热电偶温度计

§2-3热电偶温度计

ThermocoupleThermometer

热电偶测温原理冷端温度补偿问题热电偶的校验热电偶的基本定律常用热电偶的种类热电偶的构造第一页，共81页。第一页，共81页。概述1）热电偶是应用最普遍、最广泛的温度测量元件。

2）既可用于流体温度测量也可用于固体温度测量，既可以检测静态温度也能测量动态温度。

3）在火电厂中，主蒸汽、过热器管壁与高温烟气等的温度都是采用热电偶测量的。

第二页，共81页。第二页，共81页。4）热电偶一般用于测量100～1600℃范围内温度，用特殊材料制成的热电偶还可测更高或更低的温度；5）热电偶将感受到的温度信号直接转换成电势信号输出，便于测量、信号传输、自动记录和控制等。第三页，共81页。第三页，共81页。一、热电偶测温原理热电偶由两根不同材料的导体焊接或绞接而成。第四页，共81页。第四页，共81页。先看一个实验——热电偶工作原理演示

ABAB第五页，共81页。第五页，共81页。从实验到理论：

1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在回路中的指针发生偏转（说明什么？），如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指针的偏转角反而减小（又说明什么？）

。

第六页，共81页。第六页，共81页。将两种不同材料的导体组成一个闭合回路，如果两端接点的温度不同，回路中将产生电势，称为热电势。这个物理现象称为热电效应

或塞贝克效应。热电效应第七页，共81页。第七页，共81页。

热电势

接触电势+温差电势T0T1塞贝克效应示意图冷端（自由端）（参考端）热电极A/B热端（工作端）（测量端）热电流第八页，共81页。第八页，共81页。＋ABEAB(

T)接触电势结点产生热电势的微观解释第九页，共81页。第九页，共81页。接触电势（帕尔帖电势）它是在两种电子密度N不相等的均质导体(或半导休)相接触时形成的。扩散现象数量级在10-1～10-3V帕尔帖电势第十页，共81页。第十页，共81页。汤姆逊电势温差电势（汤姆逊电势）同一均质导体因两端温度不同而形成的电势。T

A

ΔTA

T0EA(T,T0)第十一页，共81页。第十一页，共81页。热电偶的热电势（赛贝克电势）或第十二页，共81页。第十二页，共81页。当热电偶材料确定后，总热电势与温度t和t0有关则测得热电势的大小，就可求得热端温度t的数值若冷端温度t0保持不变，则总热电势只与t有关热电偶测温系统第十三页，共81页。第十三页，共81页。几点说明：热电偶热电势量EAB(t，t0)是温度函数之差，不是温度差（t－t0）的函数。EAB(t，t0)＝－EBA(t，t0)＝－EAB(t0，t)热电势符号EAB(t，t0)中，改变符号A与B或t与t0的顺序，即改变热电势的方向。当冷端t0处将热电偶脱开时，热电极A将流出电流，故称A为正热电极，B为负热电极。这是判断热电偶正或负电极的方法。热端:电流从负极流向正极第十四页，共81页。第十四页，共81页。二、热电偶基本定律均质导体定律中间导体定律中间温度定律第十五页，共81页。第十五页，共81页。1、均质导体定律

由一种均质导体(或半导体)组成的闭合回路，不论导体(或半导体)的截面和长度如何，各处的温度分布如何，都不能产生热电势。材料内部电子密度处处相等的导体第十六页，共81页。第十六页，共81页。推论：

1）热电偶必须由两种不同性质的材料组成。

2）由一种材料组成的闭合回路存在温差时，回路如产生热电势，说明该材料不纯，是不均匀的。据此，可以检查热电极材料的均匀性。第十七页，共81页。第十七页，共81页。2、中间导体定律由不同材料组成的闭合回路中，若各种材料接触点的温度都相同，则回路中热电势的总和等于零。第十八页，共81页。第十八页，共81页。推论一：

在热电偶回路中接入第三种(或更多种)导体材料，只要接入的导体材料两端的温度相同，则对热电偶回路的热电势不产生影响。第十九页，共81页。第十九页，共81页。根据中间导体定律，当温度t=t0时，回路中总热电势为零。

第二十页，共81页。第二十页，共81页。为测量仪表接入热电偶A、B回路，组成热电偶测温系统来测量热电势提供了理论基础。开路热电偶的使用（金属壁面、液态金属）中间导体定律的应用一：第二十一页，共81页。第二十一页，共81页。推论二：

如果两种导体A、B对另一种参考导体C的热电势为已知，则这两种导体组成热电偶的热电势是它们对参考导体热电势的代数和。即

EAB(t1,t2)=EAC(t1,t2)+ECB

(t1,t2)第二十二页，共81页。第二十二页，共81页。中间导体定律推论二简化了热电偶的选配工作。中间导体定律的应用二：第二十三页，共81页。第二十三页，共81页。

