熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)

1、1熱電偶傳感器熱電偶傳感器23 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度是需要測(cè)量和控制的重要參數(shù)之一。特點(diǎn)：特點(diǎn)：在溫度測(cè)量中，熱電偶的應(yīng)用極為廣泛，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、測(cè)量范圍廣、精度高、慣性小和輸出信號(hào)便于遠(yuǎn)傳等許多優(yōu)點(diǎn)。另外，測(cè)量時(shí)不需外加電源，使用十分方便，所以常被用作測(cè)量爐子、管道內(nèi)的氣體或液體的溫度及固體的表面溫度。4 熱電偶（thermocouple）是溫度測(cè)量?jī)x表中常用的測(cè)溫元件，它直接測(cè)量溫度，并把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，通過電氣儀表（二次儀表）轉(zhuǎn)換成被測(cè)介質(zhì)的溫度。溫度熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào)溫度顯示熱電偶儀器儀表5 熱電偶測(cè)溫的基本原理是兩種不同成份的材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路，當(dāng)兩端存在溫度差

2、時(shí)，回路中就會(huì)有電流通過，此時(shí)兩端之間就存在電動(dòng)勢(shì)。銅絲鐵絲60.0070.118-0.11910熱電偶測(cè)溫原理熱電偶測(cè)溫原理1.熱電效應(yīng) 兩種不同材料的導(dǎo)體組成一個(gè)閉合回路時(shí)，若兩接點(diǎn)溫度不同，則在該回路中會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，該電動(dòng)勢(shì)稱為熱電勢(shì)。 1112熱電偶回路 熱電偶回路產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)由接觸電動(dòng)勢(shì)和溫差電動(dòng)勢(shì)兩部分組成。當(dāng) A，B 兩種不同導(dǎo)體接觸時(shí)，兩種金屬A、B的自由電子密度不同分別為nA和nB （設(shè)nAnB）。當(dāng)兩種金屬相接時(shí)，將產(chǎn)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象。達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，在A、B之間形成穩(wěn)定的電位差，即接觸電勢(shì)eAB(t) 。兩種導(dǎo)體的接觸電勢(shì)示意圖 13兩種導(dǎo)體的

3、接觸電勢(shì)14 接觸電動(dòng)勢(shì)的大小與接點(diǎn)處溫度高低和導(dǎo)體的電子密度有關(guān)。 溫度越高， 接觸電動(dòng)勢(shì)越大；兩種導(dǎo)體電子密度的比值越大，接觸電動(dòng)勢(shì)越大。單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì) 對(duì)于單一導(dǎo)體，如果兩端溫度分別為T、TO，且TTO。單一導(dǎo)體溫差電勢(shì)示意圖 導(dǎo)體中的自由電子，在高溫端具有較大的動(dòng)能，因而向低溫端擴(kuò)散，在導(dǎo)體兩端產(chǎn)生了電勢(shì)。15 熱電偶回路總熱電勢(shì)： EAB(T,TO)=eAB(T)+eB(T,TO)-eAB(TO)-eA(T,TO)式中：eAB(T): 熱端接觸電勢(shì)；eB(T,TO): B導(dǎo)體溫差電勢(shì)；eAB(TO): 冷端接觸電勢(shì)；eA(T,TO): A導(dǎo)體溫差電勢(shì)。 16 在總電勢(shì)中，溫差電勢(shì)

4、比接觸電勢(shì)小很多，可忽略不溫差電勢(shì)比接觸電勢(shì)小很多，可忽略不計(jì)計(jì)，則熱電偶的熱電勢(shì)可表示為 EAB(T,TO)=eAB(T)-eAB(TO) 顯然， 熱電動(dòng)勢(shì)的大小與組成熱電偶的導(dǎo)體材料和兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)。 17當(dāng)熱電偶兩電極材料確定后，熱電動(dòng)勢(shì)便只是兩接點(diǎn)溫度的函數(shù)。當(dāng)參考端溫度TO恒定時(shí)，EAB(TO)=c為常數(shù)，則總的熱電勢(shì)就只與溫度T有關(guān)系，即： EAB(T,TO)=eAB(T)- c =f(T) 18實(shí)際應(yīng)用時(shí)可通過熱電偶分度表熱電偶分度表查出溫度值。分度表是在參考端溫度為00C時(shí)，通過實(shí)驗(yàn)建立的熱電勢(shì)與工作端溫度之間的數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系。EAB(T,TO)=eAB(T)-eAB(TO)

