热工测量仪表第3章.1热电偶

1、第三章第三章接触式温度检测及仪表接触式温度检测及仪表 第三章第三章 第一节热电偶温度计第一节热电偶温度计主要内容主要内容 v第一节第一节 热电偶温度传感器热电偶温度传感器v第二节第二节热电阻温度传感器热电阻温度传感器 v第三节第三节测温实例测温实例 v第四节第四节其他温度检测仪表其他温度检测仪表 第一节热电偶温度计第一节热电偶温度计主要内容主要内容 v第一节第一节 热电现象和关于热电偶的基本定热电现象和关于热电偶的基本定律律v第二节第二节 标准化和非标准化热电偶标准化和非标准化热电偶v第三节第三节 热电偶的冷端温度补偿问题热电偶的冷端温度补偿问题v第四节第四节 热电偶的校验热电偶的校验一、热电

2、现象和热电偶温度计一、热电现象和热电偶温度计二、热电偶的三条基本定律二、热电偶的三条基本定律一、热电现象和热电偶温度计一、热电现象和热电偶温度计1.1.热电偶：热电偶：两种不同材料的导体（或半导体）两种不同材料的导体（或半导体）A A和和B B组成闭合回路。组成闭合回路。A A、B B是热偶丝，也叫热电极。是热偶丝，也叫热电极。2. 热电势：热电势：热电偶热电偶放在被测对象中，两端温度不同放在被测对象中，两端温度不同时，会产生的电动势时，会产生的电动势3. 3. 热电流：热电流：回路中通过的电流回路中通过的电流4.4.热端（工作端）、冷端（自由端）热端（工作端）、冷端（自由端）：感受温度变：感

3、受温度变化的那端称为或热端，另一端称为或冷端。化的那端称为或热端，另一端称为或冷端。这种物理现象称为这种物理现象称为热电现象热电现象。热电偶：范围热电偶：范围10016000C, 温度信号变成电信号，远传。温度信号变成电信号，远传。先看一个实验先看一个实验热电偶工作原理演示热电偶工作原理演示 结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。 热电极热电极A A右端称为：右端称为：自由端自由端（参考端、（参考端、冷端）冷端） 热电偶的工作原理热电偶的工作原理 左端称为：左端称为：测量端测量端（工作端、（工作端、热端）热端） 热电极热电极B B热

4、电势热电势A AB B上述现象称为热电现象，上述现象称为热电现象，18211821年赛贝克发现的，年赛贝克发现的， 也称赛贝克效应也称赛贝克效应一、热电现象和热电偶温度计一、热电现象和热电偶温度计5. 热电势的产生原因：热电势的产生原因： 由由温差电势温差电势和和接触电势接触电势组成组成1）温差电势：）温差电势：一根导体两端温度不同产生的热电一根导体两端温度不同产生的热电动势动势原因：原因：eA)()(0tteAAA一、热电现象和热电偶温度计一、热电现象和热电偶温度计5. 热电势的产生原因：热电势的产生原因：2）接触电势：）接触电势：两种不同导体两种不同导体A、B接触时产生原因接触时产生原因(

5、 )ABt0000(, ) ()()( )( )()( )ABABAAABBBE t ttttttt3)3)回路总电动势：回路总电动势：A A的电子密度大于的电子密度大于B B，tttt0 0，则，则回路中存在着回路中存在着四个电势四个电势, ,)(te-(t)e)t(t,E0ABAB0AB一、热电现象和热电偶温度计一、热电现象和热电偶温度计5. 热电势的产生原因：热电势的产生原因：热电势的工作原理：热电势的工作原理：某只热电偶，如果使冷端温某只热电偶，如果使冷端温度度t t0 0保持不变，则热电动势便成为热端温度保持不变，则热电动势便成为热端温度t t的的单一函数。即，单一函数。即，故测量热

