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1、2023/10/2,1,第5章热电偶传感器及应用,2023/10/2,2,引言,热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器。它构造简单，使用方便，具有较高的准确度、稳定性及复现性，温度测量范围宽，在温度测量中占有重要的地位。,2023/10/2,3,主要内容,5.1热电偶工作原理5.2热电偶的结构形式及材料5.3热电偶实用测温线路和温度补偿5.4热电偶传感器的应用实例,2023/10/2,4,5.1热电偶工作原理,5.1.1 工作原理 5.1.2 热电偶的基本定律,2023/10/2,5,5.1.1 工作原理,1热电效应 将两种不同成分的导体组成一个闭合回路，当闭合回路的两个结点分别置于不同的温度场
2、中时，回路中将产生一个电势，这种现象称为“热电效应”。1821年由Seeback发现的，故又称为赛贝克效应。,2023/10/2,6,热电偶回路原理,2023/10/2,7,热电势由两部分组成,两种导体组成的回路称为“热电偶”，这两种导体称为“热电极”，产生的电势则称为“热电势”，热电偶的两个结点，一个称为测量端（工作端或热端），另一个称为参考端（自由端或冷端）。一部分是两种导体的接触电势，另一部分是单一导体的温差电势。,2023/10/2,8,2接触电势,当A和B两种不同材料的导体接触时，由于两者内部单位体积的自由电子数目不同（即电子密度不同），因此，电子在两个方向上扩散的速率就不一样。假设
3、导体A的自由电子密度大于导体B的自由电子密度，则导体A扩散到导体B的电子数要比导体B扩散到导体A的电子数大。所以导体A失去电子带正电荷，导体B得到电子带负电荷。于是，在A、B两导体的接触界面上便形成一个由A到B的电场。,2023/10/2,9,热电动势示意图,2023/10/2,10,形成机理,该电场的方向与扩散进行的方向相反，它将引起反方向的电子转移，阻碍扩散作用的继续进行。当扩散作用与阻碍扩散作用相等时，即自导体A扩散到导体B的自由电子数与在电场作用下自导体B到导体A的自由电子数相等时，便处于一种动态平衡状态。在这种状态下，A与B两导体的接触处产生了电位差，称为接触电势。接触电势的大小与导
4、体材料、结点的温度有关，与导体的直径、长度及几何形状无关。,2023/10/2,11,接触电势大小,（5-1）,2023/10/2,12,3温差电动势,将某一导体两端分别置于不同的温度场T、T0中，在导体内部，热端自由电子具有较大的动能，向冷端移动，从而使热端失去电子带正电荷，冷端得到电子带负电荷。这样，导体两端便产生了一个由热端指向冷端的静电场，该静电场阻止电子从热端向冷端移动，最后达到动态平衡。这样，导体两端便产生了电势，我们称为温差电动势。,2023/10/2,13,4热电偶的电势,设导体A、B组成热电偶的两结点温度分别为T和T0，热电偶回路所产生的总电动势，,在热电偶回路中接触电动势远
5、远大于温差电动势，所以温差电动势可以忽略不计,2023/10/2,14,结论,（1）如果热电偶两材料相同，则无论结点处的温度如何，总电势为0。（2）如果两结点处的温度相同，尽管A、B材料不同，总热电势为0。（3）热电偶热电势的大小，只与组成热电偶的材料和两结点的温度有关，而与热电偶的形状尺寸无关，当热电偶两电极材料固定后，热电势便是两结点电势差。（4）如果使冷端温度0保持不变，则热电动势便成为热端温度的单一函数。,2023/10/2,15,5.1.2 热电偶的基本定律,1均质导体定律2中间导体定律3标准电极定律4中间温度定律,2023/10/2,16,1均质导体定律,由一种均质导体组成的闭合回
