第二章-热电偶原理

1、热电偶测温技术课程纲要 温度测定方法概述温度测定方法概述 热电偶的背景及特点热电偶的背景及特点 热电偶三大定律热电偶三大定律 热电偶种类及结构热电偶种类及结构 热电偶的补偿导线及二次仪表热电偶的补偿导线及二次仪表 热电偶使用时误差热电偶使用时误差 热电偶的具体应用热电偶的具体应用ITS-90国际实用温标 温度单位热力学温度（符号为温度单位热力学温度（符号为T）的单位为开尔文（符的单位为开尔文（符号为号为K），），定义为水三相点的热力学温度的定义为水三相点的热力学温度的1/273.16 国际温标国际温标ITS-90的通则的通则 ITS-90由由0.65K向上到普朗克辐向上到普朗克辐射定律使用单色

2、辐射实际可测量的最高温度射定律使用单色辐射实际可测量的最高温度 四个温区四个温区 第一温区为第一温区为0.65K到到5.00K之间之间, 由由3He和和4He的蒸气压与温度的的蒸气压与温度的关系式来定义。关系式来定义。 第二温区为第二温区为3.0K到氖三相点到氖三相点(24.5661K)之间之间，用氦气体温度计用氦气体温度计来定义来定义. 第三温区为平衡氢三相点第三温区为平衡氢三相点(13.8033K)到银的凝固点到银的凝固点(961.78)之之间间, 由铂电阻温度计来定义由铂电阻温度计来定义. 银凝固点银凝固点(961.78)以上的温区以上的温区, 按普朗克辐射定律来定义的按普朗克辐射定律来

3、定义的,复复现仪器为光学高温计现仪器为光学高温计 温度测定方法的分类 接触式测温接触式测温 膨胀式温度计，测温范围为膨胀式温度计，测温范围为-200600 ，就地测量，就地测量 压力表式温度计，测温范围为压力表式温度计，测温范围为-0600 ，近距离，近距离 热电阻温度计，测温范围为热电阻温度计，测温范围为-200960，远距离，远距离 热电偶温度计，测温范围宽，远距离热电偶温度计，测温范围宽，远距离 非接触式测温非接触式测温 光学辐射式高温计光学辐射式高温计 红外辐射仪，适于测量较低温度红外辐射仪，适于测量较低温度温度计的选择原则 使用温度范围、准确度等级及测量误差是否能达使用温度范围、准确

4、度等级及测量误差是否能达到要求到要求 响应速度、互换性及可取性如何响应速度、互换性及可取性如何 读数、记录、控制、报警等操作是否方便读数、记录、控制、报警等操作是否方便 使用寿命，耐热、耐蚀、抗震性能如何使用寿命，耐热、耐蚀、抗震性能如何 价格高低价格高低热电偶的由来（1） 1819年哥本哈根的年哥本哈根的H.C. Oersted电变磁现象电变磁现象 法拉第在其后用了十年时间发现了磁变电现象法拉第在其后用了十年时间发现了磁变电现象 热电效应由德国医生热电效应由德国医生T. J. Seebeck于于1821年发现年发现Seebeck效应部分用部分用Cu部分用部分用Bi的电路来研究奥斯特的实验的电

5、路来研究奥斯特的实验没加电流时磁针偏转没加电流时磁针偏转热磁效应热磁效应热电效应奥斯特热电效应奥斯特热电偶的由来（2） 由由A.C. Becquerel 于于1823年把热电效应应用于测温实年把热电效应应用于测温实践，践，“相加定律相加定律” Pouillet研制了研制了Pt-Fe热电偶热电偶 Le Chatelier开发了真正适用的高温计开发了真正适用的高温计PtRh 10-Pt热电偶的发展（1） 1821第一次世界大战第一次世界大战 采用的配对法：将感兴趣的待试材料直接配成热采用的配对法：将感兴趣的待试材料直接配成热电偶，实验测定该热电偶的热电势特性。多年来电偶，实验测定该热电偶的热电势特