6、电势的大小就可以反映温度的数值故测量热电势的大小就可以反映温度的数值 AB0ABE(t,t )e(t)-C一、热电现象和热电偶温度计一、热电现象和热电偶温度计6.6.热电势的工作原理热电势的工作原理二、热电偶的三条基本定律二、热电偶的三条基本定律均匀导体定律、均匀导体定律、 中间导体定律、中间导体定律、 中间温度定律中间温度定律1. 1. 均匀导体定律均匀导体定律 1 1）定律内容：）定律内容：由一种均匀导体（或半导体）组由一种均匀导体（或半导体）组成的闭合回路，不论温度如何分布，都不能产成的闭合回路，不论温度如何分布，都不能产生电动势。生电动势。 2 2）定律推论）定律推论v（1)1)热电偶

7、必须由两种不同材料组成热电偶必须由两种不同材料组成v（2)2)由一种材料组成的闭合回路存在温差时，由一种材料组成的闭合回路存在温差时，如回路有热电势，则材料不均匀如回路有热电势，则材料不均匀2 中间导体定律中间导体定律1）定律内容：）定律内容：不同材料组成的闭合回路中，若不同材料组成的闭合回路中，若各各种材料接触点的温度种材料接触点的温度都都相同相同，则回路中热电势，则回路中热电势的总和等于零。的总和等于零。2）定律推论）定律推论v推论推论1 1：在热电偶回路接入第三种导体，若第：在热电偶回路接入第三种导体，若第三种导体的两接点温度相同，对回路中总热三种导体的两接点温度相同，对回路中总热电势无

8、影响。电势无影响。v推论推论2:2:二、热电偶的三条基本定律二、热电偶的三条基本定律3)3)推论推论1 1用途用途: :1)1)连接显示仪表的两个接点温度相同，连接显示仪表的两个接点温度相同， 则不则不影响热电偶电势影响热电偶电势 2 2）也可以将热电偶的两端不焊接而直接插入液）也可以将热电偶的两端不焊接而直接插入液态金属中或直接焊在金属表面进行温度测量。态金属中或直接焊在金属表面进行温度测量。二、热电偶的三条基本定律二、热电偶的三条基本定律2 2 中间导体定律中间导体定律2 2 中间导体定律中间导体定律(4(4）推论）推论1 1证明：证明： tt0A BBC(a)EABC(t,t1,t0)=

9、eAB(t)+ eBC(t1) + eCB(t1)+ eBA(t0) = eAB(t)eAB (t0) = EAB(t,t0)t1t1二、热电偶的三条基本定律二、热电偶的三条基本定律 1 1）第一种连接方式）第一种连接方式t1tA BC(a)EABC(t,t1,t0)=eAB(t)+ eBC(t0) + eCA(t0)若设若设tt1t0 ，则根据本定律有，则根据本定律有 eAB(t0)+ eBC(t0) + eCA(t0) 0EABC(t,t1,t0)=eAB(t)- eAB(t0)=EAB(t,t0)t0t02 2 中间导体定律中间导体定律二、热电偶的三条基本定律二、热电偶的三条基本定律(4

10、(4）推论）推论1 1证明证明2 2）第二种连接方式）第二种连接方式5)5)推论推论2 2：如果两种导体如果两种导体A,B对另一种导对另一种导体体C的热电势已知，则这两种导体组成的热电势已知，则这两种导体组成热电势热电势=是它们对参考导体热电势的代是它们对参考导体热电势的代数和。数和。)t(t,E)t(t,E0AC0AB+ +A At tt t0 0B B+ +A At tt t0 0C C+ +C Ct tt t0 0B BE EACACE ECBCBE EABAB)t(t,E0CB二、热电偶的三条基本定律二、热电偶的三条基本定律2 2 中间导体定律中间导体定律6）推论）推论2的用途：的用途

11、：（1）已知热电极与标）已知热电极与标准铂电极配对的热电准铂电极配对的热电势，任何两种热电极势，任何两种热电极配对的热电势可知。配对的热电势可知。t tB BA AC Ct tE EACACE ECBCBC C0 0t t0 0t t0 0t tEAC(t, t0) ECB(t, t0) =eAC(t)+ eCB(t) + eBA(t0)+ + + 因为因为eAC(t)+ eCB(t) + eBA(t)0所以所以EAC(t, t0) ECB(t, t0) =eAB(t)+ eBA(t0)= EAB(t, t0) 二、热电偶的三条基本定律二、热电偶的三条基本定律2 2 中间导体定律中间导体定律7

