温传感器的作用及分类

会计学1温传感器的作用及分类热力学温标国际实用温标摄氏温标华氏温标目前，国际上用得最多的温标有：1．热力学温标1848年威廉·汤姆首先提出以热力学第二定律为基础，建立温度仅与热量有关，而与物质无关的热力学温标。因为是开尔文总结出来的，故又称开尔文温标，用符号K表示。在国际单位制中，它是七个基本单位之一，名叫热力学温度。第2页/共93页1954年，国际计量会议选定水的三相点为273.16，并以它的1/273.16定为一度，这样热力学温标就完全确定了，即T=273.16(Q1/Q2)。注意：摄氏温度的分度值与开氏温度分度值相同，即温度间隔1K=1℃。T0是在MATCH_ word word文档格式规范word作业纸小票打印word模板word简历模板免费word简历 _1714094123892_0大气压下冰的融化温度，T0=273.15K。水的三相点温度比冰点高出0.01K。1K定义为水三相点热力学温度的1/273.16，水的三相点是指纯水在固态、液态及气态三相平衡时的温度，热力学温标规定三相点温度为273.16K，这是建立温标的惟一基准点。第3页/共93页热力学温标是不依赖任何具体测温物质及其测温属性的温标，当然是最理想的温标。但是，我们无法制造出可逆热机，因而无法测出可逆热机从高温热源吸收的热量与向低温热源放出热量之比。同时，摄氏温标与华氏温标的各种温度计，在玻璃管中根据不同的用途，装有不同的液体（如煤油、酒精或水银），由于液体膨胀与温度之间并不严格遵守线性关系，而且不同的液体和温度的非线性关系彼此也不一样，由于测温物质而影响温标的准确性，为此这些经验温标已在废弃之列。2．国际实用温标第4页/共93页为了解决国际上温度标准的实用问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，国际上协商决定，建立一种既能体现热力学温度（即能保证一定的准确度），又使用方便、容易实现的温标，即国际实用温标InternationalPracticalTemperatureScaleof1968(简称IPTS-68)，又称国际温标。它是一种国际间的 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 性温标，是世界上温度数值的统一标准。一切温度计的示值和温度测量的结果都应该表示成国际实用温标温度，它的温度数值可以表示成开尔文温度或摄氏温度的数值。第5页/共93页　　从国际温标的定义方法来看，它仍然是一种经验温标。但它是以热力学温度为标准而制定的，是热力学温度的一种近似，这是它与历史上各种经验温标的根本区别。国际实用温标的基本思想是：将温度范围分成几个区域，每个区域采用操作起来较为简便的温度计。但它们的刻度均以热力学温标逼近，即在不同的温区有不同的标准公式。这样，在温度计上的刻度不一定是均匀的，但测出的温度却尽可能接近热力学温度。协议性温标随科学技术水平的提高不断改进，以便缩小国际实用温标与热力学温标之间的差距。例如更精确地测定标准温度点的温度；修正内插公式；改进基准温度计等。第6页/共93页温标的要点是：（1）1968年国际实用温标规定热力学温度是基本温度，用T表示，其单位是开尔文，符号为K。目前，国际通用的国际实用温标是国际权度委员会根据第十三届国际权度委员会大会决议制定的。各国从1969年开始采用，我国从1973年起在全国范围内推行。（2）国际实用温标是以11个可复现的平衡态(定义固定点)的温度指定值，以及在这些固定点上分度的标准内插仪器作为基础的。固定点之间的温度,由内插公式确定。11个可以复现的固定点是一定种类的纯物质的某种相平衡点（包括不同物质的凝固点、沸点、三相点）。1968年国际实用温标（1975年修订版）所采用的定义固定点及其温度指定值列在附表中。第7页/共93页氢氧三相点沸点54.36190.188-218.798-182.962水三相点沸点273.16373.150.01100.0锌凝固点692.73419.58银凝固点1235.08961.93金凝固点1337.581064.43物质三相点平衡状态温度T68/KT68/℃13.817.04220.827.102-259.31-256.108-252.87-246.048沸点25/76atm沸点沸点国际实用温标（IPTS-68）的固定点第8页/共93页（3）将温度分为四个温度段，分别规定各温度段所使用的标准仪器：①低温铂电阻温度计（13.81K—273.15K）；②铂电阻温度计（273.15K—903.89K）；③铂铑-铂热电偶温度计（903.89K—1337.58K）；④光测温度计（1337.58K以上）。