6、性。多年来实测了近实测了近300种热电材料组合的热电特性。种热电材料组合的热电特性。 热电温度计制造厂生产的二次仪表也开始建立了热电温度计制造厂生产的二次仪表也开始建立了统一的分度表统一的分度表 对材料提出了控制质量，符合一定规范的要求，对材料提出了控制质量，符合一定规范的要求，引起对材料性能研究的重视。引起对材料性能研究的重视。热电偶的发展（2） 第一次世界大战后第一次世界大战后40年年 对材料热电性能的研究的重视，对金属和合金热对材料热电性能的研究的重视，对金属和合金热电性理论的研究在出现了空前的热潮。电性理论的研究在出现了空前的热潮。 比较法：选择一种热电性能稳定，化学性能好的比较法：选

7、择一种热电性能稳定，化学性能好的材料作标准电极各种被试材料分别与标准电极材料作标准电极各种被试材料分别与标准电极组成热电偶，测定这些热电偶的热电势温度特组成热电偶，测定这些热电偶的热电势温度特性曲线。性曲线。 1958年，美国标准局正式推荐用此法作为热电偶年，美国标准局正式推荐用此法作为热电偶材料试验的标准方法。材料试验的标准方法。热电偶的发展（3） 60年代至今年代至今 对材料热电性能和测试方法十分重视，在发展新型热电偶对材料热电性能和测试方法十分重视，在发展新型热电偶材料方面取得了不少成绩铠装热电偶材料得到普遍推广材料方面取得了不少成绩铠装热电偶材料得到普遍推广使用，产品规格和性能试验多已

8、标准化使用，产品规格和性能试验多已标准化 分析法：以现代热电理论为指导，综合冶金、物理、化学分析法：以现代热电理论为指导，综合冶金、物理、化学的理论与经验规律来进行热电偶合金的性能研究和综合设的理论与经验规律来进行热电偶合金的性能研究和综合设计。计。 国际比对试验结果：国际比对试验结果：Pt RhPt标准热电偶复现温标的精度标准热电偶复现温标的精度远低于高温铂电阻故在远低于高温铂电阻故在1990年修订国际实用温标时，热年修订国际实用温标时，热电偶不再被当作温标的标推仪器使用，代之以标推高温铂电偶不再被当作温标的标推仪器使用，代之以标推高温铂电阻温度计。电阻温度计。热电偶的特点 可将温度直接转换

9、成电信号，测量调节控制放大和变换都可将温度直接转换成电信号，测量调节控制放大和变换都很容易进行，既有利于远距离传送，便于集中管理，又很很容易进行，既有利于远距离传送，便于集中管理，又很适合就地自动控制和电子计算机处理。适合就地自动控制和电子计算机处理。 价格低廉，国际标准化的产品容易获得，结构简单，使用价格低廉，国际标准化的产品容易获得，结构简单，使用方便，安装、维修、保养都很方便。方便，安装、维修、保养都很方便。 测温精度较高，经单支分度可达测温精度较高，经单支分度可达0.1。工业月工业月S型和型和R型型热电偶的精度可达热电偶的精度可达0.1%t(t为校测温度为校测温度)。 测温范围广，如测

10、温范围广，如E型等热电偶可测型等热电偶可测-200700，而，而S、R型型热电偶可测从热电偶可测从01600 可以测量小物体的温度分布甚至点温。可以测量表面温度、可以测量小物体的温度分布甚至点温。可以测量表面温度、高速过程的瞬变温度，其最大特点是可以测量温差。高速过程的瞬变温度，其最大特点是可以测量温差。14气体出口(偶联接口)石英炉套反应性气体出口恒温天平室天平室保护性气体进口测试炉样品室开关电动机清洁气体或抽真空口隔热挡板样品盘样品温度传感器炉温传感器电加热片反应性气体进口加热炉外罩平行支架超微量或微量天平热电偶的缺点 热电偶受测温现场环境气氛的限制热电偶受测温现场环境气氛的限制 测温精度

11、难于达到土测温精度难于达到土0.1以上以上 参考端温度要恒定参考端温度要恒定(如在如在0)，若偏离参考温度，必须若偏离参考温度，必须进行补偿，或使用补偿导线，从而增加经费进行补偿，或使用补偿导线，从而增加经费 在高温下使用或长期工作时，由于热电势不稳定，将在高温下使用或长期工作时，由于热电势不稳定，将产生示值漂移，需要进行定期检定或修正产生示值漂移，需要进行定期检定或修正均质回路定律用一种均匀的金属导体构成的回路，单靠局部加热或冷用一种均匀的金属导体构成的回路，单靠局部加热或冷却或改变其横截面积的方法绝不能在其中保持电流却或改变其横截面积的方法绝不能在其中保持电流中间金属定律如果回路的所有部分

