熱電偶傳感器3

1、9.1.1 熱電偶測溫原理熱電偶測溫原理9.1.2 熱電偶的基本定律熱電偶的基本定律9.1.3 熱電偶的冷端處理和補償熱電偶的冷端處理和補償9.1.4 標準化熱電偶標準化熱電偶9.1.5 非標準化熱電偶非標準化熱電偶9.1.6 熱電偶結(jié)構(gòu)型式熱電偶結(jié)構(gòu)型式9.1.7 熱電偶安裝注意事項熱電偶安裝注意事項上一頁下一頁返 回l熱電偶：熱電偶：兩種不同的金屬兩種不同的金屬A和和B構(gòu)成閉合回路構(gòu)成閉合回路當兩個接觸端當兩個接觸端T T0時，回路中會產(chǎn)生熱電勢時，回路中會產(chǎn)生熱電勢 熱電勢由兩種材料的接觸電勢和單一材料的溫差電勢決定熱電勢由兩種材料的接觸電勢和單一材料的溫差電勢決定上一頁下一頁返 回BA

2、ABNNekTTeln)(k 玻耳茲曼常數(shù)；T 接觸面的絕對溫度；e 單位電荷量；NA金屬電極A的自由電子密度NA金屬電極B的自由電子密度接觸電勢接觸電勢上一頁下一頁返 回TTAdTTTe0),(0 湯姆遜系數(shù)，它表示溫度為湯姆遜系數(shù)，它表示溫度為1時所產(chǎn)生的電動勢值，時所產(chǎn)生的電動勢值， 它與材料的性質(zhì)有關。它與材料的性質(zhì)有關。 溫差電勢溫差電勢（湯姆遜電勢）（湯姆遜電勢） 上一頁下一頁返 回TTBABABAABABBABAABABdt)(NNln)TT(ek)T ,T(e)T ,T(e)T(e)T(e)T ,T(e)T(e)T ,T(e)T(e)T ,T(E000000000上一頁下一頁返

3、 回l熱電極熱電極A和和B為同一種材料時，為同一種材料時，NA=NB, A=B，則則EAB(T, T0)=0。l若熱電偶兩端處于同一溫度下，若熱電偶兩端處于同一溫度下， T=T0 ，則則EAB(T, T0)=0 。l熱電勢存在必須具備兩個條件：熱電勢存在必須具備兩個條件：一、兩種不同的金屬材料組成熱電偶，一、兩種不同的金屬材料組成熱電偶， 二、它的兩端存在溫差。二、它的兩端存在溫差。 上一頁下一頁返 回)T(f)T(fdt)()T(edt)()T(e)T ,T(ETTBAABTBAABAB00000熱電勢是熱電勢是T和和T0的溫度函數(shù)的差，而不是溫度的函數(shù)。的溫度函數(shù)的差，而不是溫度的函數(shù)。當

4、當T0=0時，時，f (T0)=0則有：則有：)(),(0TfTTEABE與與T之間有唯一對應的單值函數(shù)關系，之間有唯一對應的單值函數(shù)關系，因此就可以用測量到的熱電勢因此就可以用測量到的熱電勢E來得到對應的溫度值來得到對應的溫度值T，熱電偶熱電勢的大小，只是與導體熱電偶熱電勢的大小，只是與導體A和和B的材料有關，的材料有關，與冷熱端的溫度有關，與導體的粗細長短及兩導體接觸面積無關。與冷熱端的溫度有關，與導體的粗細長短及兩導體接觸面積無關。 上一頁下一頁返 回1. 1. 勻質(zhì)導體定律勻質(zhì)導體定律2. 2. 中間導體定律中間導體定律3. 3. 連接導體定律連接導體定律上一頁下一頁返 回l由一種勻質(zhì)

5、導體所組成的閉合回路，不論導體由一種勻質(zhì)導體所組成的閉合回路，不論導體的截面積如何及導體的各處溫度分布如何，都的截面積如何及導體的各處溫度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢。不能產(chǎn)生熱電勢。l熱電偶必須采用兩種不用材料的導體組成，熱電偶必須采用兩種不用材料的導體組成，l熱電偶的熱電勢僅與兩接點的溫度有關，而與熱電偶的熱電勢僅與兩接點的溫度有關，而與沿熱電極的溫度分布無關。沿熱電極的溫度分布無關。l如果熱電偶的熱電極是非勻質(zhì)導體，在不均勻如果熱電偶的熱電極是非勻質(zhì)導體，在不均勻溫度場中測溫時將造成測量誤差。所以熱電極溫度場中測溫時將造成測量誤差。所以熱電極材料的均勻性是衡量熱電偶質(zhì)量的重要技術(shù)指材料的均