（4）国际实用开尔文温度与国际实用摄氏温度分别用符号T68和t68来区别（一般简写为T与t）。3．摄氏温标摄氏温度是工程上最通用的温度标尺。摄氏温标是在标准大气压(即101325Pa)下将水的沸点定为100度，水的结冰点定为零度，并将中间划分一百个等份，每一等份称为摄氏一度(摄氏度，℃)，一般用小写字母t表示。与热力学温标单位开尔文并用。第9页/共93页摄氏温标与国际实用温标温度之间的关系如下：4．华氏温标华氏温度是经验温标之一。在美国的日常生活中，多采用这种温标。它规定在标准大气压下冰的融点为32华氏度，水的沸点为212华氏度，中间等分为180份，每一等份称为华氏一度，符号用℉，它和摄氏温度的关系如下：T=t+273.15Kt=T-273.15℃m=1.8n+32℉n=5/9(m-32)℃m和n分别表示华氏和摄氏温度值。第10页/共93页二、温度传感器的特点与分类随物体的热膨胀相对变化而引起的体积变化；蒸气压的温度变化；电极的温度变化热电偶产生的电动势；光电效应热电效应介电常数、导磁率的温度变化；物质的变色、融解；强性振动温度变化；热放射；热噪声。1 温度传感器的物理原理(11)第11页/共93页特性与温度之间的关系要适中，并容易检测和处理，且随温度呈线性变化；除温度以外，特性对其它物理量的灵敏度要低；特性随时间变化要小；重复性好，没有滞后和老化；灵敏度高，坚固耐用，体积小，对检测对象的影响要小；机械性能好，耐化学腐蚀，耐热性能好；能大批量生产，价格便宜；无危险性，无公害等。2.温度传感器应满足的条件第12页/共93页3.温度传感器的种类及特点接触式温度传感器非接触式温度传感器接触式温度传感器的特点：（1）基于热平衡原理；测温元件必须与被测介质接触，在足够长的时间里，使两者处于同一热平衡状态，具有同一温度。（2）优点：简单、可靠、测量精度高，且技术成熟，种类多，选择余地大。（3）缺点：A.由于测温元件需要与被测介质接触后进行充分的热交换才能达到热平衡，因而产生滞后现象。B.受到耐高温材料的限制，接触式测温不能应用于很高温度的测量。第13页/共93页非接触式温度传感器的特点：（1）基于热辐射原理：是利用被测物体热辐射而发出红外线，从而测量物体的温度。（2）优点：A.由于测温元件不与被测介质接触，而是通过接收被测物体发出的辐射热来判断温度，可测量极高温。B.测温速度也较快；C.可对运动体进行测量。（3）缺点：由于它受被测对象到仪表间的距离、烟尘和水气等其它介质的影响，一般测温误差大。第14页/共93页物理现象 体积热膨胀 电阻变化温差电现象导磁率变化电容变化压电效应超声波传播速度变化物质颜色P–N结电动势晶体管特性变化可控硅动作特性变化热、光辐射种类铂测温电阻、热敏电阻热电偶BaSrTiO3陶瓷石英晶体振动器超声波温度计示温涂料液晶半导体二极管晶体管半导体集成电路温度传感器可控硅辐射温度传感器光学高温计1.气体温度计2.玻璃制水银温度计3.玻璃制有机液体温度计4.双金属温度计5.液体压力温度计6.气体压力温度计1． 热铁氧体2． Fe-Ni-Cu合金第15页/共93页此外，还有微波测温温度传感器、噪声测温温度传感器、温度图测温温度传感器、热流计、射流测温计、核磁共振测温计、穆斯保尔效应测温计、约瑟夫逊效应测温计、低温超导转换测温计、光纤温度传感器等。这些温度传感器有的已获得应用，有的尚在研制中。第16页/共93页公元1600年，伽里略研制出气体温度计。一百年后，研制成酒精温度计和水银温度计。随着现代工业技术发展的需要，相继研制出金属丝电阻、温差电动式元件、双金属式温度传感器。1950年以后，相继研制成半导体热敏电阻器。最近，随着原材料、加工技术的飞速发展、又陆续研制出各种类型的温度传感器。三、温度传感器的发展概况第17页/共93页第18页/共93页利用感温材料，把测量温度转化为测量电阻的测温系统。第一节电阻型温度传感器金属热电阻（简称热电阻）半导体热敏电阻（简称热敏电阻）正温度系数热电阻——其阻值随温度的升高而增加。负温度系数热电阻——其阻值随温度的升高而减少。一、金属热电阻的特性1.自然界中，大多数纯金属导体的电阻具有随温度变化的特性，其特性方程如下：第19页/共93页式中Rt——任意绝对温度t时金属的电阻值;R0——基准状态t0时的电阻值；a——热电阻的温度系数。而则a越大，S越高。第20页/共93页注意：①对于绝大多数金属导体，a并不是一个常熟，而是有关温度的函数。②但在一定温度范围内，可近似地看作一个常数。③不同地金属导体，a保持常数所对应地温度范围不同。