熱電偶原理及應用

熱電偶原理及應用..第5章熱電偶傳感器及應用2022/12/272引言熱電偶是工程上應用最廣泛的溫度傳感器。它構(gòu)造簡單，使用方便，具有較高的準確度、穩(wěn)定性及復現(xiàn)性，溫度測量范圍寬，在溫度測量中占有重要的地位。2022/12/273主要內(nèi)容5.1熱電偶工作原理5.2熱電偶的結(jié)構(gòu)形式及材料5.3熱電偶實用測溫線路和溫度補償5.4熱電偶傳感器的應用實例2022/12/2745.1熱電偶工作原理5.1.1工作原理5.1.2熱電偶的基本定律2022/12/2755.1.1工作原理1．熱電效應將兩種不同成分的導體組成一個閉合回路，當閉合回路的兩個結(jié)點分別置于不同的溫度場中時，回路中將產(chǎn)生一個電勢，這種現(xiàn)象稱為“熱電效應”。1821年由Seeback發(fā)現(xiàn)的，故又稱為賽貝克效應。2022/12/276熱電偶回路原理2022/12/277熱電勢由兩部分組成兩種導體組成的回路稱為“熱電偶”，這兩種導體稱為“熱電極”，產(chǎn)生的電勢則稱為“熱電勢”，熱電偶的兩個結(jié)點，一個稱為測量端（工作端或熱端），另一個稱為參考端（自由端或冷端）。一部分是兩種導體的接觸電勢，另一部分是單一導體的溫差電勢。2022/12/2782．接觸電勢當A和B兩種不同材料的導體接觸時，由于兩者內(nèi)部單位體積的自由電子數(shù)目不同（即電子密度不同），因此，電子在兩個方向上擴散的速率就不一樣。。假設導體A的自由電子密度大于導體B的自由電子密度，則導體A擴散到導體B的電子數(shù)要比導體B擴散到導體A的電子數(shù)大。所以導體A失去電子帶正電荷，導體B得到電子帶負電荷。于是，在A、B兩導體的接觸界面上便形成一個由A到B的電場。2022/12/279熱電動勢示意圖2022/12/2710形成機理該電場的方向與擴散進行的方向相反，它將引起反方向的電子轉(zhuǎn)移，阻礙擴散作用的繼續(xù)進行。當擴散作用與阻礙擴散作用相等時，即自導體A擴散到導體B的自由電子數(shù)與在電場作用下自導體B到導體A的自由電子數(shù)相等時，便處于一種動態(tài)平衡狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，A與B兩導體的接觸處產(chǎn)生了電位差，稱為接觸電勢。接觸電勢的大小與導體材料、結(jié)點的溫度有關(guān)，與導體的直徑、長度及幾何形狀無關(guān)。2022/12/2711接觸電勢大?。?-1）2022/12/27123．溫差電動勢將某一導體兩端分別置于不同的溫度場T、T0中，在導體內(nèi)部，熱端自由電子具有較大的動能，向冷端移動，從而使熱端失去電子帶正電荷，冷端得到電子帶負電荷。這樣，導體兩端便產(chǎn)生了一個由熱端指向冷端的靜電場，該靜電場阻止電子從熱端向冷端移動，最后達到動態(tài)平衡。這樣，導體兩端便產(chǎn)生了電勢，我們稱為溫差電動勢。2022/12/27134．熱電偶的電勢設導體A、B組成熱電偶的兩結(jié)點溫度分別為T和T0，熱電偶回路所產(chǎn)生的總電動勢，在熱電偶回路中接觸電動勢遠遠大于溫差電動勢，所以溫差電動勢可以忽略不計2022/12/2714結(jié)論（1）如果熱電偶兩材料相同，則無論結(jié)點處的溫度如何，總電勢為0。（2）如果兩結(jié)點處的溫度相同，盡管A、B材料不同，總熱電勢為0。（3）熱電偶熱電勢的大小，只與組成熱電偶的材料和兩結(jié)點的溫度有關(guān)，而與熱電偶的形狀尺寸無關(guān)，當熱電偶兩電極材料固定后，熱電勢便是兩結(jié)點電勢差。（4）如果使冷端溫度Ｔ0保持不變，則熱電動勢便成為熱端溫度Ｔ的單一函數(shù)。2022/12/27155.1.2熱電偶的基本定律1．均質(zhì)導體定律2．中間導體定律3．標準電極定律4．中間溫度定律2022/12/27161．均質(zhì)導體定律由一種均質(zhì)導體組成的閉合回路中，不論導體的截面和長度如何以及各處的溫度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢。2022/12/27172．中間導體定律在熱電偶中接入第3種均質(zhì)導體，只要第3種導體的兩結(jié)點溫度相同，則熱電偶的熱電勢不變。第3種導體接入熱電偶回路2022/12/2718推論熱電偶的這種性質(zhì)在實用上有很重要的意義，它使我們可以方便地在回路中直接接入各種類型的顯示儀表或調(diào)節(jié)器，也可以將熱電偶的兩端不焊接而直接插入液態(tài)金屬中或直接焊在金屬表面測量。推論：在熱電偶中接入第4、5……種導體，只要保證插入導體的兩結(jié)點溫度相同，且是均質(zhì)導體，則熱電偶的熱電勢仍不變。2022/12/27193．標準電極定律已知熱電極A、B分別與標準電極C組成熱電偶在結(jié)點溫度為（T，T0）時的熱電動勢分別為和，則在相同溫度下，由A、B兩種熱電極配對后的熱電動勢為三種導體分別組成的熱電偶2022/12/2720例1已知鉑銠30-鉑熱電偶的EAC（1