6、勻性是衡量熱電偶質(zhì)量的重要技術(shù)指標之一。標之一。上一頁下一頁返 回在熱電偶回路中接入與另一種導體稱中間導體在熱電偶回路中接入與另一種導體稱中間導體C C，只，只要中間導體的兩端溫度相同，熱電偶回路總電動勢不要中間導體的兩端溫度相同，熱電偶回路總電動勢不受中間導體接入的影響。受中間導體接入的影響。上一頁下一頁返 回),(),(),(00TTETTETTTEnBAnABnBAAB為在工業(yè)測量溫度中使用補償導線提供了理論基礎。為在工業(yè)測量溫度中使用補償導線提供了理論基礎。),(),(),(00TTETTETTTEnABnABnAB上一頁下一頁返 回l例例6.3.1 6.3.1 用（用（S S型）熱電

7、偶測量某一溫度，若參考型）熱電偶測量某一溫度，若參考端溫度端溫度T T0 0=30=30，測得的熱電勢，測得的熱電勢E(T,TnE(T,Tn)=7.5mV)=7.5mV，求測量端實際溫度求測量端實際溫度T T。)(),(),(0,0TTETTETTEnnCTCTTTEnn03000，）中，（在查分度表有查分度表有E（30，0）= 0.173 mV mVTTEn5 . 7），（mVETETE673.7173.05 .7)0 ,30(300），（），（反查分度表有反查分度表有T=830T=830，測量端實際溫度為，測量端實際溫度為830830上一頁下一頁返 回熱電偶的熱電勢大小不僅與熱端溫度的有關

8、，熱電偶的熱電勢大小不僅與熱端溫度的有關，而且也與冷端溫度有關，只有當冷端溫度恒定，而且也與冷端溫度有關，只有當冷端溫度恒定，通過測量熱電勢的大小得到熱端的溫度。通過測量熱電勢的大小得到熱端的溫度。 熱電偶的冷端處理和補償熱電偶的冷端處理和補償: 當熱電偶冷端處在溫度波動較大的地方時，必當熱電偶冷端處在溫度波動較大的地方時，必須首先使用補償導線將冷端延長到一個溫度穩(wěn)須首先使用補償導線將冷端延長到一個溫度穩(wěn)定的地方，再考慮將冷端處理為定的地方，再考慮將冷端處理為。上一頁下一頁返 回1. 補償導線法補償導線法2. 熱電偶冷端溫度恒溫法熱電偶冷端溫度恒溫法3. 計算修正法計算修正法4. 冷端補償電橋

9、法冷端補償電橋法上一頁下一頁返 回l組成組成：補償導線合金絲、絕緣層、護套和屏蔽層。：補償導線合金絲、絕緣層、護套和屏蔽層。l熱電偶補償導線功能熱電偶補償導線功能： 其一實現(xiàn)了冷端遷移；其一實現(xiàn)了冷端遷移； 其二是降低了電路成本。其二是降低了電路成本。l補償導線又分為補償導線又分為延長型延長型和和補償型補償型兩種兩種 延長形：延長形：補償導線合金絲的名義化學成分及熱電勢標稱值與補償導線合金絲的名義化學成分及熱電勢標稱值與配用的熱電偶相同，用字母配用的熱電偶相同，用字母“”附在熱電偶分度號后表示，附在熱電偶分度號后表示， 補償型：補償型：其合金絲的名稱化學成分與配用的熱電偶不同，但其合金絲的名稱