接点温度为t1和t2的热电偶，它的热电势等于接点温度分别为t1，t3和t3，t2的两支同性质热电偶的热电势的代数和。即

EAB(t1,t2)=EAB(t1,t3)+EAB

(t3,t2)3、中间温度定律第二十四页，共81页。第二十四页，共81页。已知热电偶在某一给定冷端温度（t0）下进行的分度，只要进行一些简单的计算，就可以在另外的冷端温度（t1）下使用。为制定热电偶的热电势－温度关系分度表奠定了理论基础。中间温度定律的应用一：第二十五页，共81页。第二十五页，共81页。比较查出的3个热电势，判断热电势与温度的关系是否为线性？热电偶的热电势E（t，t0）与温度t的关系——热电特性冷端t0为0℃时，将热电偶热电特性（E－t）制成的表——分度表第二十六页，共81页。第二十六页，共81页。实际测量时，冷端t0往往为环境温度。如t0＝20℃时，测得EAB(t，20)，要求t＝？

根据中间温度定律有

EAB(t，0)＝EAB(t，t0)＋EAB(t0，0)第二十七页，共81页。第二十七页，共81页。解：查表得EK(20，0)＝0.798mV,则EK(t，0)＝EK(t，20)＋EK(20，0)＝30.799mV查分度表求得t=740℃。

如果用EK(t，20)＝30.001mV直接查表，则得t’=720.9℃，显然误差是很大的。教材例2-2：一支镍铬－镍硅（K型）热电偶，在冷端温度为20℃时，测得热电势EK(t，20)＝30.001mV，试求热电偶所测的实际温度t＝？第二十八页，共81页。第二十八页，共81页。

和热电偶具有相同热电性质的补偿导线可引入热电偶的回路中，相当于把热电偶延长而不影响热电偶应有的热电势。

为工业测温中应用补偿导线提供了理论依据。中间温度定律的应用二：如：铂铑-铂热电偶补偿导线：铜-铜镍第二十九页，共81页。第二十九页，共81页。注意：

补偿导线应该与热电偶配套使用；连接时极性不可接错:正极-红色（P）,负极-其它色（N）补偿型补偿导线，必须保证它与热电偶连接的两个接点温度一致。EAB(t，t0)＝EAB(t，t0’)＋EAB(t0’，t0)＝EAB(t，t0’)＋ECD(t0’，t0)补偿导线C、D与热电偶A、B配接，将热电偶的冷端由t0’移到t0处。

第三十页，共81页。第三十页，共81页。热电偶的补偿导线：

延伸型、补偿型两种结构与电缆一样。

延伸型补偿导线的材料与相应的热电偶相同，准确度略低。补偿型补偿导线材料与对应的热电偶不同，用贱金属制成，低温下它们的热电性质相同。第三十一页，共81页。第三十一页，共81页。型号配用热电偶正-负导线外皮颜色正-负SC铂铑10-铂红-绿KC镍铬-镍硅红-蓝WC5/26钨铼5-钨铼26

红-橙第三十二页，共81页。第三十二页，共81页。补偿导线外形

A’B’屏蔽层保护层第三十三页，共81页。第三十三页，共81页。课堂练习1、已知K分度号（镍铬－镍硅）热电偶的热电势EK(100，0)＝4.095mV，EK(20，0)＝0.798mV，EK(30，20)＝0.405mV。试求EK(30，0)、EK(100，20)、EK(100，30)。1.203mV,3.297mV,2.892mV2、应用热电偶定律，试求三种热电极组成回路的总电势值，并指出其电流方向。EK(300,80)-EE(100,80)第三十四页，共81页。第三十四页，共81页。三、常用热电偶的种类第三十五页，共81页。第三十五页，共81页。（1）在使用温度范围内，物理、化学性能稳定；（2）热电势和热电势率大，E－t是单值函数关系，最好呈线性关系；（3）电导率高，电阻温度系数小；（4）热电性能稳定，易复现，同类热电偶互换性好；（5）具有一定的机械强度；加工方便，价格便宜。热电极材料要求：第三十六页，共81页。第三十六页，共81页。1)定义：是指生产工艺成熟、成批生产、性能优越并已列入工业标准文件中的热电偶。2）特点：发展早、性能稳定、应用广泛，具有统一的分度表，可以互换，并有与其配套的显示仪表可供使用，十分方便。3）规定：国际电工委员会(IEC)在1975年推荐7种标准化热电偶，在1986年又推荐了一种。我国目前共采用八种标准热电偶。标准化热电偶：第三十七页，共81页。第三十七页，共81页。标准化热电偶：