④绝大多数金属具有正的电阻温度系数a。1.作为测量用的热电阻材料必须满足以下要求：①电阻温度系数a要高。a↑→S↑一般纯金属a>合金a②在测温范围内，化学、物理性能稳定，以保证热电阻的测温准确性。第21页/共93页③具有良好的输出特性。④具有比较高的电阻率，以减小热电阻的体积和重量。⑤具有良好的可加工性，且价格便宜。比较适合的材料有铂、铜、镍等。二、常用热电阻1.铂热电阻（Pt）（1）铂的优点：①在氧化性介质中，甚至在高温下，铂的物理、化学性质均很稳定。②铂材料的输入输出特性近于线性，测量精度非常高。第22页/共93页（2）铂的缺点：铂是贵金属，价格昂贵。（3）铂的应用范围：铂电阻一般用于高精度测量，广泛应用于温度的基准，长时间稳定的重现性使它成为目前测温重现性最好的温度计。在一般测量精度和测温范围较小时采用铜电阻。2.铜热电阻（Cu）（1）铜的优点：①铜丝在-50——100℃范围内性能很稳定，且电阻与温度的关系接近于线性。②温度系数大，灵敏度高。第23页/共93页③容易加工和提纯。④价格便宜。（2）铜的缺点：①铜丝在t>100℃时，易被氧化。②电阻率小。（3）铜的应用范围：铜热电阻一般用于150℃以下、无水分和无侵蚀性的低温环境中。第24页/共93页3、 热电阻测温电桥在生产和科学研究中常用各种电桥来测量电路元件的电阻、电容、电感，在非电量的电测技术中也常用到电桥，电桥是一种比较式仪表，它的准确度和灵敏度都很高。 R2R4R1R3E惠登斯电桥RgACDIgB当R1R4=R2R3时，Ig=0，Ug=0，即电桥处于平衡状态。若如图所示的电桥中，R2、R3、R4不是热电阻，即其阻值不随温度变化而变化。在实际测量时，先调电桥平衡。第25页/共93页 R2R4R1R3E惠登斯电桥RgACDIgB当外界环境温度由T→T+ΔT，R1→R1+ΔR1，电桥的平衡将会被打破。→检流计中流过电流，这个电流与ΔR1有一定的函数关系。→这个电流与ΔT有一定的关系第26页/共93页 R2R4R1R3E惠登斯电桥RgACDIgB当ΔT→ΔR1时△M=△R[RG(R3+R4)+R2(R3+R4)+R3R4]实验证明，△R很小时，△M也很小→可以认为Ig的分母不变。则此时的不平衡电流为：即可测出被测温度的变化。第27页/共93页热电阻测温电桥分为二线制接法、三线制接法、四线制接法。其中三线制接法和四线制接法是为了消除连接导线随环境温度变化而造成的测量误差。（一）、二线制接法1.结构热电阻通过两根导线引入电桥的一个桥臂中。2.二线制存在的问题A.热电阻中流过电流具有加热效应。B.工业用热电阻安装在生产现场，与其安装在控制室的指示仪表之间的引线很长，引线阻值随外界温度变化而变化不能忽略，势必造成较大的测量误差。第28页/共93页3.解决方法A.在设计电桥时，尽量使流过热电阻的电流降低，一般应小于10mA。B.采用三线制和四线制的接法。（二）、三线制接法1.结构热电阻通过三根导线引入电桥中。其中两根导线分别接到热电阻所在的桥臂与其相邻的桥臂上，另外一根导线接到电桥的电源端。第29页/共93页2.测量原理当电桥平衡时，有：(Rt+r)R1=R2(R3+r)若R1=R2：则Rt＝R3，在这种情况下，连接线电阻r的变化对示数毫无影响。局限性：当Rt随温度变化较大时，该方法不能完全消除r变化对示数的影响。3.解决方法四线制接法（二）、三线制接法第30页/共93页1.结构热电阻通过四根导线引入电路中。其中两根导线接到电位差计，另外两根导线接到电源端。2.测量原理由恒流源供给已知电流I流过热电阻Rt，用电位差计测出其两端电压U，再利用欧姆定律，得：其中：由于：则：（三）、四线制接法第31页/共93页因为电位差计不取电流，所以四根导线的电阻r对测量均无影响。与电位差计配合的四线制测量热电阻是比较完善的方法，它不受任何条件的约束，总能消除连接导线电阻对测量的影响。这里恒流源是关键，必须保证电流I的稳定不变，而且其值的精确度应该和Rt的测量精度相适应。（三）、四线制接法第32页/共93页三、热敏电阻热敏电阻是一种利用半导体材料制成的敏感元件，其电阻对温度变化很明显，电阻温度系数比金属大很多。在温度传感器中应用最多的有热电偶、热电阻（如铂、铜电阻温度计等）和热敏电阻。热敏电阻发展最为迅速，由于其性能得到不断改进，稳定性已大为提高，在许多场合下（-40～＋350℃）热敏电阻已逐渐取代传统的温度传感器。1.热敏电阻的结构热敏电阻是由一些金属氧化物的粉末（NiO、MnO、CuO、TiO等）为基体原料，加入一些添加剂，采用陶瓷工艺制成的。通过不同材质的混合，能得到热敏电阻不同的电阻值R0及不同的温度特性。