傳感器與檢測技術(shù)（第5版）課件 6.3 熱電偶傳感器

6.3熱電偶傳感器6.3.1熱電偶測溫原理6.3.2熱電偶的基本定律6.3.3熱電偶的冷端處理和補(bǔ)償6.3.4標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶6.3.5非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶6.3.6熱電偶結(jié)構(gòu)型式6.3.7熱電偶安裝注意事項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)兩個接觸端T﹥T0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NA——金屬電極B的自由電子密度接觸電勢帕爾帖電勢2.溫差電勢δ——湯姆遜系數(shù)，它表示溫度為1℃時所產(chǎn)生的電動勢值，它與材料的性質(zhì)有關(guān)。溫差電勢（湯姆遜電勢）3.熱電偶回路的總熱電勢熱電極A和B為同一種材料時，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。

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，f(T0)=c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)。6.3熱電偶傳感器6.3.1熱電偶測溫原理6.3.2熱電偶的基本定律6.3.3熱電偶的冷端處理和補(bǔ)償6.3.4標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶6.3.5非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶6.3.6熱電偶結(jié)構(gòu)型式6.3.7熱電偶安裝注意事項6.3.2熱電偶的基本定律1.勻質(zhì)導(dǎo)體定律2.中間導(dǎo)體定律3.連接導(dǎo)體定律1.勻質(zhì)導(dǎo)體定律由一種勻質(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用材料的導(dǎo)體組成，熱電偶的熱電勢僅與兩接點的溫度有關(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。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，熱電偶回路總電動勢不受中間導(dǎo)體接入的影響。3.連接導(dǎo)體定律為在工業(yè)測量溫度中使用補(bǔ)償導(dǎo)線提供了理論基礎(chǔ)。當(dāng)A與A’，B與B’材料分別相同時中間溫度定律例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，求測量端實際溫度T。查分度表有E（30，0）=0.173mV反查分度表有T=830℃，測量端實際溫度為830℃6.3熱電偶傳感器6.3.1熱電偶測溫原理6.3.2熱電偶的基本定律6.3.3熱電偶的冷端處理和補(bǔ)償6.3.4標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶6.3.5非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶6.3.6熱電偶結(jié)構(gòu)型式6.3.7熱電偶安裝注意事項6.3.3熱電偶的冷端處理和補(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，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較大的地方時，必須首先使用補(bǔ)償導(dǎo)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０℃。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.計算修正法4.冷端補(bǔ)償電橋法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，

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）紅白使用補(bǔ)償導(dǎo)線時注意問題：補(bǔ)償導(dǎo)線只能用在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)（0~100℃）；熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)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(bǔ)償導(dǎo)線；補(bǔ)償導(dǎo)線由正、負(fù)極需分別與熱電偶正、負(fù)極相連；補(bǔ)償導(dǎo)線的作用是對熱電偶冷端延長。2.計算修正法在實際應(yīng)用中，熱電偶的參比端往往不是0oC，而是環(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)生的熱電勢后才能符合熱電偶分度表的要求。

可用室溫計測出環(huán)境溫度T1，從分度表中查出的E(T1,0)值，然后加上熱電偶回路熱電勢E(T,T1)，得到E(T,0)值，反查分度表即可得到準(zhǔn)確的被測溫度值。3.熱電偶冷端溫度恒溫法（冰浴法）適用于實驗室中的精確測量和檢定熱電偶時使用。4.冷端補(bǔ)償電橋法利用直流不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補(bǔ)償熱電偶冷端溫度變化而引起的熱電勢的變化值

6.3熱電偶傳感器6.3.1熱電偶測溫原理6.3.2熱電偶的基本定律6.3.3熱電偶的冷端處理和補(bǔ)償6.3.4標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶6.3.5非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶6.3.6熱電偶結(jié)構(gòu)型式6.3.7熱電偶安裝注意事項6.3.4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（IEC）共推薦了8種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶表6.3.2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別E（100,0）（mV）測溫范圍（℃）對分度表允許偏差（℃）新極性識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：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：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。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：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，因為在0～50℃范圍內(nèi)熱電勢小于3μV。缺點：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。3.鎳鉻-鎳硅熱電偶（K型）使用量最大的廉金屬熱電偶，用量為其他熱電偶的總和 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：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硫、還原性或還原、氧化交替的氣氛中，也不能用于真空中。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，價格便宜等優(yōu)點。但不能在高溫下用于硫、還原性氣氛中。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶熱電勢和溫度的關(guān)系表6.3.3標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的特性熱電偶種類優(yōu)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(bǔ)償導(dǎo)線抗氧化、耐化學(xué)腐蝕在中低溫領(lǐng)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(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(dǎo)誤差大6.3熱電偶傳感器6.3.1熱電偶測溫原理6.3.2熱電偶的基本定律6.3.3熱電偶的冷端處理和補(bǔ)償6.3.4標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶6.3.5非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶6.3.6熱電偶結(jié)構(gòu)型式6.3.7熱電偶安裝注意事項6.3.5非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶名稱熱電極材料使用溫度范圍(℃)過熱使用溫度范圍(℃)特征正極負(fù)極鎢萊系Wre5、Wre3Wre26、Wre250～23003000適用于還原性、H2及惰性氣體。質(zhì)脆鉑銠系PtRh20、PtRh40PtRh5、PtRh20300～15001100～160018001800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、IrRh601100～20002100適用于真空、惰性氣體及微氧化性氣氛。質(zhì)脆鎳鉬系NiNiMo180～1280/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0～11001300耐磨性能強(qiáng)，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的合金0～300K/20K以下熱電動勢比較大，熱電動勢的線性好銀金、金鐵含Au為0.37mo1%的合金含0.03mo1%Fe的Au-Fe合金1～40K/熱電動勢小，受磁場影響6.3熱電偶傳感器6.3.1熱電偶測溫原理6.3.2熱電偶的基本定律6.3.3熱電偶的冷端處理和補(bǔ)償6.3.4標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶6.3.5非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶6.3.6熱電偶結(jié)構(gòu)型式6.3.7熱電偶安裝注意事項6.3.6熱電偶結(jié)構(gòu)型式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)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