（1）铂铑10-铂（S）；

（2）铂铑30-铂铑6（B）；（3）铂铑13-铂（R）；（4）镍铬-镍硅(镍铬-镍铝)（K）；（5）铜-铜镍(康铜)（T）；（6）镍铬-康铜（E）；（7）铁-康铜（J）；（8）镍铬-金铁热偶以及铜-金铁热偶。第三十八页，共81页。第三十八页，共81页。铂铑10-铂（S型）偶丝直径：0.5～0.020mm；适用范围：0～1100℃，1100～1600℃；适用于氧化性气氛中测温;长期最高使用温度为1300℃,短期最高使用温度1600℃，不推荐在还原气氛中使用,短期内可用于真空中测温特点：复制性好、测量精度高；价格贵、热电势小第三十九页，共81页。第三十九页，共81页。偶丝直径：0.3、0.5、0.8、1.0、1.2、1.5、2.0、2.5、3.2mm；适用范围：－200～1300℃

；用于氧化和中性气氛中测温,不推荐在还原气氛中使用,可短期在还原气氛中使用,但必须外加密封保护管。特点：测温范围较宽、热电势较大、E－t线性度好、价格适中；但长期使用后，镍铝氧化变质使热电特性改变影响测量精确度。镍铬-镍硅（镍铝）（K型）第四十页，共81页。第四十页，共81页。偶丝直径：0.3、0.5、0.8、1.2、1.6、2.0、3.2mm；适用范围：－200～900℃；适用氧化或弱还原性气氛中测温特点：输出的热电势大,灵敏度高（常用热电偶中，每摄氏度对应的热电势最高），价格低廉，适合在0℃以下测温。镍铬－康铜（E型）

第四十一页，共81页。第四十一页，共81页。分度号

名称

测量温度范围

1000C热电势（mV）S铂铑10—铂-50～1600C9.587K镍铬－镍硅(镍铝)-270～1370C41.276E镍铬－铜镍(康铜)－270～800C76.3583种热电偶的测温范围与热电势各有什么特点？第四十二页，共81页。第四十二页，共81页。普通型热电偶铠装热电偶（套管热电偶）薄膜热电偶四、热电偶的构造及结构形式第四十三页，共81页。第四十三页，共81页。（1）普通型热电偶：1-热电极;2-绝缘管;3-保护套管;4-接线盒

第四十四页，共81页。第四十四页，共81页。普通装配型

热电偶的结构图

接线盒引出线套管

固定螺纹

（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）

不锈钢保护管

第四十五页，共81页。第四十五页，共81页。热电极：直径：贵金属一般为0.3～0.65mm；贱金属一般为0.5～3.2mm。长度：一般为350～2000mm。a－点焊；b－对焊；c－绞状点焊第四十六页，共81页。第四十六页，共81页。绝缘管：防止两根热电极短路。

低温下：橡胶、塑料高温下：氧化铝、陶瓷等

第四十七页，共81页。第四十七页，共81页。a：无固定装置b：带加强管且无固定装置c：固定螺纹d：固定法兰e：活动法兰保护套管：防止热电极遭受化学和机械损伤.

第四十八页，共81页。第四十八页，共81页。f：高压用锥形固定螺纹g：高压焊接固定锥形h：900套管第四十九页，共81页。第四十九页，共81页。普通式、防溅式、防水式、隔爆式和插座式接线盒内有接线端子，可供热电极和补偿导线连接之用。接线盒：

第五十页，共81页。第五十页，共81页。普通装配型

热电偶的外形安装螺纹安装法兰第五十一页，共81页。第五十一页，共81页。隔爆型热电偶外形厚壁保护管压铸的接线盒第五十二页，共81页。第五十二页，共81页。（2）铠装热电偶（套管热电偶）：是由热电极、绝缘材料和金属套管三者组合经拉伸加工而成的坚实组合体。特点：动态响应快，机械强度高，耐高压、耐冲击。适用于狭小管道内的温度测量。第五十三页，共81页。第五十三页，共81页。铠装型热电偶外形法兰铠装型热电偶可长达上百米BA绝缘材料铠装型热电偶横截面第五十四页，共81页。第五十四页，共81页。（3）薄膜热电偶：

铁－镍薄膜热电偶1：热端接点；2：衬架；3：铁膜；4：镍膜；5：铁丝；6：镍丝；7：接头夹具

制作：用真空蒸镀等方法使两种热电极材料(金属)蒸镀到绝缘基板上，二者牢固地结合在一起，形成薄膜状热接点。特点：动态响应快，精确度高可以用来测变化极快的表面温度和点的温度；第五十五页，共81页。第五十五页，共81页。1.冰点法2.计算法(冷端温度校正法)3.补偿导线法4.仪表机械零点调整法5.补偿电桥法（冷端温度补偿器）五、热电偶的冷端温度补偿问题第五十六页，共81页。第五十六页，共81页。

