第三章 温度测量热电偶课件.ppt

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1、第三章 接触式温度检测及仪表第一节 概 述 一、测温仪表的分类 接触式测温仪表 膨胀式温度计 压力式温度计 热电偶温度计 热电阻温度计 非接触式测温仪表 辐射式高温计,水银玻璃温度计 双金属温度计1-玻璃温包；2-毛细管； （a)条形双金属；（b）螺旋形双金属3-刻度标尺,双金属温度计结构 （a)轴向型 (b)径向型1一表壳；2一刻度盘；3一活动螺母；4一保护套管；5一指针轴；6一感温元件，7一固定端,双金属温度计,双金属温度开关,液体压力式温度计原理图1一温包；2一毛细管；3一基座；4一弹簧管；5一连杆；6一扇形齿轮；7一小齿轮； 8一指针；9一刻度盘,二、温标 定量地表示物体温度数值大小的

2、尺度称为温度标尺，简称温标。 温标是用数值表示温度的一整套规则，它确定了温度的单位。各种测温仪表直读温度的刻度均是通过温标来确定的。 建立温标（1） 选定测温物质的性质；（2）定义固定点温度（3）确定内插仪器和公式，得到温度的单位。,历史上有过多种温标： 摄氏温标； 华氏温标； 热力学温标； 国际实用温标 目前的国际实用温标为ITS-90温标。, ITS-90适用的温度范围：下限0.65K， 上限：根据普朗克定律使用单色辐射高温计，实际可测得的最高温度。 热力学温度（符号为T）是基本物理量，它的单位是开尔文，符号为K。定义：水三相点热力学温度的1/273.16为1K。 温标允许使用与水冰点温度

3、的差值来表示温度。用这种方法表示的热力学温度称为摄氏温度，温度符号为t，则有： t = T - 273.15, 规定了十七个固定点温度，其中十四个为物质的平衡点（三相点、熔点、凝固点），另外三个为由规定的温度计在指定的某温度附近测量确定。 规定了不同温区内复现温标的基准器：1）0.655.0K之间基准器：氦蒸气压温度计。2）3.024.5561K之间基准器：氦气体温度计（定容式）。3）13.8033K961.781 之间基准器：铂电阻温度计。4）961.78以上温度基准器：光学高温计。 规定了不同温区定义T90的计算公式,第二节 热电偶测温 一、热电偶的测温原理 热电偶温度计以热电偶作为感温元

4、件，一般用于测量500以上的高温，长期使用时其测温上限可达1300，短期使用时可达1600，特殊材料制成的热电偶可测量的温度范围为20003000。 特点：热电偶具有性能稳定、测温高、结构简单、使用方便、经济耐用、容易维护和体积小等优点，还便于信号远传和实现多点切换测量。 应用：电厂生产过程中的主蒸汽温度、过热器管壁温度、高温烟气等都是采用热电偶来测量的。,热电偶测温示意图1-热电偶；2-连接导线；3-显示仪表,热电偶测温主要利用热电现象1、热电现象(塞贝克效应）热电偶由两种不同材料的导体（或半导体）A和B组成。A、B是热偶丝，也叫热电极。放在被测对象中，感受温度变化的那端称为工作端或热端，另

5、一端称为自由端或冷端。当热端和冷端温度不同时回路中有电流流过，此电流称为热电流，产生热电流的电动势称为热电势，这种物理现象称为热电现象。,热电偶,（1）接触电势 接触电势的大小可用下式表示：式中 e单位电荷，等于4.80210-10绝对静电单位； K 波尔兹曼常数，等于1.3810-28 J / K； NA(t), NB（t）金属A、B在温度t时的自由电子密度； TA、B金属接触处的绝对温度，K。,理论和实践都证实，热电现象中产生的热电势是由接触电势和温差电势两种电势的综合效果。,接触电势产生,（2）温差电势 温差电势是同一金属体两端温度不同而产生的。 温差电势的产生式中 NA（t）金属A的电

6、子密度，它是温度函数。 为了分析方便，温差电势可由下面函数差来表示：,(3) 热电偶回路热电势 如果tt0，NA（t）NB（t），则在回路内便产生两个接触电势eAB(t)和eAB(t0)，两个温差电势eA（t，t0）和eB（t，t0），各电势的方向如图所示。回路的总电势EAB(t,t0)等于回路中各电势的代数和。即,结论：（1）热电偶的热电势是热电偶两端温度的函数之差，其大小取决于热电偶两个热电极材料的性质和两端接点温度，而与热电极几何尺寸无关。 （2）如果保持热电偶冷端温度to恒定不变，对一定材料的热电偶，其fAB（t0）亦为常数，设为C，则热电偶的热电势只与热电偶热端温度t有关，若测得EA

