自动检测技术及应用ppt课件第九章 热电偶课件

温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。它除具有结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号便于远传或信号转换等优点外，还能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。第九章温度测试技术

热电偶温度传感器热电偶的工作原理热电偶回路的性质热电偶的常用材料与结构冷端处理及补偿热电偶的选择、安装使用和校验两种不同的导体或半导体A和B组合成如图所示闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同（设T＞T0），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。这种现象早在1821年首先由西拜克（See－back）发现,所以又称西拜克效应。热电偶原理图TT0AB一、热电偶的工作原理回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即温差电势和接触电势。热端冷端1.接触电动势接触电势原理图+ABTeAB(T)-eAB(T)——导体A、B结点在温度T时形成的接触电动势；e——单位电荷，e=1.6×10-19C；k——波尔兹曼常数，k=1.38×10-23J/K

；NA、NB

——导体A、B在温度为T时的电子密度。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。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；σA——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σ=2μV/℃。2.温差电动势AeA(T,To)ToT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T＞T0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3.回路总电势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；σA、σB——导体A和B的汤姆逊系数。根据电磁场理论得或近似地：4）导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使EAB(T0)=常数，则回路热电势EAB(T，T0)就只与温度T有关，而且是T的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。3）只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生,EAB(T0，T0)=0

。1）热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。2）只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热电偶；相同材料不会产生热电势，因为当A、B两种导体是同一种材料时，ln(NA/NB)=0，也即EAA(T，T0)=0。由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体是否存在温度梯度，回路中没有电流(即不产生电动势)；反之，如果有电流流动，此材料则一定是非均质的，即热电偶必须采用两种不同材料作为电极。二、热电偶回路的性质1.均质导体定律

E总=EAB（T）+EBC（T0）+ECA（T0）=?三种不同导体组成的热电偶回路TABCT0T02.中间导体定律一个热电偶闭合回路接入第三种导体材料，只要第三材料连接的接点温度相同，则此回路热电动势数值不因第三材料的接入而改变。如图，由A、B、C三种材料组成的闭合回路，则

E总=EAB（T）+EBC（T0）+ECA（T0）两点结论：l）将第三种材料C接入由A、B组成的热电偶回路，如图，则图a中的A、C接点2与C、A的接点3，均处于相同温度T0之中，此回路的总电势不变，即同理，图b中C、A接点2与C、B的接点3，同处于温度T0之中，此回路的电势也为：T2T1AaBC23EABaAT023ABEABT1T2CT0EAB（T1,T2）=EAB（T1）-EAB（T2）(a)(b)T0T0EAB(T1,T2)=EAB(T1)-EAB（T2）第三种材料接入热电偶回路图电位计接入热电偶回路根据上述原理，可以在热电偶回路中接入电位计E，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，就不会影响回路中原来的热电势，接入的方式见下图所示。

ET0T1T1TET0T0T

EABC(T,T0

)

=EAB(

T)

+EBC(

T0)

+ECA(

T0)ET0T0T1T2T0T0热电偶测量多个点的温度和电路图

EAB（T,T0）=EAC（T,T0）+ECB（T,T0）T0TEAB(T,T0)ABT0TEAC(T,T0)ACT0TECB(T,T0)CB2）如果任意两种导体材料的热电势是已知的，它们的冷端和热端的温度又分别相等，如图所示，它们相互间热电势的关系为：3.中间温度定律

如果不同的两种导体材料组成热电偶回路,其接点温度分别为T1、T2(如图所示)时,则其热电势为EAB(T1,T2)；当接点温度为T2、T3时，其热电势为EAB(T2,T3)；当接点温度为T1、T3时，其热电势为EAB(T1,T3)，则BBAT2T1