第33页/共93页热敏电阻发展历史（1）1837年，人们就发现Ag2S的电导率随温度的改变而变化这一现象。（2）最早用来制造热敏电偶的材料是VO2。（3）美国贝尔实验室早在1940年左右利用Mn、Co、Ni、Cu等金属氧化物研制出工艺简单、性能良好的热敏电阻器。第34页/共93页热敏电阻主要由热敏探头1、引线2、壳体3构成。132Rt结构热敏电阻符号1——热敏探头，2——引线，3——壳体2.热敏电阻的特性参数（1）标称电阻R25（冷阻）标称电阻值是热敏电阻在25℃时的零功率状态下的阻值。其大小取决于热敏电阻的材料和它的几何尺寸。第35页/共93页如果环境温度不是25℃，而是在25～27℃之间，则按下式计算：2.电阻温度系数αT（%/℃）用于描述温度的变化引起电阻变化率变化的参数。指在规定的温度下，单位温度变化使热敏电阻的阻值变化的相对值。用下式表示αm决定了热敏电阻器在全部工作温度范围内的温度灵敏度。第36页/共93页3.时间常数τ时间常数τ就是表征热敏电阻值热惯性大小的参数。其数值等于热敏电阻在零功率测量状态下，当环境温度突变时，热敏电阻的阻值从起始值变化到最终变化量的63％时所需的时间。4.额定功率PE指热敏电阻器在标准压力（750×133.322Pa）和规定的最高环境温度下，热敏电阻长期连续工作所允许的最大消耗功率。在实际使用中，热敏电阻所消耗的功率不得超过额定功率。第37页/共93页半导体热敏电阻按半导体电阻随温度变化的典型分为三种类型：1．正温度系数热敏电阻（PTC）电阻值随温度升高而增大的电阻器，简称PTC热敏阻器。它的主要材料是掺杂的BaTiO3半导体陶瓷。2．负温度系数热敏电阻（NTC）电阻值随温度升高而下降的热敏电阻器简称NTC热敏电阻器。它的材料主要是一些过渡金属氧化物半导体陶瓷。3．临界温度系数热敏电阻（CTR）该类电阻器的电阻值在某特定温度范围内随温度升高而降低3～4个数量级，即具有很大负温度系数。其主要材料是VO2并添加一些金属氧化物。3.热敏电阻的分类第38页/共93页热敏电阻器的电阻——温度特性（RT—T）1234铂丝40601201600100101102103104105106RT/Ω温度T/ºC热敏电阻的电阻--温度特性曲线1-NTC；2-CTR；3-4PTCρT—T与RT—T特性曲线一致。4.热敏电阻的特性第39页/共93页1．临界温度系数热敏电阻（CTR）1234铂丝40601201600100101102103104105106RT/Ω温度T/ºC热敏电阻的电阻--温度特性曲线1-NTC；2-CTR；3-4PTC临界温度系数热敏电阻（CTR）是指在某一温度附近电阻值发生突变，且于几度的狭小温区内随温度的增加降低3～4个数量级的一类热敏元件。右图中的2曲线即为一典型的CTR热敏电阻温度特性曲线。阻值的突变点称为临界温度点。第40页/共93页1234铂丝40601201600100101102103104105106RT/Ω温度T/ºC热敏电阻的电阻--温度特性曲线1-NTC；2-CTR；3-4PTC（1）原因此类半导体陶瓷材料在临界温度点发生半导体向金属的相变，引起半导体电阻值的极大变化。典型的CTR电阻材料为V2O3，其相变点可通过添加Ge、Ni、W、Mn等元素来调整。（2）应掌握的概念①开关电阻Rc：标称电阻值×规定系数（如80％）第41页/共93页1234铂丝40601201600100101102103104105106RT/Ω温度T/ºC热敏电阻的电阻--温度特性曲线1-NTC；2-CTR；3-4PTC②宏观开关温度：电阻值下降到开关电阻时所对应的温度。（3）CTR的用途控温、报警、无触点开关等。第42页/共93页式中：B——NTC热敏电阻的材料常数。R0——T→∞时热敏电阻器的电阻值；2.负电阻温度系数(NTC)NTC的电阻—温度关系的一般数学表达式为：对上式两边取对数得：由上式可以看出，为直线如右图所示。(1)NTC的R-T特性（温度特性）第43页/共93页则NTC的电阻温度系数为：直线的斜率为：(2)NTC的温度系数αt第44页/共93页显然αT并非常数，其值是随温度升高而逐渐减小的也即是NTC的低温段比高温段更灵敏。(3)NTC的静态伏安特性曲线αβabcdUmU0I0ImU/VI/mANTC热敏电阻的静态伏安特性右图为典型的NTC静态伏安特性曲线。温度为T0时给NTC上通有电流I，则电阻两端的电压VT为：第45页/共93页αβabcdUmU0I0ImU/VI/mANTC热敏电阻的静态伏安特性由图可知，它可分为三段：oa段：当流过NTC的电流较小时，电流不足以引起热敏电阻发热→此时热敏电阻相当于一个固定电阻→其伏安特性服从欧姆定律→曲线在该段呈线型。