热电偶基础知识介绍

2022-5-11第四章 非电量的电测技术 1 热电偶传感器介绍在工业生产过程中，温度是需要测量和控制的重要参数之一。在温度测量中，热电偶的应用极为广泛，它具有结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯性小和输出信号便于远传等许多优点, ,在温度测量中占有重要的地位。其测温范围较宽，一般为-50-5016001600，最高的可达到30003000。 另外，由于热电偶是一种有源传感器，测量时不需外加电源，使用十分方便，所以常被用作测量炉子、管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度。2022-5-11第四章 非电量的电测技术 2一、 热电偶的测温原理先看一个实验先看一个实验热电偶工作原理演示热电偶工作原理演示 结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。 热电极热电极A A右端称为：右端称为：自由端自由端（参考端、（参考端、冷端）冷端） 左端称为：左端称为：测量端（工测量端（工作端、热端）作端、热端） 热电极热电极B B热电势热电势A AB B2022-5-11第四章 非电量的电测技术 3从实验到理论：热电效应 18211821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在回路中的指南针发生偏转（说明什么？），如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转角反而减小（又说明什么？）。显然，指南针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。 2022-5-11第四章 非电量的电测技术 4通过以上演示得出结论有关热电偶热电势的讨论将两种不同的导体（或半导体）A A、B B组合成闭合回路。若两结点处温度不同，则回路中将有电流流动，即回路中有热电动势存在。此电动势的大小除了与材料本身的性质有关以外, ,还决定于结点处的温差，这种现象称为热电效应或塞贝克效应。热电偶就是根据此原理设计制作的将温差转换为电势量的热电式传感器。热电效应产生的热电势是由接触电势和温差电势两部分组成的。2022-5-11第四章 非电量的电测技术 5（一）接触电势产生原因：两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属A A和B B的接触点处会发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的金属A A扩散到密度小的金属B B，使A A失去电子带正电，B B得到电子带负电，从而产生接触电势：自自由由电电子子ABe eABAB(T)(T)T TBtAtABNNekttEln)(k k：波尔兹曼常数；：波尔兹曼常数； e e：单位电荷电量；：单位电荷电量； N NATAT、N NBTBT：温度为：温度为T T时时, ,导体导体A A、B B的的自由电子密度。自由电子密度。2022-5-11第四章 非电量的电测技术 6（二）温差电动势温度标志着物质内温度标志着物质内部大量分子无规则部大量分子无规则运动的剧烈程度。运动的剧烈程度。温度越高，表示物温度越高，表示物体内部分子热运动体内部分子热运动越剧烈。越剧烈。 模拟图：在一个密闭的空间里，气体分子在高温时的运动模拟图：在一个密闭的空间里，气体分子在高温时的运动速度比低温时快！速度比低温时快！温度的影响温度的影响2022-5-11第四章 非电量的电测技术 7定义：同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势温差电动势同一导体的两端温度不同时, , 高温端的电子能量要比低温端的电子能量大, , 因而从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多, , 结果高温端因失去电子而带正电, , 低温端因获得多余的电子而带负电, , 形成一个静电场，该静电场阻止电子继续向低温端迁移，最后达到动态平衡。因此， 在导体两端便形成温差电势，公式：E EA A（t t，t t0 0）=U=UAtAt-U-UAt0At0dTdttNdNekUUttEAtAtAttAA),(1),(tt000考虑：如果同一导体各点温度相同，即考虑：如果同一导体各点温度相同，即t tt t0 0，则回路总电，则回路总电动势必为零？动势必为零？2022-5-11第四章 非电量的电测技术 8（三）热电偶回路的热电势热电偶回路中总的热电势应是接触电势与温差电势之和。E EABAB（t t，t t0 0）= =E EABAB（t t） +E EB B（t t，t t0 0） - -E EABAB（t t0 0）- -E EA A（t t，t t0 0）经实践证明，在热电偶中起主要作用的是接触电动势，温差经实践证明，在热电偶中起主要作用的是接触电动势，温差电动势只占极小部分。可以忽略不计：电动势只占极小部分。