熱電偶傳感器

關(guān)于熱電偶傳感器第1頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五6.3.1熱電偶測溫原理熱電偶：兩種不同的金屬A和B構(gòu)成閉合回路 當(dāng)兩個(gè)接觸端T≠T0時(shí)，回路中會(huì)產(chǎn)生熱電勢，即熱電效應(yīng)。

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冷端/參比端工作端EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)第2頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五1.接觸電勢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NB——金屬電極B的自由電子密度接觸電勢上一頁下一頁返回第3頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五2.溫差電勢δ——湯姆遜系數(shù)，它表示溫度為1℃時(shí)所產(chǎn)生的電動(dòng)勢值，它與材料的性質(zhì)有關(guān)。溫差電勢（湯姆遜電勢）上一頁下一頁返回第4頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五3.熱電偶回路的總熱電勢上一頁下一頁返回第5頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五熱電極A和B為同一種材料時(shí)，NA=NB,δ

A=δB， 則EAB(T,T0)=0。若熱電偶兩端處于同一溫度下，T=T0

， 則EAB(T,T0)=0。熱電勢存在必須具備兩個(gè)條件： 一、兩種不同的金屬材料組成熱電偶， 二、它的兩端存在溫差。

上一頁下一頁返回第6頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五熱電勢是T和T0的溫度函數(shù)的差，而不是溫度的函數(shù)。當(dāng)T0=0℃時(shí)，f(T0)=0則有：E與T之間有唯一對應(yīng)的單值函數(shù)關(guān)系，因此就可以用測量到的熱電勢E來得到對應(yīng)的溫度值T，熱電偶熱電勢的大小，只是與導(dǎo)體A和B的材料有關(guān)，與冷熱端的溫度有關(guān)，與導(dǎo)體的粗細(xì)長短及兩導(dǎo)體接觸面積無關(guān)。上一頁下一頁返回對式（6.3.3）進(jìn)行整理，則有：

第7頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五在用熱電偶測量溫度時(shí)，想要得到熱電動(dòng)勢數(shù)值，必須要在熱電偶回路中引入第3種導(dǎo)體，接入測量儀表。在參比端溫度為0條件下，常用熱電偶熱電動(dòng)勢與溫度一一對應(yīng)的關(guān)系都可以從標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)表中查到，這種表稱為熱電偶的分度表。與分度表所對應(yīng)的該熱電偶的代號則稱為分度號。

第8頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五6.3.2熱電偶的基本定律1.均質(zhì)導(dǎo)體定律2.中間導(dǎo)體定律3.連接導(dǎo)體定律4.等值替代定律上一頁下一頁返回第9頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五1.均質(zhì)導(dǎo)體定律由一種均質(zhì)導(dǎo)體所組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的截面積如何及導(dǎo)體的各處溫度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢。熱電偶必須采用兩種不同材料的導(dǎo)體組成，熱電偶的熱電勢僅與兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)，而與沿?zé)犭姌O的溫度分布無關(guān)。如果熱電偶的熱電極是非勻質(zhì)導(dǎo)體，在不均勻溫度場中測溫時(shí)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)指標(biāo)之一。上一頁下一頁返回第10頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五2.中間導(dǎo)體定律

在熱電偶回路中接入與另一種導(dǎo)體稱中間導(dǎo)體C，只要中間導(dǎo)體的兩端溫度相同，熱電偶回路總電動(dòng)勢不受中間導(dǎo)體接入的影響。上一頁下一頁返回為用測量儀表測量回路的熱電動(dòng)勢提供理論依據(jù)第11頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五3.中間溫度定律

為在工業(yè)測量溫度中使用補(bǔ)償導(dǎo)線提供了理論基礎(chǔ)。上一頁下一頁返回第12頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五4.等值替代定律

如果使熱電偶AB在某一溫度范圍內(nèi)所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢等于熱電偶CD在同一溫度范圍內(nèi)所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢，即則這兩支熱電偶在該溫度范圍內(nèi)可以互相代用。

第13頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五6.3.3標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶：工藝上比較成熟，能批量生產(chǎn)、性能穩(wěn)定、應(yīng)用廣泛，具有統(tǒng)一分度表并已列入國際和國家標(biāo)準(zhǔn)文件中的熱電偶。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶可以互相交換，精度有一定的保證。國際電工委員會(huì)（IEC）共推薦了8種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶

