热电偶常识大全

1、第五章第五章 热电偶热电偶 概述概述 热电偶测温原理热电偶测温原理 热电偶结构热电偶结构 热电偶冷端温度补偿热电偶冷端温度补偿 工业热电偶选用工业热电偶选用 热电偶主要内容热电偶主要内容 概述概述 炉顶热电偶炉顶热电偶 概述概述 热电效应热电效应热电效应于1821年由Seeback发现的，故又称为赛贝克效应。 将两种不同材料的导体将两种不同材料的导体A A和和B B串接成一个闭合串接成一个闭合 回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产 生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。 测温原理测温原理 原理热电效应原理

2、热电效应 温差电动势温差电动势 T T TTA dTE 0 0) ,( 0 T T AB 接触电动势接触电动势 BT AT N N e KT AB TEln)( AeA(T,To) To T 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； A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 =2V/。 温差电势 dTTTe T T AA 0 ),( 0 温差电势原理图 由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、 T0,如果TT0，则必存在着两个接触电势和两个温差电 势，回路总电势： BT AT N N e kT

3、ln 0 0 ln 0 BT AT N N e kT dT T T BA 0 )( T0T eAB(T)eAB(T0) eA(T,T0) eB(T,T0) A B 回路总电势 ),(),()()(),( 0000 TTeTTeTeTeTTE BAABABAB NAT、NAT0导体A在结点温度为T和T0时的电子密度； NBT、NBT0导体B在结点温度为T和T0时的电子密度； A 、 B导体A和B的汤姆逊系数。 实验和理论均以证明：热电偶回路的热电动势主实验和理论均以证明：热电偶回路的热电动势主 要是由接触电势引起的。又由于要是由接触电势引起的。又由于EABEAB（T T）和）和 EABEAB（T

4、0T0）的极性相反，所以回路总电势为：）的极性相反，所以回路总电势为： 结论： 如果热电偶两材料相同，则无论接点处的温度 如何，总电势为零； 如果两接点处的温度相同，尽管A、B材料不同， 总热电势为零； 热电偶产生的热电势只与材料、接点处的温度有 关，而与材料的尺寸、几何形状无关； 若A、B材料确定，热电势EAB(T,T0)是两接点温度T 和T0的函数差,即如果T0保持恒定,则f(T0)=C(常数) 热电势EAB(T,T0)只是工作端温度T的单值函数。 热电偶测温基本定律热电偶测温基本定律 1)1)均质导体定律均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论导由一种均质导体组成的闭合回路，不论

5、导 体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产 生热电动势。生热电动势。 TT0 2)中间导体定律中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只 要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响 热电偶回路的总热电动势。热电偶回路的总热电动势。 T T0V 若三个接点的温度均为若三个接点的温度均为T T0 0，则回路的总热电势为，则回路的总热电势为 E EABC ABC（ （T T0 0）= E= EAB AB(T (T0 0)+ E)+ EBC BC(T (T0 0)+ E)

6、+ ECA CA(T (T0 0)=0)=0 若若A A、B B接点温度为接点温度为T T，其余接点温度为，其余接点温度为T T0 0，且，且T TT T0 0， 则回路的总热电势为则回路的总热电势为 E EABC ABC（ （T T，T T0 0）= E= EAB AB(T)+ E (T)+ EBC BC(T (T0 0)+ E)+ ECA CA(T (T0 0) ) 因为因为E EAB AB(T (T0 0)=-E)=-EBC BC(T (T0 0)+ E)+ ECA CA(T (T0 0) 所以所以 E EABC ABC（ （T T，T T0 0）= E= EAB AB(T)- E (T

7、)- EAB AB(T (T0 0) ) 3)3)标准电极定律标准电极定律 两种导体两种导体A,BA,B分别与参考电极分别与参考电极C C组成热电偶，如组成热电偶，如 果他们所产生的热电动势为已知，果他们所产生的热电动势为已知，A A和和B B两极配对后两极配对后 的热电动势可用下式求得：的热电动势可用下式求得： ),(),(),( 000 TTETTETTE CBACAB A B TT0= A C TT0 C B T T0 由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极。 热电偶测温基本定律热电偶测温基本定律 4)4)连接导体定律与中间温

