 所示。当两个接合点温度T和T0不同时、则在该回路中就会产生电动势、这种现象称为热电效应，相应的电动势称为热电势。这两种不同材料的导体的组合就称为热电偶。导体A、B 称为热电极。两个接点中，一个称为热端，也称为测量端或工作端，测温时它被置于被测介质(温度场)中；另一个接点称为冷端，又称参考端或自由端，它通过导线与显示仪表或测量电路相连，如图4.88所示。 1. 导体的接触电动势、温差电动势和热电动势 上述回路中存在的热电动势EAB（T，T0）接触电势接触电势接触电势是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，在接触处失去电子的一侧带正电，得到电子的一侧带负电，扩散达到动平衡时，在接触面的两侧就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。两接点的接触电势eAB(T)和eAB(T0)可表示为, 大小与金属材料有关，而与热电极的几何尺寸无关。 式中k—玻耳兹曼常数，k＝1.38×10-23 J/K； e—单位电荷电量，e=1.60×10-19C； A、B—A、B两种材料的电子度。 TT0——接触处的绝对温度温差电势是同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。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，因而从高温端移动到低温端的电子数比从低温端移动到高温端的要多，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。因此，在导体两端便形成温差电势，其大小为。 大小与AB材料的性质有关，材料两端温差有关，与热电极的几何尺寸无关。 式中，NAt和NBt 分别为A导体和B导体的电子密度，是温度的函数。 3) 热电动势 在图4.87 所示的热电偶回路中AnB，TT0 ，产生的总热电势为 在总热电势中，温差电势比接触电势小很多，可忽略不计，则热电偶的热电势可表示为： 对于已选定的热电偶，当参考端温度T0恒定时，eAB(T0)=C为常数，则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，即 这一关系式，在实际测量中很有用即只要测出eAB(T，T0)的大小，就能得到被测温度T，这就是利用热电偶测温的原理。2. 热电偶测温线路 热电偶产生的热电势通常在毫伏级范围。测温时，它可以直接与显示仪表(如动圈式毫伏表、电子电位差计、数字表等)配套使用，也可与温度变送器配套，转换成标准电流信号，图4.96所示为热电偶典型测温线路。 (2)多只热电偶连接使用 在特殊情况下，热电偶可以串联或并联使用，但只能是同一分度号的热电偶，且冷端应在同一温度下。为了获得较大的热电势输出和提高灵敏度或测量多点温度之和，可以采用热电偶正向串联；采用热电偶反向串联可以测量两点间的温差；利用热电偶并联可以测量多点平均温度。图4.97 所示为热电偶串、并联测温的线路。 三．热电偶的基本定律均质导体定律 由两种均质导体组成的热电偶，其热电动势的大小只与两材料及两接点温度有关，与热电偶的尺寸大小、形状及沿电极各处的温度分布无关。即如材料不均匀，当导体上存在温度梯度时，将会有附加电动势产生。这条定理说明，热电偶必须由两种不同性质的均质材料构成。 中间温度定律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AB(t，t0)等于热电偶AB在接点温度为t、tc和tc、t0时的热电势AB(t，t)和AB(tc，t0)的代数和，如图4.90所示，即 （在热电偶回路中，两接点温度为T、T0时的热电动势，等于该热电偶在接点温度为T、Ta和Ta、T0时热电动势的代数和） 该定律是参考端温度计算修正法的理论依据，在实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。另外根据这个定律，可以连接与热电偶热电特性相近的导体A′和B′，如图4.90 所示，将热电偶冷端延伸到温度恒定的地方，这也为热电偶回路中