5、192021 可見當(dāng)冷端溫度 t 0 恒定時(shí)， 熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)只與熱端的溫度有關(guān)， 即只要測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)，便可確定熱端的溫度 t。由此得到有關(guān)熱電偶的幾個(gè)結(jié)論：（1）熱電偶必須采用兩種不同材料作為電極，否則無論導(dǎo)體截面如何、溫度分布如何，回路中的總熱電動(dòng)勢(shì)恒為零。（2）若熱電偶兩接點(diǎn)溫度相同，盡管采用了兩種不同的金屬，回路總電動(dòng)勢(shì)恒為零。（3）熱電偶回路總熱電動(dòng)勢(shì)的大小只與材料和接點(diǎn)溫度有關(guān)，與熱電偶的尺寸、形狀無關(guān)。EAB(T,TO)=eAB(T)-eAB(TO) 沒有小結(jié)的小結(jié)沒有小結(jié)的小結(jié) 熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)與溫度的關(guān)系表，稱之為分度表。 熱電偶（包括后面要介紹的金屬熱電阻及測(cè)量?jī)x表）

6、分度表是IEC（國(guó)際電工委員會(huì)）發(fā)表的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（國(guó)際溫標(biāo)）。 該標(biāo)準(zhǔn)以表格的形式規(guī)定各種熱電偶/阻在-2712300每一個(gè)溫度點(diǎn)上的輸出電動(dòng)勢(shì)（參考端溫度為0）。22分度表分度表23非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶：非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶： 在使用范圍或數(shù)量級(jí)上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶， 一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場(chǎng)合的測(cè)量。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶：標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶： 熱電偶和熱電阻全部按 IEC 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶/阻命名統(tǒng)一代號(hào)，稱為分分度號(hào)度號(hào)。我國(guó)指定S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。24 常用的4種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶絲材料為鉑銠10鉑、鉑銠30鉑銠6、鎳鉻銅鎳、鎳鉻鎳硅（我國(guó)通

7、常稱為鎳鉻康銅）。 組成熱電偶的兩種材料，寫在前面的為正極，寫在后面的為負(fù)極。1）鉑銠10鉑熱電偶（分度號(hào)為S，也稱為單鉑銠熱電偶） 特點(diǎn)是性能穩(wěn)定，精度高，范圍較大、抗氧化性強(qiáng)，長(zhǎng)期使用溫度可達(dá)1000，成本較高，熱電動(dòng)勢(shì)較弱。2）鉑銠13鉑熱電偶（分度號(hào)為R，也稱為單鉑銠熱電偶） 同S型相比，它的熱電動(dòng)勢(shì)率大15%左右，其它性能幾乎相同。25標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶材料和種類標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶材料和種類3）鉑銠30鉑銠6熱電偶（分度號(hào)為B，也稱為雙鉑銠熱電偶） 在室溫下，其熱電動(dòng)勢(shì)很小，故在測(cè)量時(shí)一般不用補(bǔ)償導(dǎo)線，可忽略冷端溫度變化的影響。 長(zhǎng)期使用溫度為1600，短期為1800，因熱電動(dòng)勢(shì)較小，故需配用靈

8、敏度較高的顯示儀表。 即使在還原氣氛下，其壽命也是R或S型的1020倍。缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴。264）鎳鉻鎳硅（鎳鋁）熱電偶（分度號(hào)為K） 是抗氧化性較強(qiáng)的賤金屬熱電偶，可測(cè)量01300溫度。 熱電動(dòng)勢(shì)與溫度的關(guān)系近似線性、價(jià)格便宜、熱電動(dòng)勢(shì)大，是目前用量最大的熱電偶。5）銅銅鎳熱電偶（分度號(hào)為T） 價(jià)格便宜，使用溫度是-200350。276）鐵銅鎳熱電偶（分度號(hào)為J） 價(jià)格便宜，適用于真空、氧化或惰性氣氛中，溫度范圍為-200800。7）鎳鉻銅鎳熱電偶（分度號(hào)為E） 是一種較新的產(chǎn)品，裸露式結(jié)構(gòu)無保護(hù)管，價(jià)格比較便宜，在常用的熱電偶中，其熱電動(dòng)勢(shì)最大。適用于0600溫度范圍。282930熱電偶的結(jié)