8、度定律 如图，接点温度分别为T, Tn，T0，则回路总热 电势为 连接导体定律是运用补偿导线进行温度测量的理论 基础。 当导体A与A、B与B的材料分别相同，则 EAB（T，Tn，T0）=EAB（T，Tn）+EAB（Tn， T0）称为中间温度定律，即回路总热电势等 于EAB（T，Tn）和EAB（Tn，T0）的代数和。 Tn称为中间温度。 中间温度定律是制定分度表的理论基础。 工业热电偶工业热电偶 工业热电偶分度表工业热电偶分度表 工业热电偶分度表工业热电偶分度表 各种热电偶的分度表是在热电偶冷端温度t0 0 的条件下得到的。 分度号相同的热电偶可以共用同一分度表、而不 同分度号的热电偶，其电势与

9、温度的对应关系是不 相同的 图中可见热电势与 温度之间并非线性关 系 分度表:热电势与温 度制成标准对应关系 表。 工业热电偶分度表工业热电偶分度表 热电偶材料应满足： l 物理性能稳定，热电特性不随时间改变； l 化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐 蚀； l 热电势高，导电率高，且电阻温度系数小； l 便于制造； l 复现性好，便于成批生产。 热电偶的常用材料与结构 1铂铂铑热电偶(S型) 分度号LB3 工业用热电偶丝：0.5mm，实验室用可更细些。 正极：铂铑合金丝,用90铂和10铑(重量比)冶炼而成。 负极：铂丝。 测量温度：长期：1300、短期：1600。 特点： n 材料性

10、能稳定，测量准确度较高；可做成标准热电偶 或基准热电偶。用途：实验室或校验其它热电偶。 n 测量温度较高，一般用来测量1000以上高温。 n 在高温还原性气体中（如气体中含Co、H2等）易被侵 蚀，需要用保护套管。 n 材料属贵金属，成本较高。 n 热电势较弱。 （一）热电偶常用材料（一）热电偶常用材料 2镍铬镍硅(镍铝)热电偶(K型) 分度号EU2 工业用热电偶丝： 1.22.5mm，实验室用可细些。 正极：镍铬合金(用88.489.7镍、910铬，0.6 硅，0.3锰，0.40.7钴冶炼而成)。 负极：镍硅合金(用95.797镍,23硅,0.40.7钴 冶炼而成)。 测量温度：长期1000

11、，短期1300。 特点： u 价格比较便宜，在工业上广泛应用。 u 高温下抗氧化能力强，在还原性气体和含有SO2， H2S等气体中易被侵蚀。 u 复现性好，热电势大，但精度不如WRLB。 3镍铬考铜热电偶(E型) 分度号为EA2 工业用热电偶丝:1.22mm，实验室用可更细些。 正极：镍铬合金 负极：考铜合金（用56铜，44镍冶炼而成）。 测量温度：长期600，短期800。 特点： l 价格比较便宜，工业上广泛应用。 l 在常用热电偶中它产生的热电势最大。 l 气体硫化物对热电偶有腐蚀作用。考铜易氧化变 质，适于在还原性或中性介质中使用。 4铂铑30铂铑6热电偶(B型) 分度号为LL2 正极：

12、铂铑合金（用70铂，30铑冶炼而成）。 负极：铂铑合金（用94铂，6铑冶炼而成）。 测量温度：长期可到1600，短期可达1800。 特点： l 材料性能稳定，测量精度高。 l 还原性气体中易被侵蚀。 l 低温热电势极小，冷端温度在50以下可不加补偿。 l 成本高。 几种持殊用途的热电偶 （1 1）铱和铱合金热电偶）铱和铱合金热电偶 如铱50铑铱10钌热电偶它 能在氧化气氛中测量高达2100的高温。 （2 2）钨铼热电偶）钨铼热电偶 是60年代发展起来的，是目前一种 较好的高温热电偶，可使用在真空惰性气体介质或氢 气介质中，但高温抗氧能力差。国产钨铼-钨铼20热 电偶使用温度范围3002000分

