第7讲 热电偶教材

化工仪表及自动化第三章检测仪表与传感器

第五节温度检测及仪表一、定义：表征物体冷热程度的物理量。18二、温度的单位：国际单位为热力学温标(K)。其他温标有华氏温标(℉)、摄氏温标(℃)T℉=1.8t℃+32（t为摄氏温度数，T为华氏温度数）

38℃×1.8+32=100.4℉°K=℃+273.15三、各种温度：第五节温度检测及仪表特殊温度特殊现象非金属材料在低温下也能表现出磁性空气在-190℃时会变成浅蓝色液体，-140℃：液氮低温加工橡胶品

-130℃：地球最低气温，南极最高峰——文森峰

-110℃：酒精温度计，温度计中红色的液体是酒精，酒精在-117℃才会凝结。-90℃：地球陆地最低温-80℃：SARS病毒仍可存活-70℃：北极最低气温-52.3℃：中国最冷气温，世界上最不怕冷的花，是出产在中国的雪莲，第五节温度检测及仪表40℃：人体自身的温度极限50～60℃：地球现最热温度70℃：人类味觉最宜的温度500℃：聚光式太阳灶

700℃：烟头的温度800℃：火山熔岩温度1000℃：钻石的形成，在地下100至300公里深；温度接近1000℃的地底形成。分类按测量范围

高温计（600℃以上）、温度计（600℃以下）按工作原理

膨胀式温度计、压力式温度计、热电偶温度计、热电阻温度计和辐射高温计

按测量方式

接触式与非接触式

四、温度检测方法

温度不能直接测量，只能借助于冷热不同物体之间的热交换，以及物体的某些物理性质随冷热程度不同而变化的特性来加以间接测量。任何两种冷热程度不同的物体接触时间足够长，则温度从高温体向低温体传递，最终趋于平衡，此现象称为热平衡。第五节温度检测及仪表测温方式温度计种类测温范围／℃优点缺点接触式测温仪表膨胀式玻璃液体-50～600结构简单，使用方便，测量准确，价格低廉测量上限和精度受玻璃质量的限制，易碎，不能记录远传双金属-80～600结构紧凑，牢固可靠精度低，量程和使用范围有限压力式液体气体蒸汽-30～600-20～3500～250结构简单，耐震，防爆能记录、报警，价格低廉精度低，测温距离短，滞后大热电偶铂铑-铂镍铬-镍硅镍铬-考铜0～1600-50～1000-50～600测温范围广，精度高，便于远距离、多点、集中测量和自动控制需冷端温度补偿，在低温段测量精度较低热电阻铂铜-200～600-50～150测量精度高，便于远距离、多点、集中测量和自动控制不能测高温，需注意环境温度的影响非接触式测温仪表辐射式辐射式光学式比色式400～2000700～3200900～1700测温时，不破坏被测温度场低温段测量不准，环境条件会影响测温准确度红外线光电探测热电探测0～3500200～2000测温范围大，适于测温度分布，不破坏被测温度场，响应快易受外界干扰，标定困难表3-3常用温度计的种类及优缺点19第五节温度检测及仪表1.膨胀式温度计图3-50双金属片00

图3-51

双金属温度信号器201—双金属片；2—调节螺钉；3—绝缘子；4—信号灯膨胀式温度计是基于物体受热时体积膨胀的性质而制成的。Lt=lt0[1+а(t-t0)]第五节温度检测及仪表212.压力式温度计

它是根据在封闭系统中的液体、气体或低沸点液体的饱和蒸汽受热后体积膨胀或压力变化这一原理而制成的，并用压力表来测量这种变化，从而测得温度。图3-52压力式温度计结构原理图

1—传动机构；2—刻度盘；3—指针；4—弹簧管；5—连杆；6—接头；7—毛细管；8—温包；9—工作物质

应用压力随温度的变化来测温的仪表叫压力式温度计。

Vt=Vt0[1+а(t-t0)]第五节温度检测及仪表压力式温度计的构造由以下三部分组成

温包毛细管弹簧管（或盘簧管）

22注意事项

温包必须为高强度、小膨胀系数、高热导率、抗腐蚀性材料，长度不宜过长。3.辐射式温度计辐射式高温计是基于物体热辐射作用来测量温度的仪表。第五节温度检测及仪表二、热电偶温度计23热电偶温度计是以热电效应为基础的测温仪表。图3-53热电偶温度计测温系统示意图1—热电偶；2—导线；3—测量仪表热电偶温度计由三部分组成：热电偶；测量仪表；连接热电偶和测量仪表的导线。1.热电偶图3-54热电偶示意图第五节温度检测及仪表24（1）热电现象及测温原理