可以忽略不计：E EABAB（t t，t t0 0）= = E EABAB（t t）- -E EABAB（t t0 0）dTNNekBtAtlntt02022-5-11第四章 非电量的电测技术 9综上所述，如下结论：热电偶回路中热电动势的大小，与组成热电偶的导体材料和两接点的温度有关，而与热电偶的形状尺寸无关。当热电偶两电极材料固定后，热电动势便是两接点温度为t t和t t0 0时的函数差：对于已选定的热电偶, , 当参考端温度t t0 0恒定时, , E EABAB(t(t0 0) )为常数, ,则总的热电动势就只与温度t t成单值函数关系, , 即 ABAB(t,t(t,t0 0)=E)=EABAB(t)-C=(t)-C=(t)(t)E EABAB（t t，t t0 0）= = E EABAB（t t）- -E EABAB（t t0 0）)f(t-f(t)t(t,E00AB2022-5-11第四章 非电量的电测技术 10（四）实际应用我国从1991年开始采用国际计量委员会规定的“1990年国际温标”（简称ITS-90）的新标准。按此标准，制定了相应的分度表，并且有相应的线性化集成电路与之对应。 目前热电偶统一规定在T0=0的条件下，给出测量端温度与热电势的数值对照表，即分度表自由端（约束条件：冷端温度必须为0 ）。实际测温时，根据测出的热电势可通过查对应的分度表，查得所测的温度值。本教材p366的附录列出了工业中常用的分度表 2022-5-11第四章 非电量的电测技术 11二、有关热电偶的几点结论规定：ABAB(t,t(t,t0 0) )的含义，按位置顺序A A表示热电偶正极；B B表示负极t t表示测量端温度；t0t0表示冷端温度；符号变化，位置规定的含义不变。ABAB(t,t(t,t0 0)=-E)=-EBABA(t,t(t,t0 0)=-E)=-EABAB(t(t0 0,t),t)解释：当N NA ANNB B,A,A为正极，B B为负极。脚注ABAB的顺序表示电动势的方向。当脚注顺序改变时，电动势前面的符号（、）随之改变。利用热电偶作为传感器来检测温度时，必须在热电偶回路中引入显示或记录仪表，利用热电偶作为传感器来检测温度时，必须在热电偶回路中引入显示或记录仪表，并用连接导线将它们连接起来，因此必须掌握下面的基本定律，以保证能够正确并用连接导线将它们连接起来，因此必须掌握下面的基本定律，以保证能够正确的选择和使用热电偶。的选择和使用热电偶。2022-5-11第四章 非电量的电测技术 121）热电势的大小仅与材料的性质及其两端点的温度有关，而与热电偶的形状、大小无关。烧断的热电偶可重新焊接，用于测温。2）如果构成热电偶的两个热电极为材料相同的均质导体，则无论两结点温度如何，热电偶回路内的总热电势为零均质导体定律必须采用两种不同的材料作为热电极。0ln),(tt00dTNNekttEAtAtAB温差电动温差电动势只占极小势只占极小部分部分2022-5-11第四章 非电量的电测技术 133 3）如果热电偶两结点温度相等t=tt=t0 0，热电偶回路内的总电势亦为零。4 4）热电偶ABAB的热电势与A A、B B材料的中间温度无关，只与结点温度有关。5 5）中间导体定律 利用热电偶进行测温, , 必须在回路中引入连接导线和仪表, , 接入导线和仪表后会不会影响回路中的热电势呢？0ln),(tt00dTNNekttEBtAtAB中间导体定律：在热电偶测中间导体定律：在热电偶测温回路内温回路内, , 接入接入第三种导体第三种导体C C, , 只要其两端温度相同只要其两端温度相同, , 则对回则对回路的总热电势没有影响。路的总热电势没有影响。2022-5-11第四章 非电量的电测技术 14l证明: :中间导体定律 由于温差电势可忽略不计, , 则回路中的总热电势等于各接点的接触电势之和。即E EABCABC(T,T(T,T0 0)=e)=eABAB(T)+e(T)+eBCBC(T(T0 0)+e)+eCACA(T(T0 0) ) （* *）当当T=TT=T0 0时时, ,有有E EABCABC(T(T0 0)=e)=eABAB(T(T0 0 )+e )+eBCBC(T(T0 0)+e)+eCACA(T(T0 0)=0)=0由此得由此得e eABAB(T(T0 0 ) )-e-eBCBC(T(T0 0)-e)-eCACA(T(T0 0)=0)=0代入代入（* *）式式ABCABC(T,T(T,T0 0)=e)=eABAB(T)-e(T)-eABAB(T(T0 0)=e)=eABAB(T,T(T,T0 0) ) 同理同理, ,加入第四、第五种导体后加入第四、第五种导体后, ,只要加入的导体两端温只要加入的导体两端温度相等度相等, ,同样不影响回路中的总热电势。同样不影响回路中的总热电势。 2022-5-11第四章 非电量的电测技术 15利用热电偶测温时，连接导线和显示仪表等均可看成中间导体。根据中间导体定律只要保证连接导线和显示仪表各自两端的温度相同，则对热电偶的热电势没有影响。因此中间导体定律对热电偶的实际应用有十分重要的意义。图利用中间导体定律制成开路电偶测量金属和金属壁面的温度。