12、都处于同一均匀的温度，则由任何如果回路的所有部分都处于同一均匀的温度，则由任何多种不同导体构成的回路中的热电动势之代数和为零多种不同导体构成的回路中的热电动势之代数和为零参考电极定律中间温度定律v为制定热电偶的热电势温度关系分度表奠定理论基础为制定热电偶的热电势温度关系分度表奠定理论基础v为工业测温中应用补偿导线提供了理论依据为工业测温中应用补偿导线提供了理论依据热电偶种类（1） 铂铑铂铑10铂热电偶铂热电偶(s型热电偶型热电偶) 准确度最高准确度最高,稳定性最好稳定性最好,测温温区宽测温温区宽,使用寿命长，使用寿命长，1300/1600 热电势率较小，灵敏度低，抗污染性差，价格昂贵热电势率较

13、小，灵敏度低，抗污染性差，价格昂贵 铂铑铂铑13铂热电偶铂热电偶(R型热电偶型热电偶) 与与S型热电偶性能相当型热电偶性能相当 主要用于进口设备上测温主要用于进口设备上测温 铂铑铂铑30铂铑铂铑6电偶电偶(B型热电偶型热电偶) 与与S型热电偶性能相当型热电偶性能相当 测温上限高，可达测温上限高，可达1600/1800. 参考端通常不用补偿导参考端通常不用补偿导线补偿线补偿热电偶种类（2） 镍铬镍硅热电偶镍铬镍硅热电偶(K型热电偶型热电偶) 价格便宜，用量最大，其用量为其他热电偶的总和价格便宜，用量最大，其用量为其他热电偶的总和 线性度好、热电势大、灵敏度高，稳定性和均匀性较线性度好、热电势大、

14、灵敏度高，稳定性和均匀性较好好 镍铬硅镍硅热电偶镍铬硅镍硅热电偶(N型热电偶型热电偶) 与与K型性能相当，某些方面由于型性能相当，某些方面由于K型型 镍铬铜镍（康铜）热电偶镍铬铜镍（康铜）热电偶(E型热电偶型热电偶) 热电偶电动势最大，灵敏度最高，可制成热电堆，测热电偶电动势最大，灵敏度最高，可制成热电堆，测量微小的温度变化。量微小的温度变化。热电偶种类（3） 铁铜镍（康铜）热电偶铁铜镍（康铜）热电偶(J型热电偶型热电偶) 不仅可适用与氧化和惰性气氛，还可适用于还原气氛不仅可适用与氧化和惰性气氛，还可适用于还原气氛 铜铜镍（康铜）热电偶铜铜镍（康铜）热电偶(T型热电偶型热电偶) 最佳的测量低温

15、的廉金属热电偶，最佳的测量低温的廉金属热电偶，200350度度 在在2000区间内稳定性很好区间内稳定性很好 钨铼热电偶（钨铼热电偶（WRe3-WRe25/ WRe5-WRe26) 综合性能与综合性能与S型相当，但价格便宜，在钢厂使用很多型相当，但价格便宜，在钢厂使用很多 最高温度最高温度2300度，能在还原气氛下使用，不适用于氧度，能在还原气氛下使用，不适用于氧化气氛化气氛热电偶线径和温度关系热电偶结构 裸露热电偶 装配式热电偶 铠装热电偶裸露热电偶 两根成分不同的裸热电极焊在一起，构成测量接点两根成分不同的裸热电极焊在一起，构成测量接点 未考虑热电极的电绝缘问题未考虑热电极的电绝缘问题 套

16、以绝缘管（瓷管）绝缘热电偶套以绝缘管（瓷管）绝缘热电偶装配式热电偶 绝缘热电偶外面加保护套管装配式热电偶绝缘热电偶外面加保护套管装配式热电偶 稳定、安装简便、操作容易稳定、安装简便、操作容易 尺寸较大，滞后时间长尺寸较大，滞后时间长接线盒类型铠装热电偶 由金属套管、绝缘材料（一般为氧化镁粉）和热由金属套管、绝缘材料（一般为氧化镁粉）和热电偶线三者组合而成的坚实体。电偶线三者组合而成的坚实体。 按测量端：绝缘型、接壳型、露端型和分离式绝按测量端：绝缘型、接壳型、露端型和分离式绝缘型；按固定装置：无、卡套式、螺纹、法兰等缘型；按固定装置：无、卡套式、螺纹、法兰等 测量范围大和反应速度快测量范围大和