9、構(gòu)形式和標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶熱電偶的結(jié)構(gòu)形式和標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶1.普通型熱電偶 普通型熱電偶一般由熱電極、絕緣套管、保護(hù)管和接線盒組成。 普通型熱電偶按其安裝時(shí)的連接形式可分為固定螺紋連接、固定法蘭連接、活動(dòng)法蘭連接、無固定裝置等多種形式。31凡是在兩個(gè)平面在周邊使用螺栓連接同時(shí)封閉的連接零件，一般都稱為“法蘭”。 3233 絕緣套管： 熱電偶的工作端被焊接在一起，熱電極之間需要用絕緣套管保護(hù)。 通常測(cè)量溫度在1000以下選用粘土質(zhì)絕緣套管， 在1300以下選用高鋁絕緣套管， 在1600以下選用剛玉絕緣套管。34 保護(hù)管： 保護(hù)管的作用是使熱電偶電極不直接與被測(cè)介質(zhì)接觸。 它不僅可延長(zhǎng)熱電偶的壽命， 還可

10、起到支撐和固定熱電極，增加其強(qiáng)度的作用。 材料主要有金屬和非金屬兩類。352.鎧裝熱電偶（纜式熱電偶）鎧裝熱電偶（纜式熱電偶） 鎧裝熱電偶也稱纜式熱電偶，是將熱電偶絲與電熔氧化鎂絕緣物溶鑄在一起，外表再套不銹鋼管等構(gòu)成。 這種熱電偶能彎曲、耐高壓、反應(yīng)時(shí)間短、堅(jiān)固耐用。36371-熱電極;2-絕緣材料;3-金屬套管;4-接線盒;5-固定裝置鎧裝熱電偶示意圖 383.薄膜熱電偶薄膜熱電偶 用真空鍍膜技術(shù)或真空濺射等方法，將熱電偶材料沉積在絕緣片表面而構(gòu)成的熱電偶稱為薄膜熱電偶。 適用于對(duì)壁面溫度的快速測(cè)量。薄膜熱電偶示意圖 39（0.010.1m）40熱電偶選型依據(jù)熱電偶選型依據(jù)熱電偶選型依據(jù)熱

11、電偶選型依據(jù)熱電偶型號(hào)如何選定及注意事項(xiàng)熱電偶型號(hào)如何選定及注意事項(xiàng)熱電偶選型關(guān)注點(diǎn)通常為：型號(hào)、分度號(hào)、防爆等級(jí)、精度等級(jí)、裝固定形式、保護(hù)管材質(zhì)、長(zhǎng)度或插入深度等，同時(shí)，在選型時(shí)應(yīng)注意一下幾個(gè)方面：（1）熱電偶的測(cè)量精度和溫度測(cè)量范圍；（2）熱電偶的耐久性及熱響應(yīng)時(shí)間；（3）熱電偶的使用環(huán)境；（4）測(cè)量介質(zhì)的情況；（5）參考相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行選型；42（1）熱電偶的測(cè)量精度和溫度測(cè)量范圍，測(cè)量溫度高于 1800時(shí)，通常選用鎢錸熱電偶；u在13001800之間，要求精度又比較高時(shí)，一般選用 B 型熱電偶；u使用溫度在10001300要求精度又比較高可用 S 型熱電偶和 N 型熱電偶；u在

12、1000以下一般用 K 型熱電偶和 N 型熱電偶；u低于 400一般用 E 型熱電偶；u0-250測(cè)量一般用 T 型電偶，在低溫時(shí) T 型熱電偶穩(wěn)定而且精度高。 上述選型僅僅考慮了測(cè)量溫度范圍和測(cè)量精度，最終選型還應(yīng)該綜合考慮其他因素。43（2）熱電偶的耐久性及熱響應(yīng)時(shí)間。通常線徑大的熱電偶耐久性好，但是熱電偶熱響就會(huì)長(zhǎng)。對(duì)于熱容量大的熱電偶，響應(yīng)較慢，測(cè)量梯度大的溫度時(shí)；因而，作為溫度控制應(yīng)用時(shí)，控制響應(yīng)速度較慢，控溫效果較差。 如果應(yīng)用對(duì)耐久性和熱響應(yīng)時(shí)間有較高的要求，推薦選用鎧裝熱電偶，它具有安裝簡(jiǎn)單、精度高、測(cè)量范圍大、經(jīng)濟(jì)效益好等很多優(yōu)點(diǎn)。44（3）熱電偶的使用環(huán)境。如果熱電偶保護(hù)管