084.5,0）=13.937（mV），鉑銠6-鉑熱電偶的EBC（1

084.5,0）=8.354（mV）。求鉑銠30-鉑銠6在相同溫度條件下的熱電動勢。2022/12/2721解：由標準電極定律可知， EAB（1

084.5,0）=EAC（1

084.5,0）?EBC（1

084.5,0）=13.937?8.354=5.583（mV）2022/12/27224．中間溫度定律熱電偶在兩結(jié)點溫度分別為T、T0時的熱電勢等于該熱電偶在結(jié)點溫度為T、Tn和Tn、T0相應熱電勢的代數(shù)和，定律是參考端溫度計算修正法的理論依據(jù)

熱電偶中間溫度定律示意圖2022/12/2723例2鎳鉻-鎳硅熱電偶，工作時其自由端溫度為30℃，測得熱電勢為39.17mV，求被測介質(zhì)的實際溫度。2022/12/2724解：由t0=0℃，查鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表，E（30，0）=1.2mV，又知E（t，30）=39.17mV所以E（t，0）=E（30，0）+E（t，30）=1.2mV+39.17mV=40.37mV。再用40.37mV反查分度表得977℃，即被測介質(zhì)的實際溫度。2022/12/27255.2熱電偶的結(jié)構(gòu)形式及材料5.2.1熱電偶的基本結(jié)構(gòu)形式5.2.2熱電偶材料5.2.3常用熱電偶2022/12/27265.2.1熱電偶的基本結(jié)構(gòu)形式熱電偶的結(jié)構(gòu)形式有普通型熱電偶、鎧裝型熱電偶和薄膜熱電偶等。熱電偶的種類雖然很多，但通常由金屬熱電極、絕緣子、保護套管及接線裝置等部分組成。2022/12/27271．普通型熱電偶普通型結(jié)構(gòu)熱電偶工業(yè)上使用最多，它一般由熱電極、絕緣套管、保護管和接線盒組成。普通型熱電偶按其安裝時的連接形式可分為固定螺紋連接、固定法蘭連接、活動法蘭連接、無固定裝置等多種形式。普通型熱電偶結(jié)構(gòu)圖2022/12/2728普通裝配型熱電偶的外形安裝螺紋安裝法蘭2022/12/2729普通裝配型熱電偶的

結(jié)構(gòu)放大圖

接線盒引出線套管

固定螺紋

（出廠時用塑料包裹）熱電偶工作端（熱端）

不銹鋼保護管

2022/12/27302．鎧裝型熱電偶鎧裝型熱電偶又稱套管熱電偶。它是由熱電偶絲、絕緣材料和金屬套管三者經(jīng)拉伸加工而成的堅實組合體.它可以做得很細很長，使用中隨需要能任意彎曲。鎧裝型熱電偶的主要優(yōu)點是測溫端熱容量小，動態(tài)響應快，機械強度高，撓性好，可安裝在結(jié)構(gòu)復雜的裝置上，因此被廣泛用在許多工業(yè)部門中。2022/12/2731鎧裝型熱電偶結(jié)構(gòu)1—接線盒2—金屬套管3—固定裝置4—絕緣材料5—熱電極2022/12/2732鎧裝型熱電偶外形法蘭鎧裝型熱電偶可長達上百米薄壁金屬保護套管（鎧體）