6、路中，不论导体的截面和长度如何以及各处的温度分布如何，都不能产生热电势。,2023/10/2,17,2中间导体定律,在热电偶中接入第3种均质导体，只要第3种导体的两结点温度相同，则热电偶的热电势不变。,第3种导体接入热电偶回路,2023/10/2,18,推论,热电偶的这种性质在实用上有很重要的意义，它使我们可以方便地在回路中直接接入各种类型的显示仪表或调节器，也可以将热电偶的两端不焊接而直接插入液态金属中或直接焊在金属表面测量。推论：在热电偶中接入第4、5种导体，只要保证插入导体的两结点温度相同，且是均质导体，则热电偶的热电势仍不变。,2023/10/2,19,3标准电极定律,已知热电极A、B
7、分别与标准电极C组成热电偶在结点温度为（T，T0）时的热电动势分别为和，则在相同温度下，由A、B两种热电极配对后的热电动势为,三种导体分别组成的热电偶,2023/10/2,20,例1,已知铂铑30-铂热电偶的EAC（1084.5,0）=13.937（mV），铂铑6-铂热电偶的EBC（1084.5,0）=8.354（mV）。求铂铑30-铂铑6在相同温度条件下的热电动势。,2023/10/2,21,解：,由标准电极定律可知，EAB（1084.5,0）=EAC（1084.5,0）EBC（1084.5,0）=13.9378.354=5.583（mV）,2023/10/2,22,4中间温度定律,热电偶在
8、两结点温度分别为T、T0时的热电势等于该热电偶在结点温度为T、Tn和Tn、T0相应热电势的代数和，定律是参考端温度计算修正法的理论依据,热电偶中间温度定律示意图,2023/10/2,23,例2,镍铬-镍硅热电偶，工作时其自由端温度为30，测得热电势为39.17mV，求被测介质的实际温度。,2023/10/2,24,解：,由t0=0，查镍铬-镍硅热电偶分度表，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，即被测介质的实际温度。,2023/10/2,2
9、5,5.2热电偶的结构形式及材料,热电偶的基本结构形式 热电偶材料 常用热电偶,2023/10/2,26,热电偶的基本结构形式,热电偶的结构形式有普通型热电偶、铠装型热电偶和薄膜热电偶等。热电偶的种类虽然很多，但通常由金属热电极、绝缘子、保护套管及接线装置等部分组成。,2023/10/2,27,1普通型热电偶,普通型结构热电偶工业上使用最多，它一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成。普通型热电偶按其安装时的连接形式可分为固定螺纹连接、固定法兰连接、活动法兰连接、无固定装置等多种形式。,普通型热电偶结构图,2023/10/2,28,普通装配型热电偶的外形,安装螺纹,安装法兰,2023/10/
10、2,29,普通装配型热电偶的结构放大图,接线盒,引出线套管,固定螺纹（出厂时用塑料包裹）,热电偶工作端（热端）,不锈钢保护管,2023/10/2,30,2铠装型热电偶,铠装型热电偶又称套管热电偶。它是由热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体.它可以做得很细很长，使用中随需要能任意弯曲。铠装型热电偶的主要优点是测温端热容量小，动态响应快，机械强度高，挠性好，可安装在结构复杂的装置上，因此被广泛用在许多工业部门中。,2023/10/2,31,铠装型热电偶结构,1接线盒 2金属套管 3固定装置 4绝缘材料 5热电极,2023/10/2,32,铠装型热电偶外形,法兰,铠装型热电偶可
11、 长达上百米,薄壁金属 保护套管（铠体）,铠装型热电偶横截面,2023/10/2,33,3薄膜热电偶,用真空蒸镀（或真空溅射）、化学涂层等工艺，将热电极材料沉积在绝缘基板上形成的一层金属薄膜。热电偶测量端既小又薄（厚度可达0.010.1m），因而热惯性小，反应快，可用于测量瞬变的表面温度和微小面积上的温度。其结构有片状、针状和把热电极材料直接蒸镀在被测表面上等3种。所用的电极类型有铁-康铜、铁镍、铜-康铜、镍铬-镍硅等。测温范围为200300。,2023/10/2,34,铁-镍薄膜热电偶结构,1测量接点 2铁膜 3铁丝 4镍丝5接头夹具 6镍膜 7衬架,2023/10/2,35,4表面热电偶,