17、反应速度快 安装使用方便安装使用方便 使用寿命长，机械强度和耐压性能好使用寿命长，机械强度和耐压性能好 从从0.25mm12mm直径范围，最大长度可到直径范围，最大长度可到500m铠装热电偶测量端响应时间举例压簧固定式热电偶炉壁表面热电偶多点式热电偶补偿导线 为了使热电偶的冷端温度保持恒定为了使热电偶的冷端温度保持恒定(最好为最好为0)，可把热电偶做得很长这种方法一方面安装使用不可把热电偶做得很长这种方法一方面安装使用不方便，另一方面也要多耗费许多贵重的金属。方便，另一方面也要多耗费许多贵重的金属。 在一定温度范围内，具有与所匹配的热电偶的热在一定温度范围内，具有与所匹配的热电偶的热电动势标称

18、值相同的一对带绝缘包覆的导线叫补电动势标称值相同的一对带绝缘包覆的导线叫补偿导线，用它们将热电偶与测量装置联接，以补偿导线，用它们将热电偶与测量装置联接，以补偿热电偶连接处的温度变化所产生的误差偿热电偶连接处的温度变化所产生的误差补偿导线特点 补偿导线合金丝、绝缘层、护套、屏蔽层补偿导线合金丝、绝缘层、护套、屏蔽层 改善热电偶测温线路的物理性能和机械性能，采改善热电偶测温线路的物理性能和机械性能，采用多股线芯或小直径补偿导线可提高线路的挠性，用多股线芯或小直径补偿导线可提高线路的挠性，使接线方便，也可调节线路电阻或屏蔽外界干挠；使接线方便，也可调节线路电阻或屏蔽外界干挠； 降低测量线路成本，当

19、热电偶与测量装置距离很降低测量线路成本，当热电偶与测量装置距离很远使用补偿导线可以节省大量的热电偶材料，远使用补偿导线可以节省大量的热电偶材料，特别是使用贵金属热电偶时，经济效益更为明显。特别是使用贵金属热电偶时，经济效益更为明显。美安捷伦公司生产的HP 34970A可配置成可配置成20至至120个通道个通道，0.004%基本基本直流精度直流精度，250通道通道/秒扫描速率秒扫描速率，50000个读数存贮个读数存贮直接测量热电偶、电阻温度检测器、热敏直接测量热电偶、电阻温度检测器、热敏电阻、直流电压、交流电压、电阻、直流电电阻、直流电压、交流电压、电阻、直流电流、交流电流、频率和周期。流、交流

20、电流、频率和周期。标准标准HP-IB和和RS232接口接口，实现远传，实现远传热电偶使用时的误差 热电偶本身精度所导致的误差热电偶本身精度所导致的误差 测量过程由于测量方法也容易引起误差测量过程由于测量方法也容易引起误差热区误差 影响热电偶测量结果的误差源是影响热电偶测量结果的误差源是“热分流热分流” 热电偶的理想安装方法，应当避免产生热分流误热电偶的理想安装方法，应当避免产生热分流误差，还应当保证接近热电偶测量端的热电极差，还应当保证接近热电偶测量端的热电极(具有具有足够长度足够长度)与被测物体温度相等与被测物体温度相等 为了使热电偶的测量端与被测物体温度一致，通为了使热电偶的测量端与被测物

21、体温度一致，通常采用常采用5倍到倍到10倍热电偶直径的长度作为热电偶测倍热电偶直径的长度作为热电偶测温时的温时的“最小浸没深度最小浸没深度”如果热电仍直径很粗，如果热电仍直径很粗，或者是良导体，浸没深度为或者是良导体，浸没深度为10倍直径也许还不够。倍直径也许还不够。温度梯度区误差 热电势是产生在这一区域。热电势是产生在这一区域。 因偶丝遭受严重污染或发生不可逆效应从而使其因偶丝遭受严重污染或发生不可逆效应从而使其热电特性与其原始的标准分度特性严重偏离所引热电特性与其原始的标准分度特性严重偏离所引起的测温误差，称为起的测温误差，称为“蜕变蜕变”误差或误差或“飘移飘移”。 不同种类的标准化热电偶