ab段：电流I↑→NTC自身温度明显↑→NTC耗散功率↑→NTC阻值↓→此时R↓的速度<流过NTC电流I↑的速度由U=RI知：此时U继续增加，但U上升的速度小于oa段，且逐渐减小，直至b点。第46页/共93页αβabcdUmU0I0ImU/VI/mANTC热敏电阻的静态伏安特性bcd段：电流I↑→NTC自身温度↑更快→NTC阻值大幅↓→此时R↓的速度>流过NTC电流I↑的速度由U=RI知：此时U随电流I的增加而降低，即曲线斜率由正变负。当电流超过某一值时，热敏电阻将被烧坏。第47页/共93页2.正电阻温度系数(PTC)PTC热敏电阻是正温度系数热敏电阻，即其阻值随着温度的升高而增大。(1)开关型PTC的R-T特性（温度特性）右图为PTC热敏电阻的电阻值随温度变化的特性曲线。曲线Ⅰ中电阻值随温度变化很快，曲线很陡，称为突变型（开关型）PTC热敏电阻。第48页/共93页曲线Ⅰ中出现一个电阻最小值Rmin，可以看出，当温度高于Tb后，阻值才开始随温度很快地变化。则把Tb称为开关温度，对应的阻值为开关电阻（Rb）。在开关温度以上，温度为T时的阻值RT与温度T的关系近似为：式中：A——开关型PTC热敏电阻的材料常数。R0——常温下热敏电阻器的电阻值；第49页/共93页则开关型PTC的电阻温度系数为：(2)开关型PTC的温度系数αt第50页/共93页上式说明开关型PTC的温度系数αt与温度无关。(3)缓变型PTC的R-T特性（温度特性）曲线Ⅱ中电阻值随温度变化缓慢，这种电阻被称为缓变型（渐变型）PTC热敏电阻。其阻值RT与温度T的关系近似为线性，即：式中：A、B——缓变型PTC热敏电阻的材料常数第51页/共93页(4)缓变型PTC的温度系数αt则缓变型PTC的电阻温度系数为：显然αT并非常数，其值是随温度升高而逐渐减小的也即是缓变型NTC的低温段比高温段更灵敏。第52页/共93页热电偶是工业上最常用的一种热电效应制成的温度传感器。特点：第二节热电偶利用两种不同的金属（或合金）连接在一起，当结点处温度变化时，另两端产生电势变化的原理制成的传感器称为热电偶。结构简单，精度高，热惯性小，可测量局部温度，便于远距离传送，集中检测和 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，测温范围宽、测温上限高等优点。新型研制的钨铼－钨铼合金系列热电偶的测温上限可达2800℃，在机械工业的多数情况下，这种温度传感器主要用于500℃～1500℃范围内的温度测量。第53页/共93页两种不同的导体或半导体A和B组合成如图所示闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同（设T＞T0），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。这种现象早在1821年首先由塞贝克（See－back）发现,所以又称塞贝克效应。一、热电偶的工作原理这两种不同的组合称为热电偶；A、B称为热电极，温度高的接点称为热端（或工作端），温度低的接点称为冷端（参考端或自由端），形成的回路称为热电回路。热电偶原理图TT0AB热端冷端第54页/共93页热电偶原理图TT0AB热端冷端实验证明，回路的总电势为：式中为热电势率或Seebeck系数，其值与热材料和两接点的温度有关，后来经研究发现，热电效应产生的电势EAB(T,T0)是由两种材料的接触电势（珀尔帖电势）和单一导体的温差电势（汤姆逊电势）组成。第55页/共93页1.接触电势接触电势原理图+ABTeAB(T)-A和B两种半导体材料不同，温度保持一致A和B互相接触时，其内部电子密度不同若nA>nB自由电子从A扩散到BA失去电子带正电，B得到电子带负电形成由A向B的静电场，将阻止电子进一步由A向B扩散。E第56页/共93页接触电势原理图+ABTeAB(T)-EAB内部自建电场E将阻止自由电子进一步由A向B扩散同时，在E的作用下，B中的自由电子向A漂移当扩散和漂移达到动态平衡时AB中得到一个稳定的接触电势——珀尔帖（Peltier）电势eAB(T)第57页/共93页eAB(T)——导体A、B结点在温度T时形成的接触电动势；e——单位电荷，e=1.6×10-19C；k0——波尔兹曼常数，k=1.38×10-23J/K；nA、nB——导体A、B在温度为T时的电子密度。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。