热电偶温度传感器的应用及原理

热电偶温度传感器是一种能将温度转换为电动势的装置,是工程上应用最广泛的温度传感器之一,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。

1.热电偶温度传感器的工作原理

(1)热电效应

当两种不同材料的导体串接成一个闭合回路时,如果两接合点的温度不同(T≠T0),则在两者间将产生电动势(热电势),而在回路中就会有一定大小的电流,这种现象称为热电效应或塞贝克效应。如图3.20所示,在热电极A 和热电极B组成的回路中,两个接触点的温度分别为T 和T0,这两个接触点会产生与温度T、T0和热电极材料A、B有关的电动势。

图3.20　热电效应示意图

经理论分析表明:热电偶产生的热电动势由两种导体的接触电动势和单一导体温差电动势两部分组成。

(2)热电偶的基本定律

①均质导体定律。在由一种均质导体组成的闭合回路中,不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势,这一性质称为均质导体定律。

②中间导体定律。在热电偶回路中接入第三种材料的导线,只要这第三种材料的导体两端温度相同,第三种材料导线的引入不会影响热电偶的热电动势,这一性质称为中间导体定律。如图3.21所示,在材料A、B 组成的热电偶回路中,接入第三种导体材料C时,只要第三种导体两端的温度相等,则对热电偶回路总的热电动势无影响。

图3.21　中间导体定律示意图

③中间温度定律。热电偶在结点温度为T、T0时的热电动势等于该热电偶在(T,Tn)与(Tn,T0)时的热电动势之和,这就是中间温度定律。Tn称为中间温度,中间温度定律可以用式(3.26)表示:

中间温度定律的实用价值:在自由端温度不为0℃时,可通过式(3.26)及分度表求得工作端温度;通过热电偶补偿导线的使用可将热电偶的自由端延伸到远离高温区的地方,从而使自由端的温度相对稳定。

2.热电偶温度传感器的结构

热电偶温度传感器通常由热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒等部分组成。按照热电偶温度传感器的结构,热电偶温度传感器主要可以分为普通热电偶温度传感器、铠装热电偶温度传感器和薄膜热电偶温度传感器。

(1)普通热电偶温度传感器。如图3.22所示,常见的普通热电偶温度传感器由接线盒、保护套管、绝缘套管及热电极组成,主要可以用于对气体和液体等介质的测温。(www.xing528.com)

(2)铠装热电偶温度传感器。如图3.23所示,铠装热电偶温度传感器由热电极、绝缘材料、金属套管、接线盒及固定装置组成。铠装热电偶温度传感器又称套管热电偶温度传感器,它是由金属保护套管、绝缘材料和热电极三者组合成一体的热电偶温度传感器。因为内部的热电偶丝与外界空气隔绝,所以铠装热电偶温度传感器具有良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力冲击的特性,并且铠装热电偶温度传感器可以制作得很细,能解决微小、狭窄场合的测温问题,且具有抗震、可弯曲等优点。

图3.22　普通热电偶温度传感器结构示意图

图3.23　铠装热电偶温度传感器结构示意图

(3)薄膜热电偶温度传感器。如图3.24所示,薄膜热电偶温度传感器主要由热电极、热接点、绝缘基板及引出线组成。薄膜热电偶温度传感器是一种特殊热电偶,由两种薄膜热电极材料通过真空蒸镀、化学凃层等办法蒸镀到绝缘基板上面而制成。薄膜热电偶温度传感器的测量端既小又薄,具有热容量小、反应速度快等特点。

图3.24　薄膜热电偶温度传感器的结构示意图

3.热电偶温度传感器的测温电路

(1)基本测温电路

如图3.25所示,热电偶温度传感器基本测量电路包括热电偶、补偿导线、冷端补偿器、连接用铜线、动圈式显示仪表。

图3.25　热电偶温度传感器的基本测温电路图

(2)实际测温电路

在实际工作中常需要测量两处的温差,可选用两种方法测温差:一种是使用两支热电偶分别测量两处的温度,然后求算温差;另一种是将两支同型号的热电偶反串连接,直接测量温差电势,然后求算温差,如图3.26所示。前一种测量方法的测量精度较后一种测量方法的差,对于要求精确的小温差测量,应采用后一种测量方法。

图3.26　热电偶温度传感器的实际测温电路