12、表面热电偶是用来测量各种状态的固体表面温度的，如测量轧辊、金属块、炉壁、橡胶筒和涡轮叶片等表面温度。此外还有测量气流温度的热电偶、浸入式热电偶等。,2023/10/2,36,热电偶材料,1对热电极材料的一般要求 2电极材料的分类 3绝缘材料 4保护管材料,2023/10/2,37,1对热电极材料的一般要求,（1）配对的热电偶应有较大的热电势，并且热电势对温度尽可能有良好的线性关系。（2）能在较宽的温度范围内应用，并且在长时间工作后，不会发生明显的化学及物理性能的变化。（3）电阻温度系数小，电导率高。（4）易于复制，工艺性与互换性好，便于制定统一的分度表，材料要有一定的韧性，焊接性能好，以利于制
13、作。,2023/10/2,38,2电极材料的分类,（1）一般金属，如镍铬-镍硅，铜-镍铜，镍铬-镍铝，镍铬-考铜等。（2）贵金属，这类热电偶材料主要是由铂、铱、铑、钌、锇及其合金组成，如铂铹-铂、铱铑-铱等。（3）难熔金属，这类热电偶材料系由钨、钼、铌、铼、锆等难熔金属及其合金组成，如钨铼-钨铼、铂铑-铂铑等热电偶。,2023/10/2,39,3绝缘材料,热电偶测温时，除测量端以外，热电极之间和连接导线之间均要求有良好的电绝缘，否则会有热电势损耗而产生测量误差，甚至无法测量（1）有机绝缘材料。（2）无机绝缘材料。,2023/10/2,40,4保护管材料要求,（1）气密性好，可有效地防止有害介质
14、深入而腐蚀结点和热电极。（2）应有足够的强度及刚度，耐振、耐热冲击。（3）物理化学性能稳定，在长时间工作中不至于介质、绝缘材料和热电极互相作用，也不产生对热电极有害的气体。（4）导热性能好，使结点与被测介质有良好的热接触。,2023/10/2,41,常用热电偶,热电偶可分为标准化热电偶和非标准化热电偶2种类型。标准化热电偶是指国家已经定型批量生产的热电偶；非标准化热电偶是指特殊用途试生产的热电偶，非标准型热电偶包括铂铑系、铱铑系及钨铼系热电偶等。目前工业上常用的有4种标准化热电偶，即铂铑30-铂铑6，铂铑10-铂，镍铬-镍硅和镍铬-铜镍（我国通常称为镍铬-康铜）热电偶。,2023/10/2,4
15、2,1标准型热电偶,从1988年1月1日起，我国热电偶和热电阻的生产全部按国际电工委员会（IEC）的标准，并指定S、B、E、K、R、J、T 7种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。,2023/10/2,43,2非标准型热电偶,（1）铱和铱合金热电偶如铱50铑-铱10钌、铱铑40-铱、铱铑60-铱热电偶。它能在氧化环境中测量高达2100的高温，且热电动势与温度关系线性好。（2）钨铼热电偶60年代发展起来的，是目前一种较好的高温热电偶，可使用在真空惰性气体介质或氢气介质中，但高温抗氧能力差。国产钨铼3-钨铼25、钨铼-钨铼20热电偶使用温度范围在3002000，分度精度为1%。主要用于钢水连续测温
16、、反应堆测温等场合。（3）金铁-镍铬热电偶主要用在低温测量，可在2273K范围内使用，灵敏度约为10V/。（4）钯-铂铱15热电偶,2023/10/2,44,5.3热电偶实用测温线路和温度补偿,1测量某点温度的基本电路 2测量温度之和热电偶串联测量线路 3测量平均温度热电偶并联测量线路 4测量两点之间的温度差,5.3.1 热电偶实用测温线路,2023/10/2,45,1测量某点温度的基本电路,基本测量电路包括热电偶、补偿导线、冷端补偿器、连接用铜线、动圈式显示仪表。,热电偶基本测量电路,2023/10/2,46,2测量温度之和热电偶串联测量线路,将N支相同型号的热电偶正负极依次相联接 若N支热