接触电势原理图+ABTeAB(T)-E第58页/共93页2.温差电势AeA(T,To)ToT温差电势原理图同一半导体A两端a、b温度不同：T>T0a端自由电子动能>b端自由电子动能动能大的自由电子向电子动能较小的一端扩散：电子由a扩散到ba失去电子带正电，b得到电子带负电形成由a向b的静电场，将阻止电子进一步由a向b扩散。ab+-E第59页/共93页AeA(T,To)ToT温差电势原理图ab+-Eab内部自建电场E将阻止自由电子进一步由a向b扩散同时，在E的作用下，b中的自由电子向a漂移当扩散和漂移达到动态平衡时ab中得到一个稳定的温差电势——汤姆逊（Thomson）电势eA(T,T0)第60页/共93页eA(T，T0)——导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势；T，T0——高低端的绝对温度；σA——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，例如在0℃时，铜的σ=2μV/℃。AeA(T,To)ToT温差电势原理图ab+-E第61页/共93页由导体材料A、B组成的闭合回路（若NA>NB），其接点温度分别为T、T0，如果T＞T0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，如图：3.热电偶回路总电势nA(T)、nA(T0)——导体A在结点温度为T和T0时的电子密度；nB(T)、nB(T0)——导体B在结点温度为T和T0时的电子密度；σA、σB——导体A和B的汤姆逊系数。T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB则回路总电势为：第62页/共93页其中EAB(T)为热端的热电势；EAB(T0)为冷端的热电势。第63页/共93页（1）热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。（2）只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热电偶；相同材料不会产生热电势，因为当A、B两种导体是同一种材料时，结论(4点)：T0eA(T,T0)eB(T,T0)ABnA=nB则回路总电势为：第64页/共93页（3）只有当热电偶两端温度不同，热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生。T0eA(T,T0)eB(T,T0)ABnA=nB则回路总电势为：即当材料相同，温度不同时，接触电势为零，温差电势大小相等、方向相反，总的热电动势为0。当材料不同，温度相同时：T0TeAB(T)eAB(T0)ABT=T0第65页/共93页（4）导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使EAB(T0)=常数，则回路热电势EAB(T，T0)就只与温度T有关，而且是T的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。T0TeAB(T)eAB(T0)ABT=T0即当材料不同，温度相同时，温差电势为零，接触电势大小相等、方向相反，总的热电动势为0。第66页/共93页通常令T0=0℃，在不同的温度下精确地测出回路总电势，并将所测得的结果绘成曲线或列成表格。两种均质金属组成的热电偶的电势大小与热电极的直径、长度及沿热电极长度方向上的温度分布无关，只与热电极材料和温度有关。二、热电偶回路的性质1.均质导体定律如果材质不均匀，则当热电极上各处温度不同时，将产生附加热电势，造成无法估计的测量误差，因此，热电极材料的均匀性是衡量热电偶的重要指标之一。第67页/共93页2.标准电极定律EAB(T,T0)T0TBAT0TEAC(T,T0)ACT0TECB(T,T0)CB如果任意两种导体材料的热电势是已知的，它们的冷端温度T0和热端的温度T又分别相等，如图所示，它们相互间热电势的关系为：EAB（T,T0）=EAC（T,T0）-EBC（T,T0）第68页/共93页EAB(T,T0)T0TBAT0TEAC(T,T0)ACT0TECB(T,T0)CB证明：②式减去③式可知：EAB（T,T0）=EAC（T,T0）-EBC（T,T0）第69页/共93页EAB(T,T0)T0TBAT0TEAC(T,T0)ACT0TECB(T,T0)CB上式说明两种金属组成的热电偶的热电势可以用它们分别与第三种金属组成的热电偶的热电势之差来表示，这一定律称为标准电极定律。