T3

AAB

EAB（T1,T3）=EAB（T1,T2）+EAB（T2,T3）EAB（T1,T3）=EAB（T1,0）+EAB（0,T3）=EAB（T1,0）-EAB（T3,0）=EAB（T1）-EAB（T3）

ABT1T2T2A’B’T0T0热电偶补偿导线接线图E对于冷端温度不是零度时，热电偶如何分度表的问题提供了依据。如当T2=0℃时，则：只要T1、T0不变，接入AˊBˊ后不管接点温度T2如何变化，都不影响总热电势。这便是引入补偿导线原理。EABB’A’(T1,T0)

=EAB(T1)–EAB(T0)=EAB(T1,T0)

说明：当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A、B同样热电特性的材料A′、B′(如图)即引入所谓补偿导线时，当EAA΄(T2)=EBB΄(T2)，则回路总电动势为标准导体（电极）定律标准导体定律的意义通常选用高纯铂丝作标准电极只要测得它与各种金属组成的热电偶的热电动势，则各种金属间相互组合成热电偶的热电动势就可根据标准电极定律计算出来。例：热端为100℃，冷端为0℃时，镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为2.95mV，而考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为－4.0mV，则镍铬和考铜组成的热电偶所产生的热电动势应为：2.95－(－4.0)=6.95(mV)热电偶材料应满足：物理性能稳定，热电特性不随时间改变；化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐蚀；热电势高，导电率高，且电阻温度系数小；便于制造；复现性好，便于成批生产。三、热电偶的常用材料与结构

1．铂铑—铂热电偶(S型)

分度号LB—3工业用热电偶丝：Φ0.5mm，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：材料性能稳定，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。测量温度较高，一般用来测量1000℃以上高温。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。材料属贵金属，成本较高。热电势较弱。（一）热电偶常用材料

2．镍铬—镍硅(镍铝)热电偶(K型)分度号EU—2工业用热电偶丝：Φ1.2~2.5mm，实验室用可细些。正极：镍铬合金(用88.4～89.7％镍、9～10％铬，0.6％硅，0.3％锰，0.4～0.7％钴冶炼而成)。负极：镍硅合金(用95.7～97％镍,2～3％硅,0.4～0.7％钴冶炼而成)。测量温度：长期1000℃，短期1300℃。特点：价格比较便宜，在工业上广泛应用。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。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EA—2工业用热电偶丝:Ф1.2～2mm，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：价格比较便宜，工业上广泛应用。在常用热电偶中它产生的热电势最大。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LL—2正极：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：材料性能稳定，测量精度高。还原性气体中易被侵蚀。低温热电势极小，冷端温度在50℃以下可不加补偿。成本高。几种持殊用途的热电偶（1）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）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300～2000℃分度精度为1％。（3）金铁—镍铬热电偶

主要用在低温测量，可在2～273K范围内使用，灵敏度约为10μV／℃。（4）钯—铂铱15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）铜—康铜热电偶，分度号MK

热电偶的热电势略高于镍铬-镍硅热电偶，约为43μV/℃。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）铁—康铜热电偶，分度号TK

灵敏度高，约为53μV/℃，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。

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。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1234（二）常用热电偶的结构类型(a)(b)(c)(d)

1322．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：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。图3.2-12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.lμm)4123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。目前我国试制的有铁—镍、铁—康铜和铜—康铜三种,尺寸为60×6×0.2mm;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。方法冰点槽法计算修正法零点迁移法冷端补偿器法软件处理法四、冷端处理及补偿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；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。S型(铂铑10-铂)热电偶分度表1.冰点槽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。mVABA’B’TCC’仪表铜导线试管补偿导线热电偶冰点槽冰水溶液T0

0℃恒温法2.计算修正法用普通室温计算出参比端实际温度TH，利用公式计算例1.用铜-康铜热电偶测某一温度T，参比端在室温环境TH中，测得热电动势EAB(T，TH)=1.999mV，又用室温计测出TH=21℃,查此种热电偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.832mV，故得EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，T0)=1.999+0.832=2.831(mV)再次查分度表，与2.831mV对应的热端温度T=68℃。注意:既不能只按1.999mV查表，认为T=49℃，也不能把49℃加上21℃，认为T=70℃。EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)修正法的实质：