7、B(t,t0) 值，便可知温度t值，这就是热电偶测温原理。即 EAB ( t, t0 )=fAB ( t ) C,需要说明的几个问题： 1. 分度表的建立 热电偶分度表是在冷端温度t0 =0时热电势与热端温度的关系，可用表格形式给出，不同材料制成的热电偶有不同的分度表。 注意：热电偶的热电势与热端温度的关系一般为非线性关系。,2.热电极与热电势的极性热电偶的两个热电极有正负之分。热电势也有正负极性之分。3.多种导体组成的闭合回路的热电势的计算方法三种导体组成的闭合回路的热电势可以推出：,思考：四种导体组成的闭合回路的热电势的表达式？,二、热电偶的基本定律这些定律已在理论分析和实践中得到证明，对

8、保证热电偶正确测量温度至关重要。 1、均质导体定律 该定律内容是：由一种均质导体或半导体组成的闭合回路不论导体或半导体的截面积、长度和各处温度分布如何，都不能产生热电势。 结论： （1）热电偶必须由两种不同性质的材料构成。 （2）由一种材料组成的闭合回路存在温差时，回路如产生热电势，便说明该材料是不均匀的。据此，可检查热电极材料的均匀性。,2、中间导体定律 该定律内容是：由不同材料组成的闭合回路中，若各种材料接触点的温度都相同，则回路中热电势的总和等于零。 结论： （1）在热电偶回路中接入第三种均质材料，只要保证所接入材料两端温度相同，就不会影响热电偶的热电势。下图为两种接入中间导体的热电偶回

9、路。 显示仪表接入热电偶回路时，只要保证连接导线和显示仪表接入热电偶回路时两连接端的温度相同，就不会改变回路热电势。, 热电偶的热端焊接点也相当于第三种金属，只要它与热电极接触良好，整个接点温度一致，也不会影响热电偶回路的热电势。,（2）如果两种导体A和B对另一种参考导体C热电势已知，则这两种导体组成的热电偶的热电势是它们对参考导体热电势的代数和，即 EAB（t，to）=EAC（t，to）ECB（t, to） 参考导体亦称标准电极，一般选用铂制成。利用此推论大大简化了热电偶的选配工作。,3、中间温度定律 热电偶A、B在接点温度为t1、t3时的热电势等于热电偶A、B在接点温度分别为t1，t2和t

10、2，t3时热电势的代数和，即 EAB（t1，t3）EAB（t1，t2）EAB（t2，t3）,结论： （1）已知热电偶在某一给定冷端温度下进行的分度，只要引入适当的修正，就可在另外的冷端温度下使用。 该定律为制定和使用热电偶的热电势一温度关系即分度表奠定了理论基础。 因为热电偶分度表是在冷端温度t0 =0时热电势与热端温度的关系，根据中间温度定律便可以算出任何冷端温度时的热电势值。 EAB（t，0）EAB（t，tn）EAB（tn，0）,（2）和热电偶具有同样热电性质的补偿导线可以引入热电偶回路中，相当于把热电偶延长而不影响热电偶应有的热电势。该定律为应用补偿导线提供了理论依据。 思考：为什么热电

11、偶不直接用铜线直接引出电势信号？我国规定补偿导线分为补偿型和延伸型两种。补偿型补偿导线的材料与对应的热电偶不同，是用贱金属制成的，但在低温下它们的热电性质是相同的。延伸型补偿导线的材料与对应的热电偶相同，但其热电性能的准确度要求略低。,补偿导线的型号和性能简表,三、标准化热电偶与非标准化热电偶 所谓标准化热电偶是指制造工艺较成熟、应用广泛、能成批生产、性能优良而稳定并已列入专业或国家工业标准化文件中的那些热电偶 。 由于标准化文件对同一型号的标准化热电偶规定了统一的热电极材料及其化学成分、热电性质和允许偏差，也就是说标准化热电偶具有统一的分度表。对于同一型号的标准化热电偶具有互换性、使用十分方

