CH热电偶传感器

1、2021/3/271 6.3.1 热电偶测温原理 热电偶:两种不同的金属A和B构成闭合回路 当两个接触端T T0时,回路中会产生热电势 热电势由两种材料的接触电势和单一材料的温差电势决定热电势由两种材料的接触电势和单一材料的温差电势决定 2021/3/272 1. 接触电势 B A AB N N e kT Teln)( k 玻耳兹曼常数; T 接触面的绝对温度; e 单位电荷量; NA金属电极A的自由电子密度 NB金属电极B的自由电子密度 接触电势接触电势 帕尔帖电势帕尔帖电势 2021/3/273 2. 温差电势 T T A dTTTe 0 ),( 0 汤姆逊系数汤姆逊系数,它表示温度为它表

2、示温度为1时所产生的电动势值时所产生的电动势值, 它与材料的性质有关。它与材料的性质有关。 温差电势温差电势 （汤姆逊电势）（汤姆逊电势） 2021/3/274 3. 热电偶回路的总热电势 T T BA B A BAABAB BABAABAB dt)( N N ln)TT( e k )T ,T(e)T ,T(e)T(e)T(e )T ,T(e)T(e)T ,T(e)T(e)T ,T(E 0 0 000 0000 2021/3/275 热电极A和B为同一种材料时,NA=NB, A=B, 则EAB(T, T0)=0。 若热电偶两端处于同一温度下, T=T0 , 则EAB(T, T0)=0 。 热电

3、势存在必须具备两个条件: 一、两种不同的金属材料组成热电偶, 二、它的两端存在温差。 2021/3/276 0 00 00 0 ( ,)( )() ()() ( )() TT ABABABABAB ET TeTdteTdt f Tf T 热电势是热电势是T和和T0的温度函数的差的温度函数的差,而不是温度的函数。而不是温度的函数。 当当T0=0时时,f (T0)=c则有则有: 0 ( ,)( )( ) AB ET Tf TcT E与与T之间有唯一对应的单值函数关系之间有唯一对应的单值函数关系, 因此可以用测量到的热电势因此可以用测量到的热电势E来得到对应的温度值来得到对应的温度值T, 热电偶热电

4、势的大小热电偶热电势的大小,只是与导体只是与导体A和和B的材料有关的材料有关, 与冷热端的温度有关与冷热端的温度有关,与导体的粗细长短及两导体接触面积无关。与导体的粗细长短及两导体接触面积无关。 2021/3/277 6.3 热电偶传感器 6.3.1 热电偶测温原理 6.3.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律 6.3.3 热电偶的冷端处理和补偿 6.3.4 标准化热电偶 6.3.5 非标准化热电偶 6.3.6 热电偶结构型式 6.3.7 热电偶安装注意事项 2021/3/278 6.3.2 热电偶的基本定律 1. 匀质导体定律 2. 中间导体定律 3. 连接导体定律 2021/3/279 1

5、. 匀质导体定律 由一种匀质导体所组成的闭合回路,不论导体的截 面积如何及导体的各处温度分布如何,都不能产生 热电势。 热电偶的热电势仅与两接点的温度有关,而与沿热 电极的温度分布无关。 如果热电偶的热电极是非匀质导体,在不均匀温度 场中测温时将造成测量误差。所以热电极材料的 均匀性是衡量热电偶质量的重要技术指标之一。 2021/3/2710 2. 中间导体定律 在热电偶回路中接入与另一种导体称中间导体C,只要中 间导体的两端温度相同,热电偶回路总电动势不受中间 导体接入的影响。 2021/3/2711 3. 连接导体定律 ),(),(),( 00 TTETTETTTE nBAnABnBAAB