EAB（T,T0）=EAC（T,T0）-EBC（T,T0）工作中常以铂（Pt）、铜（Cu）等作为标准电极，若已知多种金属对标准电极的热电势，即可求出各种金属间任意组成的热电势。第70页/共93页3.中间导体定律ABTT0CT0具有第三种导体的热电偶回路在热电偶的参考端接入第三种均质金属如右图所示。若被插入金属两端温度相同（T0），则回路总热电势为三个接触电势与温差电势的代数和，表示为：对上式，当T=T0时，有：第71页/共93页ABTT0CT0具有第三种导体的热电偶回路即：将②式带入①得：由此可见，引入第三个导体C后，只要保持C两端温度相等，不会影响回路中热电势的大小，即中间导体定律。第72页/共93页同理可证，若再插入第四种、第五种……均质导体，只要所插入的导体两端温度都与参考点相同，都不会影响原来热电势的大小。热电偶测温回路根据上述原理，可以在热电偶回路中用铜线接入电位计E，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，就不会影响回路中原来的热电势，从而实现对热电势的测量，接入的方式见下图所示。ET0T0T第73页/共93页4.中间温度定律如果不同的两种导体材料组成热电偶回路,其接点温度分别为T、T0(如图所示)时,则其热电势为EAB(T,T0)；其值等于热电偶在接点温度为T、Tn和Tn、T0的相应的热电势的代数和，即：BBATnTT0AABEAB（T,T0）=EAB（T,Tn）+EAB（Tn,T0）第74页/共93页证明：EAB（T,T0）=EAB（T,Tn）+EAB（Tn,T0）BBATnTT0AAB所以：第75页/共93页三、热电偶的电极材料根据热电偶的工作原理，似乎只要是两种不同的金属材料都可以组成热电偶，但是为了保证工程技术的可靠性，以及足够的测量精度，并不是所有材料都适合于制作热电偶。一般的热电极材料必须具有以下特性：1.在测量范围内，热电性质稳定即热电势与温度的对应关系不随时间而变化，并且有足够的物理化学稳定性，不易氧化和腐蚀。2.热电势要足够大，这样易于测量，并且热电势与温度为单值关系，最好是线性关系，测量精度高且误差小。第76页/共93页3.电阻温度系数小，电导率高，否则热电偶的电阻将随工作端温度而有较大变化，影响测量结果的准确性。4.材料的复制性好，机械强度高，易制成标准分度，工艺简单，价格便宜。实际上，没有一种金属材料能满足上述所有要求。一般纯金属热电极易于复制但热电势小，非金属的热电势大但熔点高，难复制，故许多热电极选择合金材料。四、热电偶的冷端温度补偿若冷端温度固定不变，则热电势决定于热端温度。且手册上只提供冷端温度为0℃时热电势与热端温度的对照表（分度表）。第77页/共93页如果冷端温度是变化的，将会引起测量误差，同时为了利用分度表对热电偶进行标定，以实现准确测量。当用热电偶测量一个热端温度时，冷端一般保持在室温环境中，而室温又随季节变化很大；为了使冷端温度保持恒定（最好为0℃），当然可使热电偶做得很长，使冷端远离工作端和恶劣环境，放置到恒温或温度波动比较小的地方，但这种方法可能会耗费许多贵重的金属材料。必须采取一定的措施消除冷端温度的变化所产生的影响。冷端补偿。用热电偶测温时，热电势的大小决定于冷热端温度之差。如果冷端温度固定不变，则决定于热端温度。如果冷端温度是变化的，将会引起测量误差。第78页/共93页把热电偶的参考端置于冰水混合物容器里，使T0=0℃。这种办法仅限于科学实验中使用。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。mVABA’B’TCC’仪表铜导线试管补偿导线热电偶冰点槽冰水溶液T01.冷端恒温法一般制定热电偶分度表时，冷端温度是以0℃为标准。第79页/共93页但一般情况下，将热电偶的冷端置于恒温器中，若恒温器温度调到0℃，电压表读数对应的温度为实际温度，即冷端温度误差得到解决。若恒温器温度为T0，则冷端温度造成的误差为：恒温箱：T0℃热端：T℃其中EAB(T,T0)是热端温度为T时实际的热电势值，EAB（T,0）是热端温度为T时对应分度表中的热电势值。两者的数值应当是不相等的。并且由上式可知，T0恒定时，冷端误差温度造成的误差为常数，只要在回路中加入相应的修正电压，或调整指示装置的起始值就能实现完全补偿。则：第80页/共93页2.冷端自动补偿法冷端自动补偿法是利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值。 