第2章 热电传感器.pptVIP

第2章 热电传感器 2.1 热电势式测温传感器 2.1.1 工作原理 两种不同的导体两端相互紧密地连接在一起,组成一个闭合回路,如图2.1所示。当两接点温度不等（T＞T0）时,回路中就会产生电动势,从而形成热电流。这一现象称为热电效应。回路中产生的电动势称为热电势。 通常,把上述两种不同导体的组合称为热电偶,称A、B两导体为热电极。两个接点,一个为工作端或热端（T），测量时将它置于被测温度场中；另一个叫自由端或冷端（T0）,一般要求恒定在某一温度。 在图2.1所示的热电偶回路中,所产生的热电势由两部分组成：接触电势和温差电势。 接触电势的成因,是研究热电偶的一个重点。 现在分析接触电势产生的原因。我们知道,不同导体的自由电子密度是不同的。当两种不同的导体A、B紧密连接在一起时,在A、B的接触处就会产生电子的扩散。设导体A的自由电子密度大于导体B的自由电子密度（NA＞NB）,那么,在单位时间内,由导体A扩散到导体B的电子数要比导体B扩散到导体A的电子数多。这时,导体A因失去电子而带正电,导体B因得到电子而带负电。 于是,在接触表面上便形成了一个电场,在A、B之间形成一个电位差,即电动势（见图2.2）。 这个电动势将阻碍电子由导体A向导体B的进一步扩散。当电子的扩散作用与阻碍扩散的作用相等时,接触处的自由电子的扩散便达到动态平衡。这种由于两种导体自由电子密度不同,而在其接触处形成的电动势,称为接触电势。用符号eAB (T)和eAB (T0)表示导体A和导体B的两处接触点在温度T和T0时形成的电位差。根据物理学上的推导,有 式中：k0——波兹曼常数, k0 =1.38×10-23J／K=8.62×10-5eV／K; T, T0——接触处的绝对温度（K）； NA,NB——材料A、B的自由电子密度； e ——电子电荷量,e=1.602×10-19C。 热电偶热电势的另一个组成部分是温差电势。温差电势是在同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势。 实验与理论均已证明,热电偶回路总电势主要是由接触电势引起的。 在图2.1中,若A为正极,B为负极,则所产生的总电势为 EAB（T,T0）=eAB (T)-eAB (T0) (2.3) 通过热电偶理论可以得到如下几点结论： ① 若热电偶两电极材料相同,则无论两接点温度如何,总热电势为零。 ② 若热电偶两接点温度相同,尽管A、B材料不同,回路中总电势等于零。 ③ 热电偶产生的热电势只与材料和接点温度有关,与热电极的尺寸、形状等无关。同样材料的热电极,其温度和电势的关系是一样的。因此,热电极材料相同的热电偶可以互换。 ④ 热电偶A、B在接点温度为T1、T3时的热电势,等于此热电偶在接点温度为T1、T2与T2、T3两个不同状态下的热电势之和,即  EAB（T1,T3）=EAB (T1, T2)+EAB (T2, T3) =eAB（T1）-eAB（T2）+eAB（ T2 ）- eAB（ T3 ） = eAB （T1）- eAB （ T3 ） （2.4） ⑤ 当热电极A、B选定后,热电势EAB（T,T0）是两接点温度T和T0的函数差,即  EAB（T,T0）=f(T)-f(T0) (2.5) 如果使冷端温度T0保持不变,则f(T0)=C(常数)。此时,EAB（T,T0）就成为T的单值函数,即 EAB（ T,T0 ）= f(T) -C=φ(T) （2.6） 2.1.2 热电偶中引入第三导体 在A、B材料组成的热电偶回路中接入第三导体C,只要引入的第三导体两端温度相同,则此导体的引入不会改变总电势EAB（T,T0）的大小。在实际应用中,热电偶回路中需接入测量仪表,相当于在热电偶回路中接入第三导体,如图2.3所示。 在图2.3(a)中,2、3两点温度相同,回路中总电势  EABC（T,T0）=eAB（T）+eBC（T0）+eCA（T0） (2.7) 当回路中各接点温度相同时,总电势为零,即  EABC（T, T0 ） =eAB（T0）+eBC（T0 ）+eCA（ T0 ）=0 eBC（T0）+eCA（ T0 ）=-eAB（ T0 ）（2.8） 将式（2.8）代入式（2.7）得  EABC (T, T0) =eAB (T)-eAB (T0)=EAB (T, T0) (2.9) 同理可证图2.3(b)的情况