10、化學成分與配用的熱電偶不同，但其熱電勢值在其熱電勢值在100以下時與配用的熱電偶的熱電勢標稱值相以下時與配用的熱電偶的熱電勢標稱值相同，有字母同，有字母“C”附在熱電偶分度號后表示，附在熱電偶分度號后表示， 上一頁下一頁返 回補償導補償導線型號線型號配用熱電偶配用熱電偶補償導線的線芯材料補償導線的線芯材料絕緣層著色絕緣層著色正極正極負極負極SC或RC鉑銠10（鉑銠）-鉑SPC（銅）SNC（銅鎳）紅綠KC鎳鉻-鎳硅KPC（銅）KNC（銅鎳）紅藍KX鎳鉻-鎳硅KPX（銅鎳）KNX（鎳硅）紅黑NX鎳鉻硅-鎳硅NPS（銅鎳）NNX（鎳硅）紅灰EX鎳鉻-銅鎳EPX（鎳鉻）ENX（銅鎳）紅棕JX鐵-銅鎳J

11、PX（鐵）JNX（銅鎳）紅紫TX銅-銅鎳TPX（銅）TNX（銅鎳）紅白上一頁下一頁返 回補償導線只能用在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)（補償導線只能用在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)（01000100）；）；熱電偶和補償導線的兩個接點處要保持溫度相同；熱電偶和補償導線的兩個接點處要保持溫度相同；不同型號的熱電偶配有不同的補償導線；不同型號的熱電偶配有不同的補償導線；補償導線由正、負極需分別與熱電偶正、負極相補償導線由正、負極需分別與熱電偶正、負極相連；連；補償導線的作用是對熱電偶冷端延長。補償導線的作用是對熱電偶冷端延長。上一頁下一頁返 回適用于實驗室中的精確測量和檢定熱電偶時使用。適用于實驗室中的精確測量和檢定熱電偶時

12、使用。上一頁下一頁返 回l在實際應用中，熱電偶的參考端往往不是，而在實際應用中，熱電偶的參考端往往不是，而是環(huán)境溫度，這時測量出的回路熱電勢要小，是環(huán)境溫度，這時測量出的回路熱電勢要小，因此必須加上環(huán)境溫度與冰點之間溫差所產(chǎn)生因此必須加上環(huán)境溫度與冰點之間溫差所產(chǎn)生的熱電勢后才能符合熱電偶分度表的要求。的熱電勢后才能符合熱電偶分度表的要求。 )0 ,(),()0 ,(11TETTETE可用室溫計測出環(huán)境溫度可用室溫計測出環(huán)境溫度T1，從分度表中查出的，從分度表中查出的E(T1,0)值，值，然后加上熱電偶回路熱電勢然后加上熱電偶回路熱電勢E(T,T1)，得到，得到E(T,0)值，值，反查分度表即

13、可得到準確的被測溫度值。反查分度表即可得到準確的被測溫度值。上一頁下一頁返 回用鎳鉻用鎳鉻- -鎳硅鎳硅( (K K型型) )熱電偶測溫，熱電偶參比端溫度熱電偶測溫，熱電偶參比端溫度為為3030。測得的熱電勢為。測得的熱電勢為2828mVmV，求熱端溫度。，求熱端溫度。mVE203. 1)0 ,30(mVTE28)30,(mVmVmVTE203.29203. 128)0 ,(反查K分度表 T=701.5計算修正曲線 上一頁下一頁返 回l利用直流不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補償熱電偶利用直流不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補償熱電偶冷端溫度變化而引起的熱電勢的變化值冷端溫度變化而引起的熱電勢的變化值 上一頁下一

14、頁返 回l標準化熱電偶：標準化熱電偶：工藝上比較成熟，能批工藝上比較成熟，能批量生產(chǎn)、性能穩(wěn)定、應用廣泛，具有統(tǒng)量生產(chǎn)、性能穩(wěn)定、應用廣泛，具有統(tǒng)一分度表并已列入國際和國家標準文件一分度表并已列入國際和國家標準文件中的熱電偶。標準化熱電偶可以互相交中的熱電偶。標準化熱電偶可以互相交換，精度有一定的保證。換，精度有一定的保證。 l國際電工委員會（國際電工委員會（IEC）共推薦了）共推薦了8種標種標準化熱電偶準化熱電偶 上一頁下一頁返 回熱電偶名稱熱電偶名稱分度分度號號熱電極識別熱電極識別E E（100,0100,0）（mVmV）測溫范圍（測溫范圍（）對分度表允許偏差（對分度表允許偏差（）新新極極