12、便。 非标准化热电偶是为适应更高或更低的温度以及特殊的介质气氛而出现的,它们没有统一的国家标准和统一的分度号。它们是标准化热电偶的补充。,常用的标准化热电偶铂铑10-铂热电偶（分度号S） 铂铑13-铂热电偶（分度号R） 铂铑30-铂铑6热电偶（分度号B）镍铬一镍硅（镍铬一镍铝）热电偶（分度号K） 镍铬硅一镍硅镁热电偶（分度号N） 镍铬一康铜热电偶（分度号E） 铁一康铜热电偶（分度号J）铜一康铜热电偶（分度号T）注意掌握各种标准化热电偶的分度号、测温上限和特点。,非标准化热电偶 用于特殊的场合, 如高温 、 低温、超低温、高真空和有核辐射等被测对象中。非标准化热电偶一般没有统一的分度表。1. 钨

13、铼系热电偶2. 铱铑系热电偶3. 铂钼5-铂钼0.1热电偶4. 非金属热电偶,四、热电偶的构造 1、普通型热电偶 常用的普通型热电偶是由热电极（一端焊接的两根金属丝）绝缘套管、保护套管以及接线盒组成。在个别情况下，如果被测介质对热电偶不会发生侵蚀作用，也可不用保护套管，以减小接触测温误差与滞后。 热电偶的结构1-接线柱；2-接线座；3-绝缘套管；4-热电极 1-热电偶热端；2-热电极；3-绝缘管； 4-保护套管；5-接线盒,普通工业热电偶结构示意 (a)热电偶结构（外观），(b)热电偶参比端接线盒；(c)热电偶测温元件1一保护套管； 2一金属加固管； 3一非金属保护套管； 4一活动法兰；5一金

14、属保护套管； 6一固定螺栓； 7-接线座； 8一接线柱； 9一接线盒； 10一盒盖； 11一瓷绝缘管； 12一热电偶电极,普通型热电偶的结构,普通型热电偶的结构,2、铠装热电偶 铠装热电偶是由金属套管、绝缘材料和热电极经拉伸加工而成的坚实组合体，其结构如图所示。套管材料有铜、不锈钢及镍基高温合金等。热电偶与套管之间填满了绝缘材料的粉末，目前采用的绝缘材料绝大部分为氧化镁。套管中的热电极有单丝的、双丝的和四丝的，彼此之间互相绝缘。,3、薄膜热电偶 薄膜热电偶是由两种金属薄膜连接而成的一种特殊结构的热电偶。这种薄膜热电偶的热端既小又薄，热容量很小，可以用于微小面积上的温度测量；动态响应快，可测量瞬

15、变的表面温度。我国研制成的铁一镍薄膜热电偶如图所示，,五、热电偶冷端温度处理方法 1. 对热电偶冷端温度进行处理的原因 热电偶的测温原理表明：热电偶的热电势是两个接点温度的函数差，只有当冷端温度不变时，热电势才是热端温度的单值函数。但在实际应用中，热电偶冷端所处环境温度总有波动，从而使测量得不到正确结果，因此必须对热电偶冷端温度变化的影响采取补偿措施，使热电偶的热电势只反映热端温度（被测温度）的变化，而不受冷端温度变化的影响。,2、常用的热电偶冷端温度处理办法（1）计算修正法 若温度显示仪表分度时规定热电偶冷端温度为0，而在使用中冷端温度为t00时，根据热电偶的中间温度定律，得知在这种情况下产

16、生的热电势为 EAB（t，0）EAB（t，t0）EAB（t0，0） 式中 EAB（t，0）冷端为0、热端为t 时的热电势； EAB（t，t0）冷端为t0，热端为t时的热电势，即实测值； EAB（t0，0）冷端为t0应加的校正值。举例：用镍铬-镍硅（K）热电偶进行温度测量，热电偶冷端温度t0 =35时产生的热电势为17.537 mV, 试求热电偶所测的热端温度。 思考：采用直接用测得电势查分度表得到温度值，再加上35 ,计算得到炉温的方法对不对？为什么？,现场中利用计算机软件可以方便的实现计算修正。 具体方法是： 热电偶的输出通过毫伏电压变换器及模数转换器进入微处理器中。 使用一热电阻测量及模数

17、转换器也进入微处理器中。 由采样数字量D1和D2 分别获得热电偶产生的热电势EAB（t，t0）及冷端温度t0 ， 然后计算可得EAB（t，0）= EAB（t，t0）EAB（t0，0），再查取存放在计算机存储器中的分度表，便得到数字量t，这就是热电偶的热端温度值。,计算机软件实现热电偶冷端补偿（a）结构框图 (b)冷端补偿子程序AB-热电偶；RCu-铜电阻；mV-U1- mV/电压变换器；-U2-/电压变换器；A/D-模数转换器；CPU-中央处理单元；AC-采样脉冲；OUT-输出,2、仪表机械零点调整法 仪表的机械零点为仪表输入电势为零时，指针停留的刻度点，也就是仪表的刻度起始点。若预知热电偶冷

