熱電式感測器

例如將溫度變化轉換為電阻、熱電動勢、熱膨脹、導磁率等的變化，再通過適當的測量電路達到檢測溫度的目的。把溫度變化轉換為電勢的熱電式感測器稱為熱電偶；把溫度變化轉換為電阻值的熱電式感測器稱為熱電阻。

1、熱電偶特點：

測量精度高：因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質的影響。

測量範圍廣：常用的熱電偶從-50~+1600℃均可連續測量，某些特殊熱電偶最低可測到-269℃(如金鐵鎳鉻)，最高可達+2800℃(如鎢-錸)。

構造簡單，使用方便：熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護套管，用起來非常方便。

2、熱電阻特點：

信號輸出較大，易於測量；

熱電阻要藉助外加電源，而熱電偶可自身產生電勢；

熱電阻的測溫反應速度慢；

同類材料製成的熱電阻不如熱電偶測溫上限高。

熱電偶是利用熱電效應製成的溫度感測器。所謂熱電效應，就是兩種不同材料的導體（或半導體）組成一個閉合迴路，當兩接點溫度T和T0不同時，則在該迴路中就會產生電動勢的現象。由熱電效應產生的電動勢包括接觸電動勢和溫差電動勢。接觸電動勢是由於兩種不同導體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動勢。其數值取決於兩種不同導體的材料特性和接觸點的溫度。溫差電動勢是同一導體的兩端因其溫度不同而產生的一種電動勢。其產生的機理為：高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大，從高溫端跑到低溫端的電子數比從低溫端跑到高溫端的要多，結果高溫端因失去電子而帶正電，低溫端因獲得多餘的電子而帶負電，在導體兩端便形成溫差電動勢。

熱電阻感測器是利用導體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進行測溫的。熱電阻廣泛用來測量－200～850℃範圍內的溫度，少數情況下，低溫可測量至1K，高溫達1000℃。標準鉑電阻溫度計的精確度高，作為復現國際溫標的標準儀器。

熱電效應

如右圖所示，兩種不同性質的導體或半導體材料A、B串接成一個閉合迴路，如果兩接合點處的溫度不同，即T≠T0，則在兩導體間產生熱電勢，也稱熱電動勢，常用EAB(T，T0)表示。同時在迴路中有一定大小的電流，這種現象稱為熱電效應。

幾個概念：

熱電極：閉合迴路中的導體或半導體A、B，稱為熱電極；

熱電偶：閉合迴路中的導體或半導體A、B的組合，稱為熱電耦；

工作端：兩個結點中溫度高的一端，稱為工作端；

參比端：兩個結點中溫度低的一端，稱為參比端；

熱電動勢：兩導體的接觸電勢 + 單一導體的溫差電勢；

⑴接觸電勢：

產生接觸電勢的主要原因：

① 不同材料具有不同的自由電子密度；

② 兩種不同材料的導體接觸時，接觸面會發生電子擴散；

當擴散達到動態平衡時，在接觸區形成一個穩定的電位，表示為：如圖所示：

⑵溫差電勢：

① 導體中自由電子在高溫端具有較大的動能；

② 電子從高溫端向低溫端擴散，因而高溫端帶正電，低溫端帶負電，形成靜電場，並阻礙電子擴散；

當擴散達到動態平衡時，兩端產生一個相應的電位差，稱為溫差電勢，表示為：如圖所示：

⑶接觸電勢與溫差電勢的性質：

用公式可以證明：

⑷迴路總電勢：

用小寫e表示接觸或溫差電勢，用大寫E表示迴路總電勢。如圖所示：

幾點討論：如圖所示：

①中間導體定律

在熱電偶迴路中接入第三種材料的導體（感測器引出）時，只要其兩端溫度相等，總迴路電勢不變。如下圖所示：

用途：接入儀錶測量線。

②參考電極定律(標準電極定律)

設結點溫度為T、T0，則用導體A、B組成的熱電偶產生的熱電勢等於導體A、C組成的熱電偶和導體C、B組成的熱電偶產生的熱電勢的代數和。如下圖所示，有：

參考電極定律應用：由於鉑絲的理化性能穩定，如果能實驗測得各種材料熱電極對鉑絲的熱電特性，就不難推得任意材料間的熱電特性。

③中間溫度定律

結點溫度為(T、T0)時的熱電勢等於該熱電耦在結點溫度為(T、Tn)和(Tn、T0)時相應熱電勢的代數和。即如圖所示：

結論：

中間溫度定律為制定熱電偶的分度表奠定了理論基礎。從分度表查出參考端為零度時得熱電勢，即可求得參考端溫度不為零時得熱電勢。

例：用鎳鉻-鎳硅熱電偶測量熱處理爐爐溫。冷端溫度T0=30℃，此時測得熱電勢E(T,T0)=39.17mV,則實際爐溫是多少？

解：由T0=30℃查分度表得：E(30,0)= 1.2mV,則：

E(T,0)= E(T,30)+ E(30,0)= 39.17mV+ 1.2mV= 40.37mV

再由40.37mV查分度表，得實際爐溫T=977℃

1.鉑銠-鉑熱電偶：

S型熱電偶。

特點：精度高，標準熱電偶。但熱電勢小。（<1300℃)

2.鎳鉻-鎳硅熱電偶：

K型熱電偶。

特點：線性好，價格低，最常用。但精度偏低。(-50～1300℃)

3.鎳鉻-烤銅熱電偶：

E型熱電偶。

特點：靈敏度高，價格低，常溫測量，但非均勻線性。(-50～500℃)

4.鉑銠30-鉑銠6熱電偶：

B型熱電偶。

特點：精度高，冷端熱電勢小，40℃下可不修正。但價格高，輸出小。

5.銅-康銅熱電偶：

T型熱電偶。

特點：低溫穩定性好，但複製性差。

1.補償原因：

①從前述分析可知，只有當熱電偶冷端溫度保持不變時，熱電勢才是被測溫度的單值函數；

②實際應用中，由於冷端暴露在空氣中，往往和工作端又比較接近，故冷端溫度易波動；

2.補償方法：

⑴補償導線法：

目的：

使冷端遠離工作端，和測量儀錶一起放到恆溫或溫度波動小的地方。

手段：

①延長熱電偶的長度：安裝不便，費用高；

②採用補償導線，要求：

a.在0～100℃範圍內和所連接的熱電偶有相同的熱電性能；

b.材料是廉價金屬

注意：

①冷端需有自動補償裝置，補償導線才有意義，且連接處<100℃；

②補償導線不能選錯，如：

鉑銠-鉑熱電偶：補償線用銅-鎳銅；

鎳鉻-鎳硅熱電偶：補償線用銅-康銅；

⑵冷端溫度計算校正法：

①熱電勢修正法：

冷端溫度不為零時，運用熱電偶分度表修正，修正方法如前例所述。

②溫度修正法：

設：T’為儀錶指示溫度；T0為冷端溫度；

則：被測實際溫度T為：T=T’+k T0

式中：k為熱電偶修正係數，和熱電偶的種類和測溫範圍相關，有表可查。

例：在前例中

解：指示溫度：T’=946℃；(當E(T,T0)=39.17mV時，查分度表可得)

冷端溫度： T0 =30℃；

查表底：k=1.00

則實際爐溫：T=T’+k T0 = 946℃+ 1.00× 30℃=976℃

和熱電勢修正法所得爐溫相差1℃，此方法在工程上應用廣泛。

⑶冰浴法：

冷端用冰水混合物保持在0℃。

特點：

可避免校正的麻煩，但使用不便，多在實驗室使用。

（4）補償電路法：見圖所示