13、密封性能比較好，當(dāng)然就對(duì)這方面不太有要求。一般來說 B 型、S 型、K 型熱電偶適合于強(qiáng)的氧化和弱的還原氣氛中使用，J 型和 T型熱電偶適合于弱氧化和還原氣氛環(huán)境中相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)GB 26786-2011工業(yè)熱電偶和熱電阻隔爆技術(shù)條件工業(yè)熱電偶和熱電阻隔爆技術(shù)條件GB/T 4990-2010熱電偶用補(bǔ)償導(dǎo)線合金絲熱電偶用補(bǔ)償導(dǎo)線合金絲GB/T 2904-2010鎳鉻鎳鉻-金鐵、銅金鐵、銅-金鐵低溫?zé)犭娕冀z金鐵低溫?zé)犭娕冀zGB/T 2614-2010鎳鉻鎳鉻-鎳硅熱電偶絲鎳硅熱電偶絲GB/T 4993-2010鎳鉻鎳鉻-銅鎳銅鎳(康銅康銅)熱電偶絲熱電偶絲GB/T 18034-20

14、00微型熱電偶用鉑銠細(xì)偶絲規(guī)范微型熱電偶用鉑銠細(xì)偶絲規(guī)范GB/T 17615-1998鎳鉻硅鎳鉻硅-鎳硅鎂熱電偶絲鎳硅鎂熱電偶絲GB/T 2903-1998銅銅-銅鎳銅鎳(康銅康銅)熱電偶絲熱電偶絲GB/T 4994-1998鐵鐵-銅鎳銅鎳(康銅康銅)熱電偶絲熱電偶絲GB/T 16839.1-1997熱電偶熱電偶 第第1部分部分:分度表分度表GB/T 16839.2-1997熱電偶熱電偶 第第2部分部分:允差允差GB/T 4989-1994熱電偶用補(bǔ)償導(dǎo)線熱電偶用補(bǔ)償導(dǎo)線 JB/T 9283-1993工業(yè)熱電偶技術(shù)條件工業(yè)熱電偶技術(shù)條件4647熱電偶參數(shù)分析及選型（例）熱電偶參數(shù)分析及選型（例

15、） 在陶瓷產(chǎn)品的燒制過程中，溫度的控制極其重要。傳統(tǒng)的陶瓷燒制，會(huì)有一個(gè)專門的掌火師傅負(fù)責(zé)整個(gè)陶瓷燒制過程溫度的控制。這種掌火師傅往往需要幾十年才能培養(yǎng)出一個(gè)，這不僅需要經(jīng)驗(yàn)的積累，更需要天賦?，F(xiàn)代，即使在景德鎮(zhèn)，這種傳統(tǒng)掌火師傅已經(jīng)寥寥無幾。現(xiàn)代工藝的陶瓷燒制都是靠先進(jìn)的自動(dòng)化設(shè)備來進(jìn)行控溫。這些設(shè)備通過測(cè)量外爐壁的溫度來能判斷爐內(nèi)溫度。陶瓷燒制爐外爐壁的表面溫度大概為幾十?dāng)z氏度到1000之間。 （選擇一款熱電偶溫度傳感器測(cè)量陶瓷燒制外爐壁表面溫度。） 4950 查閱相關(guān)資料，WRN-122 鎳鉻-鎳硅 K 型熱電偶的測(cè)量溫度范圍 0至 1100，允許誤差 2.5或 0.75%t，價(jià)格 400 元，適合于強(qiáng)的氧化和弱的還原氣氛中使用， 該熱電偶性能特點(diǎn)符合陶瓷燒制爐外爐壁的測(cè)溫要求， 且價(jià)格便宜。所以確定選型的熱電偶為 WRN-122。51熱電偶溫度檢測(cè)電路搭建熱電偶溫度檢測(cè)電路搭建52 由于從熱電偶輸出的信號(hào)最多不過幾十毫伏， 因此這種電路放大就需要放大電路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗，因此宜采用放