18、端温度为t0，在测温回路开路情况下，将仪表的刻度起始点调定在t0位置，此时相当于人为给仪表输入热电势EAB（t0，0），在接通测温回路后，输入仪表的热电势为 EAB（t，t0）EAB（t0，0）= EAB（t，0）使仪表指针指示热端温度t值。注意：这种补偿方法用于热电偶冷端温度比较恒定而仪表的机械零点调整又很方便的场合。 可以和其它补偿方法配合使用。,3、恒温法恒温法分为冰点槽法和恒温箱法。 冰点槽法：在精密测量中，一般要求热电偶冷端温度保持为0，通常采用冰点槽。冰点槽的容器中充满蒸馏水与碎冰块的混合物，其温度保持为0。 冰点槽法是准确度很高的冷端处理方法，然而使用比较麻烦，需要保持冰、水两相

19、共存，一般限于实验室精确测温或热电偶检定时使用。,恒温箱法：在现场，常使用电加热式恒温箱。这种恒温箱通过接点控制或其他控制方式维持箱内温度恒定（常为50）。可将若干支热电偶的冷端放在恒温箱内。恒温箱法的恒定温度要高于环境温度。 4、补偿电桥法（冷端补偿器） 补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶冷端温度变化所引起的热电势的变化。,补偿原理的分析：（1）补偿电桥的输出与铜电阻的关系；（2）热电偶的输出随冷端温度的变化情况；（3）补偿电桥与热电偶串接时总的输出情况。,5、多点测量的热电偶冷端温度补偿（1）利用一块显示仪表和一个冷端温度补偿器的多点测量线路；（2）用一只辅助热电偶对多只同型

20、号热电偶冷端进行补偿的线路； 辅助热电偶冷端恒温 辅助热电偶热端恒温,六、测量信号的线性化处理 原因：热电偶的热电势与被测温度之间是非线性关系。不进行线性化处理，可能使仪表显示部分的标尺分度不均匀，不便于读数及信号的进一步处理。 有模拟线性化和数字线性化模拟线性化方法：在仪表的各环节中加一个线性化环节。 根据线性化环节在仪表中的位置不同，线性化环节可分为串联线性化环节和反馈线性化环节。,串联线性化环节 设：,结论:串联线性化环节的特性应与原非线性环节的输出特 性的反函数成正比 。串联线性化环节的特性也可用图解法求得,(2) 反馈线性化环节设结论:反馈线性化环节的特性应与原非线性环节的输出特 性

21、相同 。,工程上常用的方法：用多段直线形成的折线拟合曲线。,七、与热电偶配接的显示仪表 1.动圈表XCZ-101 (1)工作原理 (2)环境温度的影响及表内电路,（3）测温系统的构成,2. 电位差计 工作原理：电压平衡 分类：手动电位差计 电子电位差计,电子电位差计,思考：为什么电位差计的精确度比动圈表的精确度要高？,八、热电偶多路温度检测通道,补偿热电偶法硬件补偿热电偶多路温度测量,补偿热电偶法软件补偿热电偶多路温度测量,共用电桥补偿多路热电偶测温,独立电桥补偿多路热电偶测温,基于集成测温芯片的多路测量通道,（a）独立集成A/D转换 （b）共用集成A/D转换,九、热电偶温度传感器的应用,串联

22、回路,并联回路,反接回路,热电偶测温的误差分析,（1）热电偶的分度误差（2）热电偶冷端温度补偿误差 （3）显示仪表误差 （4）总误差,热电偶选型 选择热电偶要根据使用温度范围、所需精度、使用气氛、测定对象的性能、响应时间和经济效益等综合考虑。 1、测量精度和温度测量范围的选择 使用温度在13001800，要求精度又比较高时，一般选用B型热电偶；要求精度不高，气氛又允许可用钨铼热电偶，高于1800一般选用钨铼热电偶；使用温度在1000 1300要求精度又比较高可用S型热电偶和N型热电偶；在1000以下一般用K型热电偶和N型热电偶，低于400一般用E型热电偶；250下以及负温测量一般用T型电偶，在