13、度精度为1。 （3 3）金铁）金铁镍铬热电偶镍铬热电偶 主要用在低温测量，可在 2273K范围内使用，灵敏度约为10V。 （4 4）钯）钯铂铱铂铱1515热电偶热电偶 是一种高输出性能的热电 偶，在1398时的热电势为47.255mV，比铂铂铑10 热电偶在同样温度下的热电势高出3倍，因而可配用 灵敏度较低的指示仪表，常应用于航空工业。 （6 6）铜）铜康铜热电偶，分度号康铜热电偶，分度号MKMK 热电偶的热电势略高于镍铬-镍硅热电偶， 约为43V/。复现性好，稳定性好，精度高， 价格便宜。缺点是铜易氧化，广泛用于20K 473K的低温实验室测量中。 （5 5）铁）铁康铜热电偶，分度号康铜热电

14、偶，分度号TKTK 灵敏度高，约为53V/，线性度好，价格 便宜，可在800以下的还原介质中使用。主要 缺点是铁极易氧化，采用发蓝处理后可提高抗 锈蚀能力。 工业热电偶结构示意图 1接线盒；2保险套管3绝缘套管4热电偶丝 12 3 4 （二）常用热电偶的结构类型 1工业用热电偶 下图为典型工业用热电偶结构示意图。它由热电偶 丝、绝缘套管、保护套管以及接线盒等部分组成。实验 室用时，也可不装保护套管，以减小热惯性。 (a)(b)(c)(d) 1 3 2 2铠装式热电偶（又称套管式热电偶） 优点是小型化（直径从 12mm到0.25mm）、寿命、 热惯性小，使用方便。 测温范围在1100以下 的有：

15、镍铬镍硅、镍 铬考铜铠装式热电偶。 断面如图所示。它是由热电偶丝、绝缘材料，金属 套管三者拉细组合而成一体。又由于它的热端形状不同， 可分为四种型式如图。 铠装式热电偶断面结构示意图 1 金属套管; 2绝缘材料; 3热电极 (a)碰底型; (b)不碰底型; (c)露头型; (d)帽型 3快速反应薄膜热电偶 用真空蒸镀等方法使两种热电极材料蒸镀到绝缘板上而 形成薄膜装热电偶。如图，其热接点极薄(0.01 0.lm) 4 1 23 快速反应薄膜热电偶 1热电极; 2热接点; 3绝缘基板; 4引出线 因此，特别适用于对壁面温 度的快速测量。安装时,用粘 结剂将它粘结在被测物体壁 面上。目前我国试制的

16、有 铁镍、铁康铜和铜康 铜三种,尺寸为 6060.2mm;绝缘基板用云 母、陶瓷片、玻璃及酚醛塑 料纸等；测温范围在300以 下；反应时间仅为几ms。 4快速消耗微型热电偶 下图为一种测量钢水温度的热电偶。它是用直径为 0.050.lmm的铂铑10一铂铑30热电偶装在U型石英管 中，再铸以高温绝缘水泥，外面再用保护钢帽所组成。 这种热电偶使用一次就焚化，但它的优点是热惯性小， 只要注意它的动态标定，测量精度可达土57。 14235678 91110 快速消耗微型 1刚帽； 2石英； 3纸环； 4绝热泥；5冷端； 6棉花； 7绝缘纸管； 8补偿导线；9套管； 10塑料插座； 11簧片与引出线 热

17、电偶温度补偿热电偶温度补偿 原因 l热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为 保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温 度保持恒定； l热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0为依据， 否则会产生误差。 方法 u 冰点槽法 u 计算修正法 u 补正系数法 u 零点迁移法 u 冷端补偿器法 u 软件处理法 把热电偶的参比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。 mV A B A B T C C 仪表 铜导线 试管 补偿导线 热电偶 冰点槽 冰水溶液 冷端

18、处理及补偿冰点槽法 T0 热电偶温度补偿热电偶温度补偿 计算修正法 u冷端不变时，查表补偿冷端不变时，查表补偿 当冷端不为当冷端不为0时，分度表的使用时，分度表的使用 ),(),(),( 0101 ttEttEttE nABnABAB 例如：例如：K型热电偶型热电偶, 工作时自由端工作时自由端t0 30 ，今测得热电势为，今测得热电势为 38.560mv，求工作端的温度，求工作端的温度 mvttEAB560.38),( 01 mvtEAB203. 1)0 ,( 0 mvtEAB760.39203. 1560.38)0 ,( 1 Ct 0 1 962 查表查表 则则 冷端补偿器法 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。 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。 冷端补偿器的作用 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 EAB(T,T0) T0 T0 T A