15、性性識別識別長期長期短期短期等等級級使用溫度使用溫度允差允差鉑銠10-鉑S正亮白較硬0.6460130016006001.5負亮白柔軟6000.25%t鉑銠13-鉑R正較硬0.6470130016006001.5負柔軟11000.25%t鉑銠30-鉑銠B正較硬0.0330160018006009004負稍軟8000.5%t鎳鉻-鎳硅K正不親磁4.096012001300-4013002.5或0.75%t負稍親磁-200402.5或1.5%t鎳鉻硅-鎳硅N正不親磁2.774-20012001300-4011001.5或0.4%t負稍親磁-4013002.5或0.75%t鎳鉻-康銅E正暗綠6.31

16、9-200760850-409002.5或0.75%t負亮黃-200402.5或1.5%t銅-康銅T正紅色4.279-200350400-403501或0.75%t負銀白色-200401或1.5%t鐵-康銅J正親磁5.269-40600750-407502.5或0.75%t負不親磁上一頁下一頁返 回l貴金屬熱電偶。電極線徑規(guī)定為貴金屬熱電偶。電極線徑規(guī)定為0.50.5mmmm，正極（正極（SPSP）的名義化學成分為鉑銠合金）的名義化學成分為鉑銠合金負極（負極（SNSN）為純鉑，故俗稱為單鉑銠熱電偶。）為純鉑，故俗稱為單鉑銠熱電偶。長期最高使用溫度為長期最高使用溫度為13001300，短期最高使

17、用溫度為，短期最高使用溫度為16001600。l優(yōu)點：優(yōu)點：準確度高，穩(wěn)定性好，測溫溫區(qū)和使用壽命長，準確度高，穩(wěn)定性好，測溫溫區(qū)和使用壽命長，物理化學性能良好，在高溫下抗氧化性能好，適用于物理化學性能良好，在高溫下抗氧化性能好，適用于氧化和惰性氣氛中。氧化和惰性氣氛中。l缺點：缺點：熱電率較小，靈敏度低，高溫下機械強度下降，熱電率較小，靈敏度低，高溫下機械強度下降，對污染敏感，貴金屬材料昂貴，因此一次性投資較大。對污染敏感，貴金屬材料昂貴，因此一次性投資較大。上一頁下一頁返 回l為貴金屬熱電偶。熱偶絲線徑規(guī)定為為貴金屬熱電偶。熱偶絲線徑規(guī)定為0.50.5mmmm，正極（正極（BPBP）和負極

18、（）和負極（BNBN）的名義化學成分均為鉑銠）的名義化學成分均為鉑銠合金，只是含量不同，故俗稱為雙鉑銠熱電偶。合金，只是含量不同，故俗稱為雙鉑銠熱電偶。長期最高使用溫度為長期最高使用溫度為16001600，短期最高使用溫度為，短期最高使用溫度為18001800。l優(yōu)點優(yōu)點：準確度高，穩(wěn)定性好，測溫溫區(qū)寬，使用壽命：準確度高，穩(wěn)定性好，測溫溫區(qū)寬，使用壽命長等，適用于氧化性和惰性氣氛中，也可短期用于真長等，適用于氧化性和惰性氣氛中，也可短期用于真空中，但不適用于還原性氣氛或含有金屬或非金屬蒸空中，但不適用于還原性氣氛或含有金屬或非金屬蒸汽中；參比端不需進行冷端補償，因為在汽中；參比端不需進行冷端

19、補償，因為在0 05050范范圍內(nèi)熱電勢小于圍內(nèi)熱電勢小于3 3V V。l缺點：缺點：熱電率較小，靈敏度低，高溫下機械強度下降，熱電率較小，靈敏度低，高溫下機械強度下降，抗污染能力差，貴金屬材料昂貴。抗污染能力差，貴金屬材料昂貴。上一頁下一頁返 回l使用量最大的廉金屬熱電偶，用量為其他熱電偶的總和使用量最大的廉金屬熱電偶，用量為其他熱電偶的總和正極（正極（KPKP）的名義化學成分為：）的名義化學成分為：Ni:Cr=90:10Ni:Cr=90:10，負極（負極（KNKN）的名義化學化學成分為）的名義化學化學成分為Ni:SiNi:Si=97:3=97:3。其使用溫度為其使用溫度為-200-2001