BA絕緣材料鎧裝型熱電偶橫截面2022/12/27333．薄膜熱電偶用真空蒸鍍（或真空濺射）、化學涂層等工藝，將熱電極材料沉積在絕緣基板上形成的一層金屬薄膜。熱電偶測量端既小又?。ê穸瓤蛇_0.01～0.1m），因而熱慣性小，反應快，可用于測量瞬變的表面溫度和微小面積上的溫度。其結(jié)構(gòu)有片狀、針狀和把熱電極材料直接蒸鍍在被測表面上等3種。所用的電極類型有鐵-康銅、鐵鎳、銅-康銅、鎳鉻-鎳硅等。測溫范圍為?200～300℃。2022/12/2734鐵-鎳薄膜熱電偶結(jié)構(gòu)1—測量接點2—鐵膜3—鐵絲4—鎳絲

5—接頭夾具6—鎳膜7—襯架2022/12/27354．表面熱電偶表面熱電偶是用來測量各種狀態(tài)的固體表面溫度的，如測量軋輥、金屬塊、爐壁、橡膠筒和渦輪葉片等表面溫度。此外還有測量氣流溫度的熱電偶、浸入式熱電偶等。2022/12/27365.2.2熱電偶材料1．對熱電極材料的一般要求2．電極材料的分類3．絕緣材料4．保護管材料2022/12/27371．對熱電極材料的一般要求（1）配對的熱電偶應有較大的熱電勢，并且熱電勢對溫度盡可能有良好的線性關(guān)系。（2）能在較寬的溫度范圍內(nèi)應用，并且在長時間工作后，不會發(fā)生明顯的化學及物理性能的變化。（3）電阻溫度系數(shù)小，電導率高。（4）易于復制，工藝性與互換性好，便于制定統(tǒng)一的分度表，材料要有一定的韌性，焊接性能好，以利于制作。2022/12/27382．電極材料的分類（1）一般金屬，如鎳鉻-鎳硅，銅-鎳銅，鎳鉻-鎳鋁，鎳鉻-考銅等。（2）貴金屬，這類熱電偶材料主要是由鉑、銥、銠、釕、鋨及其合金組成，如鉑鐒-鉑、銥銠-銥等。（3）難熔金屬，這類熱電偶材料系由鎢、鉬、鈮、錸、鋯等難熔金屬及其合金組成，如鎢錸-鎢錸、鉑銠-鉑銠等熱電偶。2022/12/27393．絕緣材料熱電偶測溫時，除測量端以外，熱電極之間和連接導線之間均要求有良好的電絕緣，否則會有熱電勢損耗而產(chǎn)生測量誤差，甚至無法測量（1）有機絕緣材料。（2）無機絕緣材料。2022/12/27404．保護管材料要求（1）氣密性好，可有效地防止有害介質(zhì)深入而腐蝕結(jié)點和熱電極。（2）應有足夠的強度及剛度，耐振、耐熱沖擊。（3）物理化學性能穩(wěn)定，在長時間工作中不至于介質(zhì)、絕緣材料和熱電極互相作用，也不產(chǎn)生對熱電極有害的氣體。（4）導熱性能好，使結(jié)點與被測介質(zhì)有良好的熱接觸。2022/12/27415.2.3常用熱電偶熱電偶可分為標準化熱電偶和非標準化熱電偶2種類型。標準化熱電偶是指國家已經(jīng)定型批量生產(chǎn)的熱電偶；非標準化熱電偶是指特殊用途試生產(chǎn)的熱電偶，非標準型熱電偶包括鉑銠系、銥銠系及鎢錸系熱電偶等。目前工業(yè)上常用的有4種標準化熱電偶，即鉑銠30-鉑銠6，鉑銠10-鉑，鎳鉻-鎳硅和鎳鉻-銅鎳（我國通常稱為鎳鉻-康銅）熱電偶。2022/12/27421．標準型熱電偶從1988年1月1日起，我國熱電偶和熱電阻的生產(chǎn)全部按國際電工委員會（IEC）的標準，并指定S、B、E、K、R、J、T7種標準化熱電偶為我國統(tǒng)一設計型熱電偶。2022/12/27432．非標準型熱電偶（1）銥和銥合金熱電偶如銥50銠-銥10釕、銥銠40-銥、銥銠60-銥熱電偶。它能在氧化環(huán)境中測量高達2