6、 把热电极与其他导体连接构成热电偶回路把热电极与其他导体连接构成热电偶回路 ),(),(),( 00 TTETTETTTE nABnABnAB 当A与A,B与B材料分别相同时 热电偶分度表反映了参比端为0度时热 电势与热端温度之间的对应关系 2021/3/2712 例6.3.1 用（S型）热电偶测量某一温度,若参比端温 度T0=30,测得的热电势E(T,Tn)=7.5mV,求测量 端实际温度T。 )(),(),( 0,0 TTETTETTE nn CTCTTTE nn 030 00 ，）中，（在 查分度表有查分度表有E（30,0）= 0.173 mV mVTTE n 5 . 7），（ mVET

7、ETE673.7173.05 .7)0 ,30(300），（），（ 反查分度表有反查分度表有T=830,T=830,测量端实际温度为测量端实际温度为830830 2021/3/2713 6.3 热电偶传感器 6.3.1 热电偶测温原理 6.3.2 热电偶的基本定律 6.3.3 热电偶的冷端处理和补偿热电偶的冷端处理和补偿 6.3.4 标准化热电偶 6.3.5 非标准化热电偶 6.3.6 热电偶结构型式 6.3.7 热电偶安装注意事项 2021/3/2714 6.3.3 热电偶的冷端处理和补偿 热电偶的热电势大小不仅与热端温度的有关,而 且也与冷端温度有关,只有当冷端温度恒定,通过 测量热电势的

8、大小得到热端的温度。 热电偶的冷端处理和补偿: 当热电偶冷端处在温度波动较大的地方时,必须 首先使用补偿导线将冷端延长到一个温度稳定 的地方,再考虑将冷端处理为。 2021/3/2715 几种冷端处理方法: 1. 补偿导线法 2. 热电偶冷端温度恒温法 3. 计算修正法 4. 冷端补偿电桥法 2021/3/2716 1. 补偿导线法 组成:补偿导线合金丝、绝缘层、护套和屏蔽层。 热电偶补偿导线功能: 其一实现了冷端迁移; 其二是降低了电路成本。 补偿导线又分为延长型和补偿型两种 延长形:补偿导线合金丝的名义化学成分及热电势标称值与配 用的热电偶相同,用字母“”附在热电偶分度号后表示, 补偿型:

9、其合金丝的名称化学成分与配用的热电偶不同,但其热 电势值在100以下时与配用的热电偶的热电势标称值相同, 有字母“C”附在热电偶分度号后表示, 2021/3/2717 补偿导线的型号、线芯材质和绝缘层着色 补偿导补偿导 线型号线型号 配用热电偶配用热电偶 补偿导线的线芯材料补偿导线的线芯材料 绝缘层着色绝缘层着色 正极正极负极负极 SC或RC 铂铑10（铂铑）-铂 SPC（铜）SNC（铜镍）红绿 KC镍铬-镍硅KPC（铜）KNC（铜镍）红蓝 KX 镍铬-镍硅 KPX（铜镍）KNX（镍硅）红黑 NX 镍铬硅-镍硅 NPS（铜镍）NNX（镍硅）红灰 EX 镍铬-铜镍 EPX（镍铬）ENX（铜镍）红

10、棕 JX 铁-铜镍 JPX（铁）JNX（铜镍）红紫 TX 铜-铜镍 TPX（铜）TNX（铜镍）红白 2021/3/2718 使用补偿导线时注意问题: 补偿导线只能用在规定的温度范围内（0100）; 热电偶和补偿导线的两个接点处要保持温度相同; 不同型号的热电偶配有不同的补偿导线; 补偿导线由正、负极需分别与热电偶正、负极相连; 补偿导线的作用是对热电偶冷端延长。 2021/3/2719 2. 计算修正法 在实际应用中,热电偶的参比端往往不是0C,而是 环境温度,这时测量出的回路热电势要小,因此必须 加上环境温度与冰点之间温差所产生的热电势后 才能符合热电偶分度表的要求。 )0 ,(),()0