上一頁下一頁返回第14頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五對熱電偶電極材料的要求：（1）在測溫范圍內(nèi)，熱電性質(zhì)穩(wěn)定，不隨時(shí)間和被測介質(zhì)變化；物理化學(xué)性能穩(wěn)定，不易氧化或腐蝕。（2）電導(dǎo)率高，電阻溫度系數(shù)較小。（3）由它們組成的熱電偶，熱電動(dòng)勢隨溫度的變化率要大，并且希望該變化率在測溫范圍內(nèi)接近常數(shù)。（4）材料的機(jī)械強(qiáng)度要高，復(fù)制性好，復(fù)制工藝簡單，價(jià)格便宜。

第15頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五表6.3.1標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶技術(shù)數(shù)據(jù)熱電偶名稱分度號熱電極識(shí)別E（100,0）（mV）測溫范圍（℃）對分度表允許偏差（℃）新極性識(shí)別長期短期等級使用溫度允差鉑銠10-鉑S正亮白較硬0.6460~13001600Ⅲ≤600±1.5℃負(fù)亮白柔軟＞600±0.25%t鉑銠13-鉑R正較硬0.6470~13001600Ⅱ＜600±1.5℃負(fù)柔軟＞1100±0.25%t鉑銠30-鉑銠B正較硬0.0330~16001800Ⅲ600~900±4℃負(fù)稍軟＞800±0.5%t鎳鉻-鎳硅K正不親磁4.0960~12001300Ⅱ-40~1300±2.5℃或±0.75%t負(fù)稍親磁Ⅲ-200~40±2.5℃或±1.5%t鎳鉻硅-鎳硅N正不親磁2.774-200~12001300Ⅰ-40~1100±1.5℃或±0.4%t負(fù)稍親磁Ⅱ-40~1300±2.5℃或±0.75%t鎳鉻-康銅E正暗綠6.319-200~760850Ⅱ-40~900±2.5℃或±0.75%t負(fù)亮黃Ⅲ-200~40±2.5℃或±1.5%t銅-康銅T正紅色4.279-200~350400Ⅱ-40~350±1℃或±0.75%t負(fù)銀白色Ⅲ-200~40±1℃或±1.5%t鐵-康銅J正親磁5.269-40~600750Ⅱ-40~750±2.5℃或±0.75%t負(fù)不親磁上一頁下一頁返回第16頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五1.鉑銠10-鉑熱電偶（S型）貴金屬熱電偶。電極線徑規(guī)定為0.5mm， 正極（SP）的名義化學(xué)成分為鉑銠合金 負(fù)極（SN）為純鉑，故俗稱為單鉑銠熱電偶。 長期最高使用溫度為1300℃，短期最高使用溫度為1600℃。優(yōu)點(diǎn)：準(zhǔn)確度高，穩(wěn)定性好，測溫溫區(qū)和使用壽命長，物理化學(xué)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。缺點(diǎn)：熱電率較小，靈敏度低，高溫下機(jī)械強(qiáng)度下降，對污染敏感，貴金屬材料昂貴，因此一次性投資較大。上一頁下一頁返回第17頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五2.鉑銠30-鉑銠6（B型）為貴金屬熱電偶。熱偶絲線徑規(guī)定為0.5mm， 正極（BP）和負(fù)極（BN）的名義化學(xué)成分均為鉑銠合金，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1600℃，短期最高使用溫度為1800℃。優(yōu)點(diǎn)：準(zhǔn)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(jìn)行冷端補(bǔ)償，因?yàn)樵?～50℃范圍內(nèi)熱電勢小于3μV。缺點(diǎn)：熱電率較小，靈敏度低，高溫下機(jī)械強(qiáng)度下降，抗污染能力差，貴金屬材料昂貴。上一頁下一頁返回第18頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五3.鎳鉻-鎳硅熱電偶（K型）使用量最大的廉金屬熱電偶，用量為其它熱電偶的總和 正極（KP）的名義化學(xué)成分為：Ni:Cr=90:10， 負(fù)極（KN）的名義化學(xué)化學(xué)成分為Ni:Si=97:3。 其使用溫度為-200～1300℃。優(yōu)點(diǎn)：線性度好，熱電勢較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性均好，抗氧化性強(qiáng)，價(jià)格便宜。