20、3001300。l優(yōu)點：優(yōu)點：線性度好，熱電勢較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和線性度好，熱電勢較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和復現(xiàn)性均好，抗氧化性強，價格便宜。能用于氧化性和復現(xiàn)性均好，抗氧化性強，價格便宜。能用于氧化性和惰性氣氛中。惰性氣氛中。lK K型熱電偶不能在高溫下直接用于硫、還原性或還原、型熱電偶不能在高溫下直接用于硫、還原性或還原、氧化交替的氣氛中，也不能用于真空中。氧化交替的氣氛中，也不能用于真空中。上一頁下一頁返 回l稱為鎳鉻稱為鎳鉻-康銅熱電偶，也是一種廉價金屬熱電偶。康銅熱電偶，也是一種廉價金屬熱電偶。其正極（其正極（EP）為鎳鉻）為鎳鉻10合金，化學成分與合金，化學成分與KP相同，相

21、同，負極（負極（EN）為銅鎳合金，名義化學成分為）為銅鎳合金，名義化學成分為55%的銅、的銅、45%的鎳以及少量的鈷、錳、鐵等元素。的鎳以及少量的鈷、錳、鐵等元素。l該熱電偶電動勢之大，靈敏度之高屬所有標準熱電偶該熱電偶電動勢之大，靈敏度之高屬所有標準熱電偶之最，宜制成熱電偶堆來測量微小溫度變化。之最，宜制成熱電偶堆來測量微小溫度變化。lE型熱電偶可用于濕度較大的環(huán)境里，具有穩(wěn)定性好，型熱電偶可用于濕度較大的環(huán)境里，具有穩(wěn)定性好，抗氧化性能高，價格便宜等優(yōu)點。但不能在高溫下用抗氧化性能高，價格便宜等優(yōu)點。但不能在高溫下用于硫、還原性氣氛中。于硫、還原性氣氛中。 上一頁下一頁返 回上一頁下一頁返

22、 回熱電偶種類熱電偶種類優(yōu)點優(yōu)點缺點缺點B適于測量1000以上的高溫常溫下熱電動勢極小，可不用補償導線抗氧化、耐化學腐蝕在中低溫領域熱電動勢小，不能用于600以下靈敏度低熱電動勢的線性不好R、S精度高、穩(wěn)定性好，不易劣化抗氧化、耐化學腐蝕可作標準靈敏度低不適用于還原性氣氛(尤其是H2、金屬蒸氣)熱電動勢的線性不好價格高N熱電動勢線性好1200以下抗氧化性能良好短程表序結(jié)構(gòu)變化影響小不適用于還原性氣氛同貴金屬勢電偶相比時效變化大K熱電動勢線性好1000下抗氧化性能良好在廉金屬熱電偶中穩(wěn)定性更好不適用于還原性氣氛同貴金屬熱電偶相比時效變化大因短程有序結(jié)構(gòu)變化而產(chǎn)生誤差E在現(xiàn)有的熱電偶中，靈敏度最高

23、同J型相比，耐熱性能良好兩極非磁性不適用于還原性氣氛熱導率低具有微滯后現(xiàn)象J可用于還原性氣氛熱電動勢較K型高20%左右鐵正極易生銹熱電特性漂移大T熱電動勢線性好低溫特性好產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性好可用于還原性氣氛使用溫度低銅正極易氧化熱傳導誤差大上一頁下一頁返 回名稱名稱熱電極材料熱電極材料使用溫度使用溫度范圍范圍()()過熱使用溫過熱使用溫度度范圍范圍()()特征特征正極正極負極負極鎢萊系Wre5、Wre3Wre26、Wre25023003000適用于還原性、H2及惰性氣體。質(zhì)脆鉑銠系PtRh20、PtRh40PtRh5、PtRh2030015001100160018001800在高溫下使用，熱電動勢小，其它性能與R型相同銥銠系Ir、Ir、IrIrRh40、IrRh50、IrRh60110020002100適用于真空、惰性氣體及微氧化性氣氛。質(zhì)脆鎳鉬系NiNiMo1801280/可用于還原性氣氛，熱電動勢大鈀鉑系Pd、Pt及Au合金Au、Pd合金011001300耐磨性能強，熱電動勢的大小基本上與K型相同鎳鉻、金鐵以Ni-Cr為主的合金含0.07mo1%Fe的