特点：实现方便、测量准确；但只局限于实验室，不利于在线测量。1.冰点法

将热电偶冷端置于冰点恒温槽中,使冷端温度恒定在0℃时进行测温。第五十七页，共81页。第五十七页，共81页。

E(t，0)＝E(t，t0)＋E(t0，0)根据计算得到的热电势E(t，0)，通过查分度表可得被测温度值。

2.计算法(冷端温度校正法)第五十八页，共81页。第五十八页，共81页。例：用镍铬-镍铝热电偶(分度号K）测温，热电偶冷端温度t0=34℃，测得热电势为38.339mV。计算被测温度t。解：EK(t，0)＝EK(t，34)＋EK(34，0)＝38.339＋1.3666＝39.7056mV℃第五十九页，共81页。第五十九页，共81页。3.补偿导线法在一定范围内(0～100℃)，补偿导线具有和所连接的热电偶相同的热电性能。第六十页，共81页。第六十页，共81页。注意事项：补偿导线仅将热电偶冷端延长到温度相对恒定的地方，如果这地方温度不是0℃，尚须继续进行其冷端温度补偿。热电偶正、负极必须与补偿导线正、负极相接，不能错接；两者分度号必须—致。补偿导线应工作在100℃以下，否则其热电特性将不符合热电偶要求。第六十一页，共81页。第六十一页，共81页。指针被预调到室温（40C）可补偿冷端损失4.仪表机械零点调整法当输入信号为零时，指针所指的位置第六十二页，共81页。第六十二页，共81页。将仪表的机械零点调至热电偶冷端温度t0处第六十三页，共81页。第六十三页，共81页。要使显示仪表指示温度1000℃，应将仪表机械零位调至多少℃？例2-3

：解：指示电势Es(t，0)＝Es(1000，30)＋Es(t

m，0)＝Es(1000，0)得t

m

＝

30℃。

第六十四页，共81页。第六十四页，共81页。问：(1)如将EPX、ENX补偿导线都换成铜导线，

仪表指示为多少℃？(2)如将EPX、ENX补偿导线的位置对换，仪表的指示又为多少℃?例2-4

：第六十五页，共81页。第六十五页，共81页。解：（1）

EE(t’，0)＝EE(800，50)＋EE(30，0)＝61.022-3.047+1.801＝59.776(mV)查E分度表得指示温度t’＝784.1℃。

（2）

EE(t”，0)＝

EE(800，50)－EE(50，30)＋EE(30，0)＝(61.022－3.047)－(3.047－1.801)＋1.801＝58.53(mV)反查E分度表得t”＝768.3

℃。由此可见，补偿导线接反时，仪表指示温度将偏低。第六十六页，共81页。第六十六页，共81页。

是采用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势的变化值，从而等效地使冷端温度恒定的一种自动补偿法。5.补偿电桥法（冷端温度补偿器）第六十七页，共81页。第六十七页，共81页。第六十八页，共81页。第六十八页，共81页。

注意事项：使用时注意冷端温度补偿器型号和接线极性。型号必须与热电偶相同，输入正端接正热电极。输出至仪表的连接线用铜导线。使用冷端温度补偿器仍须调节好仪表的机械零点，应调整在电桥平衡时的设计温度(20℃)数值上。冷端补偿器工作温度范围通常不超过－5～50℃。第六十九页，共81页。第六十九页，共81页。例2-5：有S分度热电偶测温系统如图所示。试问：（1）此动圈仪表的机械零位应调在多少度上？（2）当冷端补偿器的电源开路(失电)时，仪表指示为多少？（3）电源极性接反时，仪表指示又为多少?第七十页，共81页。第七十页，共81页。解：（1）补偿器产生补偿电动势Es(40，20)，要使

Es(1000，40)＋Es(40，20)＋Es(t

m，0)＝Es(1000，0)则t

m＝20℃。即仪表机械零位应调在补偿器设计平衡点温度20℃上。第七十一页，共81页。第七十一页，共81页。解：（2）当补偿器电源开路，冷端补偿器失去补偿作用时，指示电势

Es(t

1，0)＝Es(1000，40)＋Es(20，0)＝9.585－0.235＋0.133＝9.483(mV)由S分度表查得t

1＝991.1℃。第七十二页，共81页。第七十二页，共81页。解：（3）当补偿器电源接反，补偿器会反向补偿，故指示电势

Es(t

1，0)＝Es(1000,40)－Es(40,20)＋Es(20,0)＝(9.585-0.235)-(0.235-0.133)+0.133＝9.381(mV)由S分度表查得t

1＝982.3℃。第七十三页，共81页。第七十三页，共81页。课外作业－1

用分度号为K的热电偶和动圈式仪表组成测温回路，把动圈式仪表的机械零位调到20℃，但热电偶的参比端温度t0=55℃，试求出仪表示值为425℃时的被测温度。第七十四页，共81页。第七十四页