设：冷端温度恒为t0（t0≠0）被测温度为t

修正公式冷端t0的热电势测量得出的热电势

被测温度t的热电势仪表机械零点调整法

将显示仪表的机械零点调至t0处，相当于在输入热电偶热电势之前就给显示仪表输入了电势E(t0,0)由分度表查得E(20,0)=0.113mv则E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)=7.32+0.113=7.434mv再查分度表得其对应的被测温度t=808℃例2用S型热电偶测温，热电偶的冷端温度t0=20℃，测得热电势为7.32mv，求被测对象的实际温度t。解例用动圈仪表配合热电偶测温时，如果把仪表的机械零点调到室温TH的刻度上,在热电动势为零时，指针指示的温度值并不是0℃而是TH。而热电偶的冷端温度已是TH,则只有当热端温度T=TH时，才能使EAB(T,TH)=0，这样，指示值就和热端的实际温度一致了。这种办法非常简便，而且一劳永逸，只要冷端温度总保持在TH不变，指示值就永远正确。3.零点迁移法应用领域：如果冷端不是0℃，但十分稳定（如恒温车间或有空调的场所）。实质：在测量结果中人为地加一个恒定值，因为冷端温度稳定不变，电动势EAB(TH,0)是常数，利用指示仪表上调整零点的办法，加大某个适当的值而实现补偿。4.冷端补偿器法（电桥补偿法）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。

mVEAB(T,T0)T0T0TAB+-abUUbaRCuR1R2R3RT0UaUabEAB(T,T0)供电4V直流，在0～40℃或-20～20℃的范围起补偿作用。注意，不同材质的热电偶所配的冷端补偿器，其中的限流电阻R不一样，互换时必须重新调整。5.软件处理法对于计算机系统，不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。例如冷端温度恒定但不为0℃的情况，只需在采样后加一个与冷端温度对应的常数即可。对于T0经常波动的情况，可利用热敏电阻或其它传感器把T0信号输入计算机，按照运算公式设计一些程序，便能自动修正。后一种情况必须考虑输入的采样通道中除了热电动势之外还应该有冷端温度信号，如果多个热电偶的冷端温度不相同，还要分别采样，若占用的通道数太多，宜利用补偿导线把所有的冷端接到同一温度处，只用一个冷端温度传感器和一个修正T0的输入通道就可以了。冷端集中，对于提高多点巡检的速度也很有利。1.热电偶的选择、安装使用热电偶的选用应该根据被测介质的温度、压力、介质性质、测温时间长短来选择热电偶和保护套管。其安装地点要有代表性，安装方法要正确，下图是安装在管道上常用的两种方法。在工业生产中，热电偶常与毫伏计连用（XCZ型动圈式仪表）或与电子电位差计联用，后者精度较高，且能自动记录。另外也可热电偶安装图通过与温度变送器经放大后再接指示仪表，或作为控制用的信号。五、热电偶的选择、安装使用和校验热电偶分度号校验温度/℃热电偶允许偏差/℃温度偏差温度偏差LB–3600，800，1000，12000～600±2.4>600占所测热电势的±0.4%EU–2400，600，800，1000～400±4>400占所测热电势的±0.75%EA–2300，400，6000～300±4>300占所测热电势的±1%2.热电偶的定期校验

校验的方法是用标准热电偶与被校验热电偶装在同一校验炉中进行对比，误差超过规定允许值为不合格。图为热电偶校验装置示意图，最佳校验方法可由查阅有关标准获得。工业热电偶的允许偏差，见下表。工业热电偶允许偏差78564321稳压电源220V热电偶校验图1-调压变压器；2-管式电炉；3标准热电偶；4-被校热电偶；5-冰瓶；6-切换开关；7-测试仪表；8-试管

问题引出

解决方法热电偶冷端暴露于空间，受环境温度影响热电极长度有限，冷端受到被测温度变化的影响把热电偶的冷端延伸到远离被测对象