11、,( 11 TETTETE 可用室温计测出环境温度可用室温计测出环境温度T1,从分度表中查出的从分度表中查出的E(T1,0)值值, 然后加上热电偶回路热电势然后加上热电偶回路热电势E(T,T1),得到得到E(T,0)值值, 反查分度表即可得到准确的被测温度值。反查分度表即可得到准确的被测温度值。 2021/3/2720 3. 热电偶冷端温度恒温法（冰浴法） 适用于实验室中的精确测量和检定热电偶时使用。 2021/3/2721 4. 冷端补偿电桥法 利用直流不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶 冷端温度变化而引起的热电势的变化值 2021/3/2722 6.3 热电偶传感器 6.3.1 热电偶测温原

12、理 6.3.2 热电偶的基本定律 6.3.3 热电偶的冷端处理和补偿 6.3.4 标准化热电偶标准化热电偶 6.3.5 非标准化热电偶 6.3.6 热电偶结构型式 6.3.7 热电偶安装注意事项 2021/3/2723 6.3.4 标准化热电偶 标准化热电偶:工艺上比较成熟,能批量生产、性能稳 定、应用广泛,具有统一分度表并已列入国际和国家标 准文件中的热电偶。标准化热电偶可以互相交换,精度 有一定的保证。 国际电工委员会（IEC）共推荐了8种标准化热电偶 2021/3/2724 表6.3.2 标准化热电偶技术数据 热电偶名称热电偶名称 分度分度 号号 热电极识别热电极识别 E E（100,0

13、100,0） （mVmV） 测温范围（测温范围（）对分度表允许偏差（对分度表允许偏差（） 新新 极极 性性 识别识别长期长期短期短期 等等 级级 使用温度使用温度允差允差 铂铑10-铂S 正亮白较硬 0.646013001600 6001.5 负亮白柔软6000.25%t 铂铑13-铂R 正较硬 0.647013001600 6001.5 负柔软11000.25%t 铂铑30-铂 铑 B 正较硬 0.033016001800 6009004 负稍软8000.5%t 镍铬-镍硅K 正不亲磁 4.096012001300 -4013002.5或0.75%t 负稍亲磁-200402.5或1.5%t

14、镍铬硅-镍 硅 N 正不亲磁 2.774 - 2001200 1300 -4011001.5或0.4%t 负稍亲磁-4013002.5或0.75%t 镍铬-康铜E 正暗绿 6.319-200760850 -409002.5或0.75%t 负亮黄-200402.5或1.5%t 铜-康铜T 正红色 4.279-200350400 -403501或0.75%t 负银白色-200401或1.5%t 铁-康铜J 正亲磁 5.269-40600750-407502.5或0.75%t 负不亲磁 2021/3/2725 1. 铂铑10-铂热电偶（S型） 贵金属热电偶。电极线径规定为0.5mm, 正极（SP）的

15、名义化学成分为铂铑合金 负极（SN）为纯铂,故俗称为单铂铑热电偶。 长期最高使用温度为1300,短期最高使用温度为 1600。 优点:准确度高,稳定性好,测温温区和使用寿命长,物理 化学性能良好,在高温下抗氧化性能好,适用于氧化和惰 性气氛中。 缺点:热电率较小,灵敏度低,高温下机械强度下降,对污 染敏感,贵金属材料昂贵,因此一次性投资较大。 2021/3/2726 2. 铂铑30-铂铑6（B型） 为贵金属热电偶。热偶丝线径规定为0.5mm, 正极（BP）和负极（BN）的名义化学成分均为铂铑合 金,只是含量不同,故俗称为双铂铑热电偶。 长期最高使用温度为1600,短期最高使用温度为 1800。