100℃的高溫，且熱電動勢與溫度關(guān)系線性好。（2）鎢錸熱電偶60年代發(fā)展起來的，是目前一種較好的高溫熱電偶，可使用在真空惰性氣體介質(zhì)或氫氣介質(zhì)中，但高溫抗氧能力差。國產(chǎn)鎢錸3-鎢錸25、鎢錸-鎢錸20熱電偶使用溫度范圍在300～2

000℃，分度精度為1%。主要用于鋼水連續(xù)測溫、反應堆測溫等場合。（3）金鐵-鎳鉻熱電偶主要用在低溫測量，可在2～273K范圍內(nèi)使用，靈敏度約為10V/℃。（4）鈀-鉑銥15熱電偶2022/12/27445.3熱電偶實用測溫線路和溫度補償1．測量某點溫度的基本電路2．測量溫度之和—熱電偶串聯(lián)測量線路3．測量平均溫度—熱電偶并聯(lián)測量線路4．測量兩點之間的溫度差5.3.1熱電偶實用測溫線路2022/12/27451．測量某點溫度的基本電路基本測量電路包括熱電偶、補償導線、冷端補償器、連接用銅線、動圈式顯示儀表。熱電偶基本測量電路2022/12/27462．測量溫度之和—熱電偶串聯(lián)測量線路將N支相同型號的熱電偶正負極依次相聯(lián)接若N支熱電偶的各熱電勢分別為E1、E2、E3、…EN，則總電勢為

=E1+E2+E3+…+EN=NE

串聯(lián)線路的總熱電勢為E的N倍，所對應的溫度可由—t關(guān)系求得，也可根據(jù)平均熱電勢E在相應的分度表上查對。2022/12/2747熱電偶串聯(lián)測量線路串聯(lián)線路的主要優(yōu)點是熱電勢大，精度比單支高；主要缺點是只要有一支熱電偶斷開，整個線路就不能工作，個別短路會引起示值顯著偏低。2022/12/27483．測量平均溫度—熱電偶并聯(lián)測量線路將N支相同型號熱電偶的正負極分別連在一起，如圖5-11所示。如果N支熱電偶的電阻值相等，則并聯(lián)電路總熱電勢等于N支熱電偶的平均值，即

=（E1+E2+E3+…+EN）/N

2022/12/2749熱電偶并聯(lián)測量線路2022/12/27504．測量兩點之間的溫度差實際工作中常需要測量兩處的溫差，可選用兩種方法測溫差，一種是兩支熱電偶分別測量兩處的溫度，然后求算溫差；另一種是將兩支同型號的熱電偶反串聯(lián)接，直接測量溫差電勢，然后求算溫差，如圖5-12所示。前一種測量較后一種測量精度差，對于要求精確的小溫差測量，應采用后一種測量方法。2022/12/2751溫差測量線路2022/12/27525.3.2熱電偶的溫度補償熱電偶產(chǎn)生的熱電勢與兩端溫度有關(guān)。只有將冷端的溫度恒定，熱電勢才是熱端溫度的單值函數(shù)。由于熱電偶分度表是以冷端溫度為0℃時作出的，因此在使用時要正確反映熱端溫度，最好設法使冷端溫度恒為0℃。實際應用中，熱電偶的冷端通?？拷粶y對象，且受到周圍環(huán)境溫度的影響，其溫度不是恒定不變的。2022/12/27531．冷端恒溫法（1）0℃恒溫法在實驗室及精密測量中，通常把參考端放入裝滿冰水混合物的容器中，以便參考端溫度保持0℃，這種方法又稱冰浴法。（2）其他恒溫法將熱電偶的冷端置于各種恒溫器內(nèi)，使之保持恒定溫度，避免由于環(huán)境溫度的波動而引入誤差。這類恒溫器可以是盛有變壓器油的容器，利用變壓器油的熱惰性恒溫，也可以是電加熱的恒溫器，這類恒溫器的溫度不為0℃，故最后還需對熱電偶進行冷端修正。2022/12/27542．補償導線法補償導線的作用是將熱電偶的冷端延長到溫度相對穩(wěn)定的地方。只有當冷端溫度恒定時，產(chǎn)生的熱電勢才與熱端溫度成單值函數(shù)關(guān)系。所謂補償導線，實際上是一對材料化學成分不同的導線，在0～1