能用于氧化性和惰性氣氛中。K型熱電偶不能在高溫下直接用于還原性或還原、氧化交替的氣氛中，也不能用于真空中。上一頁下一頁返回第19頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五4.鎳鉻-銅鎳熱電偶（E型）稱為鎳鉻-康銅熱電偶，也是一種廉價(jià)金屬熱電偶。 其正極（EP）為鎳鉻10合金，化學(xué)成分與KP相同，負(fù)極（EN）為銅鎳合金，名義化學(xué)成分為55%的銅、45%的鎳以及少量的鈷、錳、鐵等元素。該熱電偶電動(dòng)勢之大，靈敏度之高屬所有標(biāo)準(zhǔn)熱電偶之最，宜制成熱電偶堆來測量微小溫度變化。E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(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。但不能在高溫下用于硫、還原性氣氛中。上一頁下一頁返回第20頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶熱電勢和溫度的關(guān)系上一頁下一頁返回第21頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五熱電特性曲線，可以得出以下結(jié)論：（1）時(shí)，所有型號的熱電偶的熱電動(dòng)勢均為零；當(dāng)時(shí)，熱電動(dòng)勢為負(fù)值。（2）不同型號的熱電偶在相同溫度下，熱電動(dòng)勢一般有較大的差別；在所有標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶中，B型熱電偶的靈敏度最低，E型熱電偶靈敏度最高。（3）如果把溫度和熱電動(dòng)勢間關(guān)系繪成曲線，可以看到溫度與熱電勢之間的關(guān)系一般為非線性；正是由于熱電偶的這種非線性特性，當(dāng)冷端溫度時(shí)，則不能用測得的熱電動(dòng)勢直接查分度表得，然后再加，而應(yīng)該先求E(t,0)再查分度表求得t第22頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五例6.3.1用（S型）熱電偶測量某一溫度，若參比端溫度T0=30℃，測得的熱電勢E(T,Tn)=7.5mV，求測量端實(shí)際溫度T。查分度表有E（30，0）=0.173mV反查分度表有T=830℃，即測量端實(shí)際溫度。上一頁下一頁返回第23頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五表6.3.2標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的特性熱電偶種類優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)B適于測量1000℃以上的高溫常溫下熱電動(dòng)勢極小，可不用補(bǔ)償導(dǎo)線抗氧化、耐化學(xué)腐蝕在中低溫領(lǐng)域熱電動(dòng)勢小，不能用于600℃以下靈敏度低熱電動(dòng)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(xué)腐蝕可作標(biāo)準(zhǔn)靈敏度低不適用于還原性氣氛(尤其是H2、金屬蒸氣)熱電動(dòng)勢的線性不好價(jià)格高N熱電動(dòng)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(shí)效變化大K熱電動(dòng)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(shí)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(dǎo)率低具有微滯后現(xiàn)象J可用于還原性氣氛熱電動(dòng)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(dòng)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(dǎo)誤差大上一頁下一頁返回第24頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五6.3.4熱電偶結(jié)構(gòu)為保證熱電偶的正常工作，熱電偶的兩極之間以及與保護(hù)套管之間都需要良好的電絕緣，而且耐高溫、耐腐蝕和沖擊的外保護(hù)套管也是必不可少的。