12、）推论）推论2的证明的证明3 3 中间温度定律中间温度定律1 1）定律内容：）定律内容： 热电偶在两接点温度热电偶在两接点温度t t1 1、t t3 3时的热电时的热电动势等于接点温度分别为动势等于接点温度分别为t t1 1、t t2 2和和t t2 2、t t3 3 的两支同的两支同性质热电偶的热电动势的代数和。性质热电偶的热电动势的代数和。+ +A At t1 1t t2 2B BE E1 1+ +A At t3 3B BE E2 2EAB(t1, t2) EAB(t2, t3) = eAB(t1)+ eBA(t2)+ eAB(t2) + eBA(t3)= eAB(t1) + eBA(t3

13、)= EAB(t1, t3)+ +A At t1 1t t3 3B BE E3 3=E=E1 1+E+E2 2二、热电偶的三条基本定律二、热电偶的三条基本定律2)定律的应用：定律的应用：1）为热电偶）为热电偶热电势温度关系分度热电势温度关系分度奠定了理论基础。奠定了理论基础。 已知热电偶在某一给定冷端温度下，电压对应的已知热电偶在某一给定冷端温度下，电压对应的温度值，另外冷端温度下，电压应对应什么温度？温度值，另外冷端温度下，电压应对应什么温度？（修正解决）（修正解决）2）为工业测温中）为工业测温中应用补偿导线应用补偿导线提供了理论依据。提供了理论依据。 1 测温时，其冷端温度要求恒定测温时，

14、其冷端温度要求恒定（？），如直接（？），如直接满足此条件，热电偶冷端直接延伸放到恒温的地满足此条件，热电偶冷端直接延伸放到恒温的地方，热电偶很长，价格较高。方，热电偶很长，价格较高。 2 用补偿导线连接到热电偶的冷端，延伸至恒定用补偿导线连接到热电偶的冷端，延伸至恒定冷端温度，在达到冷端温度恒定要求的同时，降冷端温度，在达到冷端温度恒定要求的同时，降低造价。低造价。 二、热电偶的三条基本定律二、热电偶的三条基本定律3 中间温度定律中间温度定律 分为补偿型和延伸型分为补偿型和延伸型v 补偿型的材料与对应的热电偶不同，价格便补偿型的材料与对应的热电偶不同，价格便宜，但在低温下热电性质相同宜，但在低

15、温下热电性质相同v延伸型的材料与对应的热电偶相同，但准确延伸型的材料与对应的热电偶相同，但准确度要求略低度要求略低4）使用补偿导线的注意事项）使用补偿导线的注意事项 （1）在一定的温度范围内使用）在一定的温度范围内使用 （2）补偿导线与热电偶极热电性质相同）补偿导线与热电偶极热电性质相同 （3）极性不能接反）极性不能接反 （4）接入点温度一致）接入点温度一致 二、热电偶的三条基本定律二、热电偶的三条基本定律3 中间温度定律中间温度定律3 3）补偿导线的分类）补偿导线的分类热电偶通常由热电极、绝缘管、保护套管热电偶通常由热电极、绝缘管、保护套管等几个主要部分组成，其常见外形结构如等几个主要部分组

16、成，其常见外形结构如图所示。图所示。安装安装螺纹螺纹安装安装法兰法兰一、热电极材料及性质一、热电极材料及性质二、标准化热电偶二、标准化热电偶三三 非标准化热电偶非标准化热电偶四四 热电偶的构造热电偶的构造一、热电极材料及性质一、热电极材料及性质1）物理性质稳定，其热电性质不随时间变）物理性质稳定，其热电性质不随时间变化化2）化学性质稳定，不易被氧化和腐蚀）化学性质稳定，不易被氧化和腐蚀3）灵敏度和线性度好）灵敏度和线性度好4）电导率高，电阻温度系数小）电导率高，电阻温度系数小5）复制性好复制性好，以便交换，以便交换6）价格便宜）价格便宜目前材料无法满足全部要求，不同条件下使目前材料无法满足全部