17、电偶的各热电势分别为E1、E2、E3、EN，则总电势为=E1+E2+E3+EN=NE 串联线路的总热电势为E的N倍，所对应的温度可由t关系求得，也可根据平均热电势E在相应的分度表上查对。,2023/10/2,47,热电偶串联测量线路,串联线路的主要优点是热电势大，精度比单支高；主要缺点是只要有一支热电偶断开，整个线路就不能工作，个别短路会引起示值显著偏低。,2023/10/2,48,3测量平均温度热电偶并联测量线路,将N支相同型号热电偶的正负极分别连在一起，如图5-11所示。如果N支热电偶的电阻值相等，则并联电路总热电势等于N支热电偶的平均值，即=（E1+E2+E3+EN）/N,2023/10
18、/2,49,热电偶并联测量线路,2023/10/2,50,4测量两点之间的温度差,实际工作中常需要测量两处的温差，可选用两种方法测温差，一种是两支热电偶分别测量两处的温度，然后求算温差；另一种是将两支同型号的热电偶反串联接，直接测量温差电势，然后求算温差，如图5-12所示。前一种测量较后一种测量精度差，对于要求精确的小温差测量，应采用后一种测量方法。,2023/10/2,51,温差测量线路,2023/10/2,52,5.3.2 热电偶的温度补偿,热电偶产生的热电势与两端温度有关。只有将冷端的温度恒定，热电势才是热端温度的单值函数。由于热电偶分度表是以冷端温度为0时作出的，因此在使用时要正确反映
19、热端温度，最好设法使冷端温度恒为0。实际应用中，热电偶的冷端通常靠近被测对象，且受到周围环境温度的影响，其温度不是恒定不变的。,2023/10/2,53,1冷端恒温法,（1）0恒温法 在实验室及精密测量中，通常把参考端放入装满冰水混合物的容器中，以便参考端温度保持0，这种方法又称冰浴法。（2）其他恒温法 将热电偶的冷端置于各种恒温器内，使之保持恒定温度，避免由于环境温度的波动而引入误差。这类恒温器可以是盛有变压器油的容器，利用变压器油的热惰性恒温，也可以是电加热的恒温器，这类恒温器的温度不为0，故最后还需对热电偶进行冷端修正。,2023/10/2,54,2补偿导线法,补偿导线的作用是将热电偶的
20、冷端延长到温度相对稳定的地方。只有当冷端温度恒定时，产生的热电势才与热端温度成单值函数关系。所谓补偿导线，实际上是一对材料化学成分不同的导线，在01500温度范围内与配接的热电偶有一致的热电特性，价格相对要便宜。,2023/10/2,55,补偿导线连接示意图,2023/10/2,56,使用补偿导线必须注意以下几个问题。,（1）两根补偿导线与两个热电极的结点必须具有相同的温度。（2）只能与相应型号的热电偶配用，而且必须满足工作范围。（3）极性切勿接反，常用补偿导线负极的颜色均为白色。,2023/10/2,57,3计算修正法,两种方法解决了一个问题，即设法使热电偶的冷端温度恒定。但是，冷端温度并非
21、一定为0，所以测出的热电势还是不能正确反映热端的实际温度。为此，必须对温度进行修正。,2023/10/2,58,例3,用镍铬-镍硅热电偶测某一水池内水的温度，测出的热电动势为2.436mV。再用温度计测出环境温度为30（且恒定），求池水的真实温度。,2023/10/2,59,解：,由镍铬-镍硅热电偶分度表查出E(30，0)=1.203mV所以E(T，0)=E(T，30)+E(30，0)=2.436mV+1.203mV=3.639mV查分度表知其对应的实际温度为T=88，即池水的真实温度是88。,2023/10/2,60,4电桥补偿法,计算修正法虽然很精确，但不适合连续测温，为此，有些仪表的测温