500℃溫度范圍內(nèi)與配接的熱電偶有一致的熱電特性，價格相對要便宜。2022/12/2755補償導線連接示意圖2022/12/2756使用補償導線必須注意以下幾個問題。（1）兩根補償導線與兩個熱電極的結(jié)點必須具有相同的溫度。（2）只能與相應型號的熱電偶配用，而且必須滿足工作范圍。（3）極性切勿接反，常用補償導線負極的顏色均為白色。2022/12/27573．計算修正法兩種方法解決了一個問題，即設法使熱電偶的冷端溫度恒定。但是，冷端溫度并非一定為0℃，所以測出的熱電勢還是不能正確反映熱端的實際溫度。為此，必須對溫度進行修正。2022/12/2758例3用鎳鉻-鎳硅熱電偶測某一水池內(nèi)水的溫度，測出的熱電動勢為2.436mV。再用溫度計測出環(huán)境溫度為30℃（且恒定），求池水的真實溫度。2022/12/2759解：由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表查出E(30，0)=1.203mV所以E(T，0)=E(T，30)+E(30，0)=2.436mV+1.203mV=3.639mV查分度表知其對應的實際溫度為T=88℃，即池水的真實溫度是88℃。2022/12/27604．電橋補償法計算修正法雖然很精確，但不適合連續(xù)測溫，為此，有些儀表的測溫線路中帶有補償電橋，利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢補償熱電偶因冷端溫度波動引起的熱電勢的變化。2022/12/2761電橋補償電路在橋路設計時，使R1=R2，并且R1、R2的阻值要比橋路中其他電阻大得多。這樣，即使電橋中其他電阻的阻值發(fā)生變化，左右兩橋臂中的電流卻差不多保持不變，從而認為其具有恒流特性2022/12/2762原理回路輸出電壓U為熱電偶的熱電勢E、橋臂電阻RCM的壓降URCM及另一橋臂電阻R3的壓降UR3三者的代數(shù)和。

當熱電偶的熱端溫度一定，冷端溫度升高時，熱電勢將會減小。與此同時，銅電阻RCM的阻值將增大，從而使URCM增大，由此達到了補償?shù)哪康摹?022/12/2763自動補償?shù)臈l件2022/12/2764改進I1為流過的電流，α為銅電阻的溫度系數(shù)，一般取0.0

0391/℃；為熱電偶冷端溫度的變化范圍。2022/12/2765特點熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢與溫度之間的關(guān)系是非線性的，每變化1℃所產(chǎn)生的毫伏數(shù)并非都相同，但補償電阻的阻值變化卻與溫度變化成線性關(guān)系。因此，這種補償方法是近似的。在實際使用時，由于熱電偶冷端溫度變化范圍不會太大，這種補償方法常被采用。2022/12/27665．顯示儀表零位調(diào)整法當熱電偶通過補償導線連接顯示儀表時，如果熱電偶冷端溫度已知且恒定時，可預先將有零位調(diào)整器的顯示儀表的指針從刻度的初始值調(diào)至已知的冷端溫度值上，這時顯示儀表的示值即為被測量的實際值。2022/12/27676．軟件處理法計算機系統(tǒng)，不必全靠硬件進行熱電偶冷端處理。例如冷端溫度恒定但不為0℃的情況，只需在采樣后加一個與冷端溫度對應的常數(shù)即可。對于T0經(jīng)常波動的情況，可利用熱敏電阻或其他傳感器把T0信號輸入計算機，按照運算公式設計一些程序，便能自動修正。2022/12/27685.4熱電偶傳感器的應用實例1．工作原理2．工業(yè)現(xiàn)場利用熱電偶測量爐溫的誤差分析2022/12/27691．工作原理由毫伏定值器給出設定溫度的相應毫伏值，如熱電偶的熱電勢與定值器的輸出值有偏差，則說明爐溫偏離給定，此偏差經(jīng)放大器送入調(diào)節(jié)器，再經(jīng)