22、，不仅其标准分度特性不同种类的标准化热电偶，不仅其标准分度特性不一样，而且在抗沾污能力、抗时效、耐高温等不一样，而且在抗沾污能力、抗时效、耐高温等方面也有不同因此，选择热电偶的型号就成为方面也有不同因此，选择热电偶的型号就成为一个很重要的事情一个很重要的事情补偿导线区误差 注意在低温区补偿导线的热电特性须和热电偶的注意在低温区补偿导线的热电特性须和热电偶的热电特性接近热电特性接近 热电极与补偿导线合金丝之间的接点应尽量保持热电极与补偿导线合金丝之间的接点应尽量保持在等温区以避免由于接插件引起的附加误差。在等温区以避免由于接插件引起的附加误差。 补偿导线的极性不要接反，否则会引起重大误差。补偿导

23、线的极性不要接反，否则会引起重大误差。 参考端区误差假如想从测得的热电势来知道热点温度，则参考端温度很重要假如想从测得的热电势来知道热点温度，则参考端温度很重要而且必须知道。而且必须知道。两根热电极的参考端温度必须一致，否则会产生误差。铜导线两根热电极的参考端温度必须一致，否则会产生误差。铜导线应选取高质量、表面不涂锡的以避免产生其他误差源应选取高质量、表面不涂锡的以避免产生其他误差源在某些情况下，比如从热接点到电测仪表的距离相当长时，则在某些情况下，比如从热接点到电测仪表的距离相当长时，则可用普通铜电缆来代替合金热电极或补偿导线，以达到节约目可用普通铜电缆来代替合金热电极或补偿导线，以达到节

24、约目的。的。电测仪表区误差 当使用高质量的电位差计进行测量热电动势时测量误差是当使用高质量的电位差计进行测量热电动势时测量误差是很小的，但用较高速的如模拟数字转换器或计算机进行很小的，但用较高速的如模拟数字转换器或计算机进行测量时，常常会引进约测量时，常常会引进约10的测量误差。的测量误差。如何减少管内流体温度测量误差 把管道和套管外露部分一起进行保温，即用保把管道和套管外露部分一起进行保温，即用保温材料包起来，使套管外露部分的温度接近管温材料包起来，使套管外露部分的温度接近管道温度。道温度。 增加温度计插入深度，减少外露部分，具体做增加温度计插入深度，减少外露部分，具体做法是将温度计在管道弯

25、头处插入或斜向插入。法是将温度计在管道弯头处插入或斜向插入。 使温度计迎着气流方向插入，感温元件头部放使温度计迎着气流方向插入，感温元件头部放在管道中心线上，以得到最大的对流换热系数。在管道中心线上，以得到最大的对流换热系数。 减小温度计套管导热系数，不采用高导热系数减小温度计套管导热系数，不采用高导热系数的材料作套管？的材料作套管？ 增加套管的外圆周长和截面积之比，在强度许增加套管的外圆周长和截面积之比，在强度许可的条件下，应采用薄壁和小直径套管。可的条件下，应采用薄壁和小直径套管。热电偶测量高温烟气误差 热电偶实测的温度壁烟气的真实温度低热电偶实测的温度壁烟气的真实温度低 热接点的平衡温度

26、热接点的平衡温度 热电偶与热电偶与与周围气体的对流换热与周围气体的对流换热 热电偶与气体、悬浮粒子及炉壁热电偶与气体、悬浮粒子及炉壁的辐射换热的辐射换热 热电偶丝的导热热电偶丝的导热 气体的动能在热接点边界层内转化为热能气体的动能在热接点边界层内转化为热能热电偶测量高温烟气的导热误差)(22TTudxTdAgcww)(cosh1engramgTTRRTTwwaAR1ulRcr1热电偶测量高温烟气的辐射误差 热接点受到气体的对流加热及烟气中的三原子气体和热接点受到气体的对流加热及烟气中的三原子气体和灰粒子的辐射加热灰粒子的辐射加热 热接点同时对水冷壁辐射加热热接点同时对水冷壁辐射加热)(220wmwmrTTTTa)()(wmrmgcTTTT减少热电偶测量气流温度的误差 尽可能增加热电偶插入被测气流的长度以减少导尽可能增加热电偶插入被测气流的长度以减少导热误差。热误差。 采用细直径热电偶，可以减少导热