22、线路中带有补偿电桥，利用不平衡电桥产生的电势补偿热电偶因冷端温度波动引起的热电势的变化。,2023/10/2,61,电桥补偿电路,在桥路设计时，使R1=R2，并且R1、R2的阻值要比桥路中其他电阻大得多。这样，即使电桥中其他电阻的阻值发生变化，左右两桥臂中的电流却差不多保持不变，从而认为其具有恒流特性,2023/10/2,62,原理,回路输出电压U为热电偶的热电势E、桥臂电阻RCM的压降URCM及另一桥臂电阻R3的压降UR3三者的代数和。当热电偶的热端温度一定，冷端温度升高时，热电势将会减小。与此同时，铜电阻RCM的阻值将增大，从而使URCM增大，由此达到了补偿的目的。,2023/10/2,6
23、3,自动补偿的条件,2023/10/2,64,改进,I1为流过的电流，为铜电阻的温度系数，一般取0.0039 1/；为热电偶冷端温度的变化范围。,2023/10/2,65,特点,热电偶所产生的热电势与温度之间的关系是非线性的，每变化1所产生的毫伏数并非都相同，但补偿电阻的阻值变化却与温度变化成线性关系。因此，这种补偿方法是近似的。在实际使用时，由于热电偶冷端温度变化范围不会太大，这种补偿方法常被采用。,2023/10/2,66,5显示仪表零位调整法,当热电偶通过补偿导线连接显示仪表时，如果热电偶冷端温度已知且恒定时，可预先将有零位调整器的显示仪表的指针从刻度的初始值调至已知的冷端温度值上，这时
24、显示仪表的示值即为被测量的实际值。,2023/10/2,67,6软件处理法,计算机系统，不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。例如冷端温度恒定但不为0的情况，只需在采样后加一个与冷端温度对应的常数即可。对于T0经常波动的情况，可利用热敏电阻或其他传感器把T0信号输入计算机，按照运算公式设计一些程序，便能自动修正。,2023/10/2,68,5.4热电偶传感器的应用实例,1工作原理 2工业现场利用热电偶测量炉温的误差分析,2023/10/2,69,1工作原理,由毫伏定值器给出设定温度的相应毫伏值，如热电偶的热电势与定值器的输出值有偏差，则说明炉温偏离给定，此偏差经放大器送入调节器，再经过晶闸管触发器去
25、推动晶闸管执行器，从而调整炉丝的加热功率，消除偏差，达到控温的目的。,常用炉温测量采用的热电偶测量系统图,2023/10/2,70,2工业现场利用热电偶测量炉温的误差分析,主要原因有安装不正确、热导率和时间滞后等，由此产生的误差是热电偶在使用中的主要误差。,2023/10/2,71,（1）安装不当引入的误差,热电偶安装的位置及插入深度不能反映炉膛的真实温度等，换句话说，热电偶不应装在太靠近门和加热的地方，插入的深度至少应为保护管直径的810倍。热电偶的保护套管与壁间的间隔未填绝热物质致使炉内热溢出或冷空气侵入，因此热电偶保护管和炉壁孔之间的空隙应用耐火泥或石棉绳等绝热物质堵塞以免冷热空气对流而
26、影响测温的准确性。热电偶冷端太靠近炉体使温度超过100。热电偶的安装应尽可能避开强磁场和强电场，所以不应把热电偶和动力电缆线装在同一根导管内以免引入干扰造成误差。热电偶不能安装在被测介质很少流动的区域内，当用热电偶测量管内气体温度时，必须使热电偶逆着流速方向安装，而且充分与气体接触。,2023/10/2,72,（2）绝缘变差而引入的误差,热电偶绝缘强度降低了，保护管和拉线板污垢或盐渣过多致使热电偶极间与炉壁间绝缘不良，在高温下更为严重，这不仅会引起热电势的损耗而且还会引入干扰，由此引起的误差有时可达上百度。,2023/10/2,73,（3）热惰性引入的误差,由于热电偶的热惰性使仪表的指示值落后于被测温度的变化，在进行快速测量时这种影响尤为突出。由于存在测量滞后，用热电偶检测出的温度波动的振幅较炉温波动的振幅小。,2023/10/2,74,（4）热阻误差,高温时，如保护管上有一层煤灰，尘埃附在上面，则热阻增加，阻碍热的传导，这时温度示值比被测温度的真值低。因此，应保持热电偶保护管外部的清洁，以减小误差。,2023/10/2,75,放松一下！,