17、要求，不同条件下使用不同的热电极材料。用不同的热电极材料。 二、标准化热电偶二、标准化热电偶 标准化热电偶：是指制造工业较成熟，标准化热电偶：是指制造工业较成熟，应用广泛，能成批生产、性能优良而稳定应用广泛，能成批生产、性能优良而稳定并已列入专业或国家工业标准化文件中的并已列入专业或国家工业标准化文件中的那些热电偶那些热电偶标准化热电偶具有互换性标准化热电偶具有互换性 铂铑铂铑10-10-铂热电偶（分度号铂热电偶（分度号S S） 铂铑铂铑13-13-铂热电偶（分度号铂热电偶（分度号R R） 铂铑铂铑30-30-铂铑铂铑6 6热电偶（分度号热电偶（分度号B B） 镍铬一镍硅（镍铬一镍铝）热电偶（

18、分镍铬一镍硅（镍铬一镍铝）热电偶（分度号度号K K） 镍铬一康铜热电偶（分度号镍铬一康铜热电偶（分度号E E） 铁一康铜热电偶（分度号铁一康铜热电偶（分度号J J） 铜一康铜热电偶（分度号铜一康铜热电偶（分度号T T） 镍铬一金铁热电偶（分度号镍铬一金铁热电偶（分度号NiCrNiCrAuFe0.07AuFe0.07）及铜一金铁热电偶（分度号）及铜一金铁热电偶（分度号CuCuAuFe0.07AuFe0.07）1. 几种标准化热电偶的性能和特点几种标准化热电偶的性能和特点1）铂铑铂铑1010- -铂热电偶铂热电偶 分度号为分度号为“S”S”，贵金属热电偶。，贵金属热电偶。 常用直径常用直径0.5m

19、 m0.5m m。正极：铂铑丝。正极：铂铑丝( (铂铂90%90%，铑，铑l0%)l0%)，负极：纯铂丝。，负极：纯铂丝。 长期使用最高温度达长期使用最高温度达1300 1300 ，短期使用可达，短期使用可达16001600。特点：热电性能稳定，精度高，抗氧化性强，特点：热电性能稳定，精度高，抗氧化性强，宜在氧化性、惰性气氛中工作，在无合适的非宜在氧化性、惰性气氛中工作，在无合适的非金属保护套管时，不能在还原性气氛及含有金金属保护套管时，不能在还原性气氛及含有金属或非金属蒸汽中使用。属或非金属蒸汽中使用。 二、标准化热电偶二、标准化热电偶 1）铂铑铂铑1010- -铂热电偶铂热电偶 缺点：高温

20、下长期，铂电极易断，对污染缺点：高温下长期，铂电极易断，对污染敏感，导致热电势下降。它的热电势较小，敏感，导致热电势下降。它的热电势较小，灵敏度较低；价格昂贵。灵敏度较低；价格昂贵。 故国际温标中规定它为故国际温标中规定它为630.74630.741064.431064.43温度范围内复现温标的标准仪器。分度值温度范围内复现温标的标准仪器。分度值见附录见附录1 12.2.常用作标准热电偶或用于高温测量常用作标准热电偶或用于高温测量, ,价格贵，价格贵，精度高，灵敏度低精度高，灵敏度低。 二、标准化热电偶二、标准化热电偶1. 几种标准化热电偶的性能和特点几种标准化热电偶的性能和特点4 4 镍铬镍

21、铬- -镍硅（镍铬镍硅（镍铬- -镍铝）热电偶镍铝）热电偶 分度号为分度号为“K”K”，贱金属热电偶。常用直径，贱金属热电偶。常用直径0.30.30.32m m0.32m m。正极：镍铬合金。正极：镍铬合金( (镍镍90.5%90.5%，铬，铬9.5%)9.5%)，负极：镍硅，负极：镍硅( (镍镍97.5%97.5%，硅，硅2.5%)2.5%)。长期。长期使用最高温度可达使用最高温度可达1200 1200 ，短期使用可达，短期使用可达13001300。在。在500 500 以下可在还原性、中性、氧以下可在还原性、中性、氧性气氛中可靠的工作，在性气氛中可靠的工作，在500 500 以上只能中性、