16、 优点:准确度高,稳定性好,测温温区宽,使用寿命长等,适 用于氧化性和惰性气氛中,也可短期用于真空中,但不适 用于还原性气氛或含有金属或非金属蒸汽中;参比端不 需进行冷端补偿,因为在050范围内热电势小于3V。 缺点:热电率较小,灵敏度低,高温下机械强度下降,抗污 染能力差,贵金属材料昂贵。 2021/3/2727 3. 镍铬-镍硅热电偶（K型） 使用量最大的廉金属热电偶,用量为其他热电偶的总和 正极（KP）的名义化学成分为:Ni:Cr=90:10, 负极（KN）的名义化学化学成分为Ni:Si=97:3。 其使用温度为-2001300。 优点:线性度好,热电势较大,灵敏度较高,稳定性和复现性

17、均好,抗氧化性强,价格便宜。能用于氧化性和惰性气氛 中。 K型热电偶不能在高温下直接用于硫、还原性或还原、 氧化交替的气氛中,也不能用于真空中。 2021/3/2728 4. 镍铬-铜镍热电偶（E型） 称为镍铬-康铜热电偶,也是一种廉价金属热电偶。 其正极（EP）为镍铬10合金,化学成分与KP相同,负极 （EN）为铜镍合金,名义化学成分为55%的铜、45%的镍以 及少量的钴、锰、铁等元素。 该热电偶电动势之大,灵敏度之高属所有标准热电偶之最, 宜制成热电偶堆来测量微小温度变化。 E型热电偶可用于湿度较大的环境里,具有稳定性好,抗氧 化性能高,价格便宜等优点。但不能在高温下用于硫、还原 性气氛中

18、。 2021/3/2729 标准化热电偶热电势和温度的关系 2021/3/2730 表6.3.3 标准化热电偶的特性 热电偶种类热电偶种类优点优点缺点缺点 B 适于测量1000以上的高温 常温下热电动势极小，可不用补偿导线 抗氧化、耐化学腐蚀 在中低温领域热电动势小，不能用于600以下 灵敏度低 热电动势的线性不好 R、S 精度高、稳定性好，不易劣化 抗氧化、耐化学腐蚀 可作标准 灵敏度低 不适用于还原性气氛(尤其是H2、金属蒸气) 热电动势的线性不好 价格高 N 热电动势线性好 1200以下抗氧化性能良好 短程表序结构变化影响小 不适用于还原性气氛 同贵金属势电偶相比时效变化大 K 热电动势

19、线性好 1000下抗氧化性能良好 在廉金属热电偶中稳定性更好 不适用于还原性气氛 同贵金属热电偶相比时效变化大 因短程有序结构变化而产生误差 E 在现有的热电偶中，灵敏度最高 同J型相比，耐热性能良好 两极非磁性 不适用于还原性气氛 热导率低具有微滞后现象 J 可用于还原性气氛 热电动势较K型高20%左右 铁正极易生锈 热电特性漂移大 T 热电动势线性好 低温特性好 产品质量稳定性好 可用于还原性气氛 使用温度低 铜正极易氧化 热传导误差大 2021/3/2731 6.3 热电偶传感器 6.3.1 热电偶测温原理 6.3.2 热电偶的基本定律 6.3.3 热电偶的冷端处理和补偿 6.3.4 标

20、准化热电偶 6.3.5 非标准化热电偶非标准化热电偶 6.3.6 热电偶结构型式 6.3.7 热电偶安装注意事项 2021/3/2732 6.3.5 非标准化热电偶 名称名称 热电极材料热电极材料 使用温度使用温度 范围范围()() 过热使用温过热使用温 度度 范围范围()() 特征特征 正极正极 负极负极 钨莱系Wre5、Wre3Wre26、Wre25023003000 适用于还原性、H2及惰性 气体。质脆 铂铑系PtRh20、PtRh40PtRh5、PtRh20 3001500 1100 1600 1800 1800 在高温下使用，热电动势 小，其它性能与R型相同 铱铑系Ir、Ir、Ir IrRh40、IrRh50、 IrRh60 1100 2000 2100 适用于真空、惰性气体及 微氧化性气氛。质脆 镍钼系NiNiMo1801280/ 可用于还原性气氛，热电 动势大 钯铂系Pd、Pt及Au合金Au