图3-55热电现象图3-56接触电势形成的过程图3-57热电偶原理及电路图左图闭合回路中总的热电势或两导体自由电子密度NA>NBEAB(t,t0)=EAB(t)-EAB(t0)E(t,t0)=E(t)-E(t0)如t0=常数；则E(t0)=常数则被测温度t和热电势E为单值函数E(t,t0)=k/e∫tt0lnNA/NBdt其中NA、NB为A、B导体自由电子密度。E(t,t0)=k/e∫tt0lnNA/NBdt热电偶的基本定律：1、均质导体理论：如果NA=NB，则E(t,t0)=0。（1）热电偶两根电极必须为不同材质。（2）可检查一个导体是否均质。2、温差定律：如果t=t0，则E(t,t0)=0。测量过程必须有温差。E(t,t0)=k/e∫tt0lnNA/NBdt3、中间导体理论：4、中间温度定律前提：两端温度相等E(t、t1)+E(t1、t0)=E(t、t0)第五节温度检测及仪表30（4）热电偶的结构①普通型热电偶图3-59热电偶的结构热电极绝缘管保护套管接线盒第五节温度检测及仪表材料工作温度/℃橡皮、绝缘漆珐琅玻璃管石英管瓷管纯氧化铝管80150500120014001700表3-5常用绝缘子材料表3-6常用保护套管材料工作温度/℃无缝钢管不锈钢管石英管瓷管Al2O3陶瓷管

6001000120014001900以上31第五节温度检测及仪表32②铠装热电偶

由金属套管、绝缘材料（氧化镁粉）、热电偶丝一起经过复合拉伸成型，然后将端部偶丝焊接成光滑球状结构。优点反应速度快、使用方便、可弯曲、气密性好、不怕振、耐高压等。③表面型热电偶

专门用来测量物体表面温度的一种特殊热电偶。优点反应速度极快、热惯性极小。

第五节温度检测及仪表④快速热电偶

测量高温熔融物体一种专用热电偶。热电偶的结构形式可根据它的用途和安装位置来确定。在热电偶选型时，要注意三个方面：热电极的材料；保护套管的结构，材料及耐压强度；保护套管的插入深度。33常用热电偶分类：1、热电偶材料应满足的条件：（1）灵敏度尽量高。（几十毫伏）（2）物理化学性能要稳定。（3）E与t有线性关系。（4）电阻温度系数要小。Rt=Rt0[1+а(t-t0)]（5）便于加工成丝。（6）复现性好。第五节温度检测及仪表常用热电偶测量范围名称分度号（长期）（短期）1、铂铑10-铂S130016002、镍铬-镍硅K100012003、镍铬-铜镍E600800第五节温度检测及仪表铂（Platinum）：化学符号为Pt，熔点1773℃。延展性强，可拉成很细的铂丝，化学性质极其稳定，不溶于强酸强碱，在空气中不氧化。纯白金硬度较低，首饰用的白金为Pt900、Pt950等。第五节温度检测及仪表镍（nickel）：化学符号Ni，可用来制造货币等，镀在其他金属上可以防止生锈。熔点1455℃。（金川镍）铬（chromium）：化学符号Cr,银白色金属，质极硬，耐腐蚀。熔点1857±20℃，铬镀在金属上可以防锈，铬用于制不锈钢，不锈钢中的主要合金元素是Cr（铬），只有当Cr含量达到一定值时，钢才有耐蚀性。镍铬合金：耐腐蚀，价格低廉，常用烤瓷牙材料。热电偶分度表（mV/μV）三种常用热定偶性能比较灵敏度最高的是E，最低为S。测量范围相反。EAB(t,t0)=EA(t)-E(t0)如t0=常数；则E(t0)=常数E（500、t0)E（500、t0)E（t、t0)+E(t0、20）=E（t、20）第五节温度检测及仪表34２补偿导线(compensatingwire)的选用图3-61补偿导线接线图

采用一种专用导线，将热电偶的冷端延伸出来，这既能保证热电偶冷端温度保持不变，又经济。

它也是由两种不同性质的金属材料制成，在一定温度范围内（0～100℃）与所连接的热电偶具有相同的热电特性，其材料又是廉价金属。见左图。第五节温度