23、低温时T型热电偶稳定而且精度高。,2、使用气氛的选择 S型、B型、K型热电偶适合于强的氧化和弱的还原气氛中使用，J型和T型热电偶适合于弱氧化和还原气氛，若使用气密性比较好的保护管，对气氛的要求就不太严格。 3、耐久性及热响应性的选择 线径大的热电偶耐久性好，但响应较慢一些，对于热容量大的热电偶，响应就慢，测量梯度大的温度时，在温度控制的情况下，控温就差。要求响应时间快又要求有一定的耐久性，选择铠装偶比较合适。,4、测量对象的性质和状态对热电偶的选择 运动物体、振动物体、高压容器的测温要求机械强度高，有化学污染的气氛要求有保护管，有电气干扰的情况下要求绝缘比较高。 5、注意事项 热电偶公称压力：

24、一般是指在工作温度下保护管所能承受的静态外压而不破裂。 热电偶最小插入深度：应不小于其保护套管外径的810倍（特列产品例外） 绝缘电阻：当周围空气温度为1535，相对湿度80%时绝缘电阻5兆欧（电压100V）。具有防溅式接线盒的热电偶，当相对温度为93 3 时，绝缘电阻0.5兆欧（电压100V） 高温下的绝缘电阻：热电偶在高温下，其热电极（包括双支式）与保护管以及双支热电极之间的绝缘电阻（按每米计）应大于下表规定的值。,选型流程：型号-分度号防爆等级精度等级安装固定形式保护管材质长度或插入深度 一般热电偶型号为：WR-下面是每个字母代表的意思：W-温度仪表 R-热电偶 -热电偶材料（R-铂铑3

25、0-铂铑6、P-铂铑10-铂、N-镍铬-镍硅、E-镍铬-铜镍（镍铬-康铜）、C-铜-铜镍、F-铁-铜镍、M-镍铬硅-镍硅 -支数（空位为单支，2为双支式） -安装固定形式（1、无固定装置式。2、固定螺纹式。3、活动法兰式。4、固定法兰式。、5、活动法兰角尺式。6、固定螺纹锥形保护管式,-接线装置（0、铠装保护帽带引线。1、接线板。2、防溅接线盒。3、防水接线盒。4、防爆接线盒。5、防喷接线盒。6、圆接插件。7、扁接插件 8、显示防爆接线盒。9、铠装手柄带线及插头。R、保护帽带金属软管。Z、简易接线柱。F、防腐接线盒-直径序号（0、16mm保护管。1、25mm保护管（双层套管）或为12mm不锈钢

26、管。2、16mm高铝质管（单层套管）。3、20mm高铝质保护管。4、16mm刚玉管。5、25mm刚玉管（双层套管）,十、热电偶的校验1.对热电偶的校验的原因2.校验方法有两种。 一种是定点法，就是在国际温标规定的定点温度（如锌、银、金、锑等金属的相平衡点温度）下进行校验。这种方法的特点是精确度高，但设备复杂、校验点数少，而且校验操作复杂。该方法只用于对高精确度的铂铑一铂热电偶的校验。 另一种是比较法，它是广泛采用的方法，可用于实验室用和工业用热电偶的校验。,比较法校验 用标准热电偶与被校热电偶测同一稳定对象的温度来进行的。一般用管式电炉作为被测对象，通过手动操作或温度控制器控制调整电炉的温度，

27、并稳定在预定的温度值上。标准热电偶一般采用比被校热电偶精确度更高的铂铑10-铂热电偶。,热电偶,本章总结:1.了解测温仪表的分类;2.掌握热电偶的测温原理,能灵活运用热电偶的三条基本定律;3.记住几种典型的标准化热电偶的分度号、测温范围和特点；4.了解测量信号线性化的原因及方法；5.掌握热电偶的冷端补偿方法的原理；6.了解显示仪表的组成、使用方法。,1. 用分度号为K的镍铬-镍硅热电偶测量温度，在没有采取冷端温度补偿的情况下，显示仪表指示值为500，而这时冷端温度为60 。试问实际温度应为多少？如果热端温度不变，设法使冷端温度保持在20 ，此时显示仪表的指示值应为多少？,2. 现用一支镍铬-镍硅热电偶测某换热器内温度，其冷端温度为30 ，而显示仪表机械零位为 0 ，这时指示值为400 ，若认为换热器内的温度为430 ，对不对？为什么？正确值为多少？ 3.镍铬-镍硅热电偶与电子电位差计配套测温，热电偶自由端温度。如果不采用补偿导线而采用普通铜线进行热电偶与显示仪表之间的连接，设仪表接线端子处的温度为28 ，求电子电位差计指示在385 时，由于不用补偿导线所带来的误差是多少？,4. 检定配热电偶的温度显示仪表时，常用标准电势输入代替实际热电偶的热电势。现要检定K型温度显示仪表在700 时的准确度，问输入多大的标准电势（检定时环境温度为25 ）？,