22、以上只能中性、氧性气氛中工作。此热电偶可用于温度很低的氧性气氛中工作。此热电偶可用于温度很低的含氢或氨的气氛中，而不能用于氧化还原交替含氢或氨的气氛中，而不能用于氧化还原交替的气氛中，也不能用于含硫的气氛中，真空中的气氛中，也不能用于含硫的气氛中，真空中只能短期使用。其热电势比只能短期使用。其热电势比铂铑铂铑1010- -铂铂热电偶大热电偶大4 45 5倍，且线性好。分度值见附录倍，且线性好。分度值见附录1 15 5测温测温12001200以下，贱金属，线性度好，灵敏以下，贱金属，线性度好，灵敏度大。度大。5 5 镍铬镍铬- -康铜热电偶康铜热电偶 分度号为分度号为“E”E”。是一种贱金属热电

23、偶，。是一种贱金属热电偶，测温范围为测温范围为-200-200900900，常用直径，常用直径0.30.33.2m m3.2m m。它的正极是镍铬合金，负极是铜。它的正极是镍铬合金，负极是铜镍合金镍合金( (铜铜55%55%，镍，镍45%)45%)。长期使用最高温。长期使用最高温度可达度可达750 750 ，短期使用可达，短期使用可达900900。适。适合在中性、氧性气氛中工作，其它气氛中合在中性、氧性气氛中工作，其它气氛中使用所受的限制镍铬使用所受的限制镍铬- -镍硅热电偶相同。镍硅热电偶相同。适合在适合在0 0以下测温度，在高湿性气氛中不以下测温度，在高湿性气氛中不易腐蚀。其特点是每摄氏度

24、下对应热电动易腐蚀。其特点是每摄氏度下对应热电动势最高，因此经常被使用。分度值见附录势最高，因此经常被使用。分度值见附录1 16 6三三 非标准化热电偶非标准化热电偶 在某些特殊场合：高温、低温、超低温、在某些特殊场合：高温、低温、超低温、高真空和有核辐射等被测对象中使用高真空和有核辐射等被测对象中使用1 钨莱系热电偶钨莱系热电偶2 铱佬系热电偶铱佬系热电偶3 铂钼铂钼5铂钼铂钼0.1热电偶热电偶4 非金属热电偶非金属热电偶特点：不具有互换性，没有统一分度特点：不具有互换性，没有统一分度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

25、正极正极负极负极钨铼系WRe5、WRe3WRe26、WRe25023003000适用于还原性、H2及惰性气体。质脆铂铑系PtRh20、PtRh40PtRh5、PtRh2030015001100160018001800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、IrIrRh40、IrRh50、IrRh60110020002100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、Pd合金011001300耐磨性能强，热电动势的大小基本上与K型相同镍铬、金铁以Ni-Cr为主的合金含0.07mo1%F

26、e的合金0300K/20K以下热电动势比较大，热电动势的线性好银金、金铁含Au为0.37mo1%的合金含0.03mo1%Fe的Au-Fe合金140K/热电动势小，受磁场影响四四 热电偶的构造热电偶的构造 1 普通型热电偶普通型热电偶 2 铠装热电偶铠装热电偶 3 3 薄膜热电偶薄膜热电偶1 普通型热电偶普通型热电偶 本体是热电极，绝缘套，保护套管，本体是热电极，绝缘套，保护套管，接接线端子。线端子。普通普通装配型装配型热热电偶的电偶的结构结构放大图放大图 接线盒接线盒引出线套管引出线套管 固定螺纹固定螺纹 （出厂时用塑料包裹）（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）热电偶工作端（热端） 不锈钢

27、不锈钢保护管保护管 2 铠装热电偶铠装热电偶 铠装热电偶：金属套管、绝缘材料和热电极铠装热电偶：金属套管、绝缘材料和热电极三者一体三者一体四四 热电偶的构造热电偶的构造优点：优点：1）动态响应快；）动态响应快；2）机械强度高，挠性好，耐高压、强）机械强度高，挠性好，耐高压、强烈震动和冲击；烈震动和冲击；3）能解决能解决微小、狭窄场合的测温问题微小、狭窄场合的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。且具有抗震、可弯曲、超长等优点。铠装型热电偶外形法兰铠装型热电偶可铠装型热电偶可 长达上百米长达上百米薄壁金属薄壁金属 保护套管保护套管（铠体）（铠体） BA绝缘绝缘 材料材料铠装型热电偶铠装型热电