R2R4R1R3E惠登斯电桥RgACDIgB当电源E为电势源，其内阻为零时，可求出检流计中流过的电流Ig与电桥各参数之间的关系为冷端自动补偿法的补偿原理如下：第81页/共93页当R1R4=R2R3时，Ig=0，Ug=0，即电桥处于平衡状态。式中Rg为负载电阻，因而其输出电压Ug为： R2R4R1R3E惠登斯电桥RgACDIgB第82页/共93页若电桥的负载电阻Rg为无穷大，则B、D两点可视为开路，上式可以化简为设R2为阻值变化随温度变化较明显的热电阻，外界温度升高时，R2有一增量ΔR，ΔR为正；外界温度下降时，ΔR为负。在上式中以R2+ΔR代替R2，则 R2R4R1R3E惠登斯电桥RgACDIgB第83页/共93页设桥臂比n=R1/R2，由于△R<<R2，分母中△R/R2可以忽略，并考虑到R1R4=R2R3，上式可以简化为：而△R＝αt*△T则Ug是与温度变化ΔT成线性关系。 R2R4R1R3E惠登斯电桥ACDUgB第84页/共93页利用不平衡电桥产生热电势补偿热电偶因冷端温度变化而引起热电势的变化值。不平衡电桥由R1、R2、R3(锰铜丝绕制)、RCu(铜丝绕制)四个桥臂和桥路电源组成。注意：桥臂RCu必须和热电偶的冷端靠近，使处于同一温度之下。mV冷端补偿器的作用 EAB(T,T0)T0T0TAB++-abUUabRCuR1R2R3RmA设计时，在0℃下使电桥平衡(R1=R2=R3=RCu)，此时Uab=0，电桥对仪表读数无影响。第85页/共93页T0mV冷端补偿器的作用 EAB(T,T0)T0T0TAB++-abUUabRCuR1R2R3RmA当热端（所测温度）温度不变，冷端温度T0>0℃时，即T0从0℃开始升温时：EAB(T0)↑EAB(T,T0)↓RCu↑T0电桥开始不再平衡Uab≠0：由0开始增加第86页/共93页mV冷端补偿器的作用 EAB(T,T0)T0T0TAB++-abUUabRCuR1R2R3RmAT0EAB(T0)↑EAB(T,T0)↓RCu↑T0电桥开始不再平衡Uab≠0：由0开始增加则Uab与热电动势EAB(T,T0)相串联，如果限流电阻R选择合适，可使Uab增大的值恰恰等于热电动势减小的值，就可以完全避免T0的变化对测温的影响。第87页/共93页五、热电偶的实用测量电路1.单点温度测量电路A,B——热电偶；C,D——补偿导线EAB(T,T0)T0T0TABmV mV补偿导线：为了使热电偶冷端温度保持恒定（最好为0℃），当然可将热电偶做得很长，使冷端远离工作端，并连同测量仪表一起放置到恒温或温度波动比较小的地方，但这种方法一方面使安装使用不方便，另一方面也可能耗费许多贵重的金属材料。因此一般是用一种称为补偿导线的连接线将热电偶冷端延伸出来。CD第88页/共93页A,B——热电偶；C,D——补偿导线EAB(T,T0)T0T0TABmV mVCD这时回路中总电势为EAB(T,T0)，则流过测温毫伏计的电流为:式中RL，RC，RM分别是热电偶、导线（补偿导线C和D）的电阻和仪表的内阻，它们在温度一定时有固定值，测得的电流与温度有一一对应的关系，即可以在表上标出温度的刻度。第89页/共93页2.两点间温差的测量电路仪表T0T0T0T0T1T2ABAB测量两点间温差的电路仪表+-ΔEEAB(T1,T0)EAB(T2,T0)+-+-两只同型号的热电偶配用相同的补偿导线对接起来，该连接方法使各自产生的热电势相互抵消，若T1≠T2，则仪表读数即为T1与T2的温度差。注意：两支热电偶的冷端温度必须一样。则输入到仪表的热电势为：第90页/共93页3.平均温度测量电路测量平均温度的方法通常是将几只同型号的热电偶并联在一起。如下图所示。T0T0T0仪表ETABABABR1R3R2T1T2T3R1R3R2EAB(T2,T0)EAB(T1,T0)EAB(T3,T0)+-+-+-V+-ETR1、R2、R3阻值很大，以免T1、T2、T3不相等时，每个热电偶线路上流过的电流会因其热电偶的电阻变化而变化，即认为：R1＝R2＝R3→∞由结点电压法知回路中总的热电势为：带入上式得：第91页/共93页T0T0T0仪表ETABABABR1R3R2T1T2T3回路中总的热电势为：此电路的优点：是仪表的分度表和单独用一个热电偶时一样，可直接读出平均温度；缺点：为若有一个热电偶被烧断，从仪表上不能反映出来。4.若干点温度之和的测量电路仪表T0T0T1T2ABABT3ABCDCDCD将若干个热电偶串联，可以测量这些点的温度和，也可测量平均温度。如左图。此电路若有一个热电偶烧断，总的热电势消失，可以立即知道有某个热电偶烧断。第92页/共93页感谢您的观看！第93页/共93页