1.普通型裝配式結(jié)構(gòu)

2.柔性安裝型鎧裝結(jié)構(gòu)上一頁下一頁返回第25頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五1.普通型裝配式結(jié)構(gòu)（a）1—接線柱；2—接線座；3—絕緣套管；4—熱電極（b）1—測量端；2—熱電極；3絕緣套管；4—保護(hù)管；5—接線盒上一頁下一頁返回第26頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五2.柔性安裝型鎧裝結(jié)構(gòu)測量端的熱容量小，響應(yīng)速度快，繞性好，可彎曲，可以安裝在狹窄或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的測量場合，耐壓、耐振、耐沖擊上一頁下一頁返回第27頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五圖6.3.6鎧裝熱電偶1-接線盒2-金屬套管3-固定裝置4-絕緣材料5-熱電極第28頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五

（3）多點(diǎn)式熱電偶多點(diǎn)式熱電偶是用多支不同長度的熱電偶感溫元件，用多孔的絕緣管組裝而成，適合于化工生產(chǎn)中反應(yīng)器不同高度的多點(diǎn)溫度測量，如測量合成塔不同位置的溫度。

第29頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五

（4）隔爆外殼型熱電偶隔爆外殼型熱電偶基本參數(shù)與普通熱電偶一樣，區(qū)別在于采用了防爆結(jié)構(gòu)的接線盒。當(dāng)生產(chǎn)現(xiàn)場存在易燃易爆氣體時(shí)，必須使用隔爆外殼型熱電偶。

第30頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五

（5）表面型熱電偶表面型熱電偶是利用真空鍍膜法將兩電極材料蒸鍍在絕緣基底上的薄膜熱電偶，專門用于測量各種形狀的固體表面溫度，反應(yīng)速度極快，熱慣性極小。它作為一種便攜式測溫計(jì)，在紡織、印染、橡膠、塑料等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

第31頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五6.3.5

補(bǔ)償導(dǎo)線

使用專用的廉價(jià)導(dǎo)線，將熱電偶的參比端延伸出來，以解決參比端溫度的恒定問題，這種導(dǎo)線就稱為補(bǔ)償導(dǎo)線。第32頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五

補(bǔ)償導(dǎo)線通常用比兩根熱電極材料便宜得多的兩種金屬材料做成，它在范圍內(nèi)的熱電性質(zhì)與要補(bǔ)償?shù)臒犭娕嫉臒犭娦再|(zhì)幾乎完全一樣，所以使用補(bǔ)償導(dǎo)線猶如將熱電偶熱電極延長，把熱電偶的參比端延伸到離熱源較遠(yuǎn)、溫度較恒定又較低的地方。補(bǔ)償導(dǎo)線的連接如圖6.3.7所示。

圖6.3.7補(bǔ)償導(dǎo)線的連接圖

第33頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五在使用補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)必須注意以下問題：（1）補(bǔ)償導(dǎo)線只能在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)（一般為）與熱電偶的熱電動(dòng)勢相等或相近。（2）不同型號的熱電偶有不同的補(bǔ)償導(dǎo)線。（3）熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線的兩個(gè)接點(diǎn)處要保持相同溫度。（4）補(bǔ)償導(dǎo)線有正、負(fù)極，需分別與熱電偶的正、負(fù)極相聯(lián)。（5）補(bǔ)償導(dǎo)線的作用只是延伸熱電偶的冷端，當(dāng)冷端溫度時(shí)，還需進(jìn)行其他的補(bǔ)償與修正。第34頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五6.3.6熱電偶參比端（冷端）的溫度補(bǔ)償

熱電偶的熱電勢大小不僅與熱端溫度的有關(guān)，而且也與冷端溫度有關(guān)，只有當(dāng)冷端溫度恒定，才能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(bǔ)償:

當(dāng)熱電偶冷端處在溫度波動(dòng)較大的地方時(shí)，必須首先使用補(bǔ)償導(dǎo)線將冷端延長到一個(gè)溫度穩(wěn)定的地方，再考慮將冷端處理為０℃。上一頁下一頁返回第35頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五幾種冷端處理方法：1.補(bǔ)償導(dǎo)線法2.熱電偶冷端溫度恒溫法3.計(jì)算修正法4.冷端補(bǔ)償電橋法上一頁下一頁返回第36頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五1.補(bǔ)償導(dǎo)線法組成：補(bǔ)償導(dǎo)線合金絲、絕緣層、護(hù)套和屏蔽層。熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線功能：其一實(shí)現(xiàn)了冷端遷移；其二是降低了電路成本。補(bǔ)償導(dǎo)線又分為延長型和補(bǔ)償型兩種延長形：補(bǔ)償導(dǎo)線合金絲的名義化學(xué)成分及熱電勢標(biāo)稱值與配用的熱電偶相同，用字母“Ｘ”附在熱電偶分度號后表示，補(bǔ)償型：其合金絲的名稱化學(xué)成分與配用的熱電偶不同，但其熱電勢值在100℃以下時(shí)與配用的熱電偶的熱電勢標(biāo)稱值相同，有字母“C”附在熱電偶分度號后表示，

上一頁下一頁返回第37頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五補(bǔ)償導(dǎo)線的型號、線芯材質(zhì)和絕緣層著色

補(bǔ)償導(dǎo)線型號配用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的線芯材料絕緣層著色正極負(fù)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(lán)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JPX（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第38頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五2.熱電偶冷端溫度恒溫法適用于實(shí)驗(yàn)室中的精確測量和檢定熱電偶時(shí)使用。