28、偶横截面横截面3 3 薄膜热电偶薄膜热电偶 由两种金属薄膜连接而成。由两种金属薄膜连接而成。 1 1）特点：）特点： 微小面积上的温度测量；动态响应快，可测微小面积上的温度测量；动态响应快，可测瞬变的表面温度。瞬变的表面温度。 2)2)应用：应用： (1)(1)如将热电极材料直接蒸镀到被测表面，可测微秒级变如将热电极材料直接蒸镀到被测表面，可测微秒级变化的温度。化的温度。 (2)(2)如制成针状，针尖为热端，可测量点的温度如制成针状，针尖为热端，可测量点的温度四四 热电偶的构造热电偶的构造复习思考题复习思考题 1热电偶为什么要冷端温度恒定？热电偶为什么要冷端温度恒定？ 2. 工业上使用补偿导线

29、的理论依据和注意工业上使用补偿导线的理论依据和注意事项事项3热电偶的三大基本定律是什么，有哪些热电偶的三大基本定律是什么，有哪些应用？应用？热电偶冷端温度的补偿问题热电偶冷端温度的补偿问题热电偶的电势大小不但与热端温度有关，热电偶的电势大小不但与热端温度有关，且与冷端温度有关，冷端应恒定。且与冷端温度有关，冷端应恒定。通常热电偶冷端放在距热端很近的大气中，通常热电偶冷端放在距热端很近的大气中，受热端和大气环境的影响，有波动受热端和大气环境的影响，有波动为消除冷端温度变化对测量的影响，可采为消除冷端温度变化对测量的影响，可采用冷端温度补偿方法用冷端温度补偿方法热电偶冷端温度的补偿问题热电偶冷端温

30、度的补偿问题一、计算法一、计算法二、冰点槽法二、冰点槽法三、补偿电桥法（冷端补偿器）三、补偿电桥法（冷端补偿器）四、多点冷端温度补偿法四、多点冷端温度补偿法五、晶体管五、晶体管PN结温度补偿法结温度补偿法一、计算法一、计算法1.问题提出问题提出 分度的冷端温度为分度的冷端温度为0 ，如测温时热电偶，如测温时热电偶是是t0，不为，不为0 ，不能用测得，不能用测得E(t, t0) 直接直接查分度表求查分度表求t。2 .计算公式计算公式 E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0) 用用E(t,0) 查表求查表求t 。？一、计算法一、计算法用镍铬用镍铬-镍硅镍硅(K(K型型) )热电偶测温，热电偶参

31、比端温热电偶测温，热电偶参比端温度为度为3030。测得的热电势为。测得的热电势为28mV28mV，求热端温度。，求热端温度。mVE203. 1)0 ,30(mVTE28)30,(mVmVmVTE203.29203. 128)0 ,(反查K分度表 T=701.5习题习题试填满下面的空格：试填满下面的空格：热电偶分度号热电偶分度号 热端温度热端温度 冷端温度冷端温度 热电势热电势 （0C) （0C) (mV) S 1300 0 B 1400 8.913 K 30 34.110 T -140 -6.455 E 805 35 J 555 15二、冰点槽法二、冰点槽法 冷端放入一个温度恒为冷端放入一个温度恒为0的冰点槽中的冰点槽中举例举例1. 将水与冰屑混合放入保温瓶，在瓶盖上插将水与冰屑混合放入保温瓶，在瓶盖上插入盛变压器油的试管，热电偶的冷端插入到试入盛变压器油的试管，热电偶的冷端插入到试管中。管中。三、补偿电桥法（冷端补偿器）三、补偿电桥法（冷端补偿器）原理：冷端波动热电势由不平衡电桥的输出补偿。原理：冷端波动热电势由不平衡电桥的输出补偿。具体方法具体方法: :1 1） 设计不平衡电桥设计不平衡电桥, ,电桥与热电偶冷端温度相同。桥电桥与热电偶冷端温度相同