传感器与检测技术63热电偶传感器

6.3热电偶传感器热电偶测温原理热电偶的基本定律热电偶的冷端处理和补偿标准化热电偶非标准化热电偶热电偶结构型式热电偶安装注意事项1.接触电势ABe

(T

)?

kT

lnN

Ae

NB接触电势帕尔帖电势k——玻耳兹曼常数；T——接触面的绝对温度；

e——单位电荷量；N

A

——金属电极A的自由电子密度N

A

——金属电极B的自由电子密度2.温差电势eA

(T

,T0

)?温差电势（汤姆逊电势）?T0T?dTδ

——汤姆逊系数，它表示温度为1℃时所产生的电动势值，它与材料的性质有关。3.热电偶回路的总热电势E

AB

(T

,T0

)?eAB(T

)?

eA

(T

,T0)?

eAB

(T0

)?

eB

(T

,T0

)?

[eAB

(T

)?

eAB

(T0

)]?

[eA

(T

,T0)?

eB

(T

,T0

)]T?

k

N

A(T

?

T0

)lneN

B?

?T

(?

A

?

?

B

)dt0E

AB

(T

,T

0

)?

[eAB

(T

)?

?0

(?A

?

?B

)dt]?

[eAB

(T0

)?

?0

(?A

?

?B

)dt]T

T0?

f(T

)?

f(T0

)热电势是T和T

0的温度函数的差，而不是温度的函数。当T

0=0℃时，f(T0)=c则有：E

AB

(T

,T0

)?

f(T

)?

c

?

?

(T

)E与T之间有唯一对应的单值函数关系，因此就可以用测量到的热电势E来得到对应的温度值T，热电偶热电势的大小，只是与导体A和B的材料有关，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。6.3热电偶传感器热电偶测温原理热电偶的基本定律热电偶的冷端处理和补偿标准化热电偶非标准化热电偶热电偶结构型式热电偶安装注意事项6.3.2热电偶的基本定律匀质导体定律中间导体定律连接导体定律1.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。?热电偶必须采用两种不用材料的导体组成，?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。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。3.连接导体定律为在工业测量温度中使用补偿导线提供了理论基础。E

ABA?B

?(T

,Tn

,T0

)?

E

AB

(T

,Tn

)?

EA?B

?(Tn

,T0

)当A与A"，B与B"材料分别相同时E

AB

(T

,Tn

,T0

)?

E

AB

(T

,Tn

)?

E

AB

(Tn

,T0

)中间温度定律?例6.3.1用（S型）热电偶测量某一温度，若参比端温度T

0=30℃，测得的热电势E(T,Tn)=7.5mV，求测量端实际温度T。E

(T

,T0

)?

E

(T

,Tn

)?

E

(Tn,T0

)在E（Tn，T0）中Tn

0?

30?

C

，T

?

0?C查分度表有E

（30，0）=0.173

mVE（T，Tn）?

7.5mVE

（

T

，0）?

E

（

T

，30）?

E

(30

,0

)

?

7

.5

?

0

.173

?

7

.673

mV反查分度表有T=830℃，测量端实际温度为830℃6.3热电偶传感器热电偶测温原理热电偶的基本定律热电偶的冷端处理和补偿标准化热电偶非标准化热电偶热电偶结构型式热电偶安装注意事项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０℃。几种冷端处理方法：补偿导线法热电偶冷端温度恒温法计算修正法冷端补偿电桥法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“Ｘ”附在热电偶分度号后表示，?补偿型：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，补偿导线的型号、线芯材质和绝缘层着色补偿导线型号配用热电偶补偿导线的线芯材料正极

负极绝缘层着色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）红棕JX铁-铜镍JPX

（铁）JNX（铜镍）红紫TX铜-铜镍TPX

（铜）TNX（铜镍）红白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（

0~100℃）；?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。2.计算修正法?在实际应用中，热电偶的参比端往往不是0oC，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。E

(T

,0)?

E

(T

,T1

)?

E

(T1

,0)可用室温计测出环境温度T

1，从分度表中查出的E(T

1,0)值，然后加上热电偶回路热电势E(T,T1)，得到E(T,0)值，反查分度表即可得到准确的被测温度值。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。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6.3热电偶传感器热电偶测温原理热电偶的基本定律热电偶的冷端处理和补偿标准化热电偶非标准化热电偶热电偶结构型式热电偶安装注意事项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种标准化热电偶表6.3.2标准化热电偶技术数据热电偶名称铂铑10-铂铂铑13-铂镍铬-镍硅铂铑30-铂铑分度号新极性热电极识别识别E

（100,0）（mV

）测温范围（长期℃）短期等级对分度表允许偏差（℃）使用温度

允差正亮白较硬≤600±1.5℃S0.6460~13001600Ⅲ负亮白柔软＞600±0.25%tR正较硬0.6470~13001600Ⅱ＜600±1.5℃负柔软＞1100±0.25%tB正较硬0.0330~16001800Ⅲ600~900±4℃负稍软＞800±

0.5%tK正负不亲磁稍亲磁4.0960~12001300ⅡⅢ-40~1300-200~40±2.5℃或±0.75%t±2.5℃或±1.5%t镍铬硅-镍硅N正负正不亲磁稍亲磁暗绿2.774-200~12001300ⅠⅡⅡ-40~1100-40~1300-40~900±1.5℃或±0.4%t±2.5℃或±0.75%t±2.5℃或±0.75%t镍铬-康铜E6.319-200~760850负亮黄Ⅲ-200~40±2.5℃或±1.5%t正红色Ⅱ-40~350±1℃或±0.75%t铜-康铜T负银白色4.279-200~350400Ⅲ-200~40±1℃或±1.5%t正亲磁铁-康铜J5.269-40~600750Ⅱ-40~750±2.5℃或±0.75%t负不亲磁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。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℃。?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0～50℃范围内热电势

小于3μV。?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。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-200～1300℃。?优点：线性度好，热电势较大，灵敏度较高，稳定性和复现性均好，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。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。标准化热电偶热电势和温度的关系表6.3.3标准化热电偶的特性热电偶种类

优点适于测量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、耐化学腐蚀精度高、稳定性好，不易劣化抗氧化、耐化学腐蚀可作标准热电动势线性好1200℃以下抗氧化性能良好短程表序结构变化影响小热电动势线性好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可用于还原性气氛热电动势较K型高20%左右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缺点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不适用于还原性气氛同贵金属势电偶相比时效变化大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不适用于还原性气氛热导率低具有微滞后现象铁正极易生锈热电特性漂移大使用温度低铜正极易氧化热传导误差大BR、SNKEJT6.3热电偶传感器热电偶测温原理热电偶的基本定律热电偶的冷端处理和补偿标准化热电偶非标准化热电偶热电偶结构型式热电偶安装注意事项6.3.5非标准化热电偶热电极材料名称正极钨莱系镍钼系Wre5、Wre3铂铑系 PtRh20

、PtRh40铱铑系

Ir、Ir、IrNi钯铂系 Pd

、Pt及Au

合金以Ni-Cr为主的合金镍铬、金铁银金、 含Au

为0.37mo1%金铁 的合金负极Wre26、Wre25PtRh5、PtRh20IrRh40、IrRh50、IrRh60NiMo18Au、Pd合金含0.07mo1t 的合金含0.03mo1t

的Au-Fe

合金使用温度范围(℃)0～2300300

～15001100

～16001100

～20000～12800～11000～300K1

～40K过热使用温度范围(℃)3000180018002100/1300//特征适用于还原性、H2及惰性气体