热电式温度传感器的结构及工作原理

热电式温度传感器的结构

工业用热电偶必须长期工作在恶劣环境下，应特别注意被测介质对热电偶材质的损害。常用的廉价金属热电偶不可用在氧化件或腐蚀性环境中，贵金属热电偶不宜用在还原性气氛中。因此，都必须有不锈钢保护套管，管内有陶瓷绝缘管使焊点以外的导体部分互相绝缘，保护套管一端封闭，另一端有接线端子以便与导线或延长线连接。见图2.3.5(d) 所示。

另有一种制造方法是将热电偶的两种材质外包围陶瓷粉末之后，穿在不锈钢管中，一起拉成复合线材。使用时取适当长度将热电偶焊接起来，并封闭外层不锈钢套。这叫做 “铠装热电偶”，可参看图2.3.5之(b)。

尽管陶瓷是较好的绝缘材料.但在高温下仍不免有漏电现象。因此，测带毛物的温度或电加热设备的温度时，热电偶的信号线上可能有共模干扰电压，这对于某些仪表或计算机的工作十分有害，应给予充分注意。

保护套管及瓷管的热容量肯定会增大热惯性，使热电偶的时间常数加大，对反映动态温度变化石利。所以科学实验中的测温，如果可以不考虑防护的话，宁愿用棵露的热电偶直接与被测介质接触，特别是直径小的热偶丝反应更为快速。

热电式温度传感器的工作原理

热电偶所提供的信号为“热电动势”，它是至多不过几十毫伏的微小直流电动势.出两种物理效应所形成：

(1)接触电动势

两种不同导体A和B，其自由电子密度不等，在焊点处有电子扩散现象，因而产生接触电动势。此电动势不仅与材质有关，且与温度有关。可表示为eAB(t)。

(2)温差电动势

同一材质的导体A、当两端存在温反差时，自由电子的分布不均匀，会出现温差电动势。此电动势勺材质有关，且与温度t和t0有关，表示为eA(t,t0)。此处，t和t0代表导体A 两端的温度。

将导体A和B焊接破闭环，一个焊点在温度t之下，另一焊点在温度t0之下.就会在环形电路今出现四个电动势.如图2.3.l之(a)。这四个屯动势分别为eAB(t)，eAB(t0). eA(t,t0).eB(t,t0)。它们的代数和不等于零，记为EAN(t,t0)。

必须汀意的是.以上各电动势从其代数和都印导体的粗细及长短无关。只要知道导体A和B的性质及温度t0的数值。就能根据EAB(t,t0)判断被测温度t。

通常用热电偶测高温，所以—般t>t0.因此.把f处的焊点称为“热端”，也叫“工作端”;把t0处的焊点称为“冷端”，也叫“参考端”。

问题在干图2.3.1(d)的闭合回路个的总电动势EAB(t,t0)究竟有多大无法知道，必须把它断开.接入仪表才能测出总电动势值。所接入的仪表是另外一种材质c所构成的导体。于是.电路成为图2.3.1之(b)。

闭合回路中出现了除A，B以外的第三种字体C之后，总电动势会有什么变化呢?根据热电偶的第三导体定则可知，只要这第三导体C的两端温度相等，就对EAB(t,t0)的大小毫无影响。既然如此，把冷端焊点打开，接入仪表，并保持其两端都在冷端温度t0之下，如图2.31之(c)，就能测出总电动势。

关键是导体A和B的材质选定之后，还必须保证to已知，并且稳定不变，才能根据回路的总电动势判断温度to为此，首光应使冷端远离热端，以免受高温影响而5r起to波动。然后用适当人法把fi测出。如果导体八和出是廉价材质，可用与A,B量同样材质但包有绝缘层的导线，把冷端引到远处。这种导线叫做“延伸导线”。如果A和B是贵重金属，就必须用价格便宜的专用导线A'和B'接在A和B.把冷端从温度不稳定的t'o处移到温度稳定的to处，如图2.3.1之(d)所示。这种专用导线A'和B'叫做“补偿导线”，它必须与热电偶的材质A和B有相同的热电性质.但因工作在非高温区、不必考虑其耐热性。补偿导线和延伸导线部是用规定的台金制成的，为了便于敷设，用柔软的多股芯线外包绝缘层的形式。

延伸导线和所接的热电偶材质相同，其效果等于把热电偶接长，冷端当然被移远。补偿导线虽然棚所接热电偶材质不同，但因在非高温区具有同样的热电性质，两者连接之后等于在热电动势EAN(t,t'o)懊的基础亡又增加门十偿电动势EAB(t'0,to)。而A，B扣A'，B'的性质相同，所以.总电动势是EAB(t,to)，和整支长热电偶效果—样，因此有补偿导线这个称呼。

如果被测温度很高，例如1000℃以上，冷端温度在室温范围，则to的波动引起的相对误差不十分严重。反之，被测温度接近室温时，to的影响决不能忽视。

延伸导线或补偿导线的极性—定要与热电偶的极性正确连接，不然，非但起不了应有的作用，反而会使误差增大，这一点要待别注意。