根据此定律，除可在热电偶测温回路中接入各种类型的显示仪表或调节器外，也可以推广到对液态金属材料和固态金属材料表面的温度测量，如图所示。有时为了提高测量精度，或者为了使用上的方便，将热电极A A和B B直接插入液态金属或焊在固体金属表面上。例如，用热电偶连续测量铁水的温度就是这样的。在连续测量过程中，热电极不断地被铁水熔掉，而根据这个定律，就不需要先焊接了。 T0ABT金属壁面MM连接管热电偶液态金属2022-5-11第四章 非电量的电测技术 166）标准电极定律当结点温度为t, t0时，用导体A，B组成的热电偶的热电动势等于AC热电偶和CB热电偶的热电动势的代数和。)t(t,E-)t(t,E)t(t,E0BC0AC0AB+Att0+tt0+tt0CCBBA)(tE-(t)E)t(t,E0ACAC0AC)(tE-(t)E)t(t,E0BCBC0BC如图，导体如图，导体A A、B B分别与标准电极分别与标准电极C C组成热电偶，若它们所产生的组成热电偶，若它们所产生的热电动势为已知，即热电动势为已知，即那么，导体那么，导体A A与与B B组成的热电偶，其组成的热电偶，其热电动势可由下式求得：热电动势可由下式求得：2022-5-11第四章 非电量的电测技术 17应用：标准电极定律是一个极为实用的定律。纯金属的种类很多，合金类型更多。要得出这些金属之间组合而成热电偶的热电动势，工作量极大。由于铂的物理、化学性质稳定，熔点高，易提纯，所以，通常选用高纯铂丝作为标准电极，只要测得各种金属与纯铂组成的热电偶的热电动势表4-24-2，则各种金属之间相互组合而成的热电偶的热电动势可直接计算。例如：热端为100100，冷端为00时，镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为2.95mV2.95mV，考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为-4.0mV-4.0mV；则镍铬和考铜组合成的热电偶所产生的热电动势：2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV用于制造用于制造铂铂热电偶热电偶的各种的各种铂铂热电偶丝热电偶丝2022-5-11第四章 非电量的电测技术 18三、热电偶冷端温度补偿热电效应的原理可知，热电偶产生的热电动势与热电效应的原理可知，热电偶产生的热电动势与两端温度有关。只有将冷端的温度恒定，热电动两端温度有关。只有将冷端的温度恒定，热电动势才是热端温度的单值函数。势才是热端温度的单值函数。必要性：必要性：1 1、用热电偶的分度表查毫伏数、用热电偶的分度表查毫伏数- -温度时，温度时，必须满足必须满足t t0 0=0=0 C C的条件的条件。在实际测温中，冷端温度常随环境温。在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化，这样度而变化，这样t t0 0不但不是不但不是0 0 C C，而且也不恒定，而且也不恒定， 因因此将产生误差。此将产生误差。2 2、 一般情况下，冷端温度均高于一般情况下，冷端温度均高于0 0 C C，热电势总是偏，热电势总是偏小。应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失小。应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失 。2022-5-11第四章 非电量的电测技术 19（一）补偿导线法采用相对廉价的补偿导线，可延长热电偶的冷端，使之远离高温区；可节约大量贵金属；易弯曲，便于敷设。 所谓补偿导线：实际上是一对材料化学成分不同的导线，在0100温度范围内与配接的热电偶有一致的热电特性，但价格相对要便宜。若利用补偿导线，将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所(如仪表室)，其实质是相当于将热电极延长。2022-5-11第四章 非电量的电测技术 20补偿导线型号补偿导线型号书书p70 p70 表表4 43 3 2022-5-11第四章 非电量的电测技术 21补偿导线外形 AABB屏蔽层屏蔽层保护层保护层2022-5-11第四章 非电量的电测技术 22在使用延长线时的应注意以下几方面：各种延长线只能与相应型号的热电偶配用，而且必须在规定的温度范围内使用；注意极性，不能接反，否则会造成更大的误差；延长线与热电偶连接的两个结点，其温度必须相同。2022-5-11第四章 非电量的电测技术 23例:采用镍铬-镍硅热电偶测量炉温。热端温度为800，冷端温度为50。为了进行炉温的调节及显示，必须将热电偶产生的热电动势信号送到仪表室，仪表室的环境温度恒为20。由镍铬- -镍硅热电偶分度表查出它在冷端温度为0 0，热端温度为800800时的热电动势为E(800E(800，0)0)= =33.275mV33.275mV；热端温度为5050时的热电动势为E(50E(50，0)0)= =2.023mV2.023mV；热端温度为2020时的热电动势为E(20E(20，0)=0.798mV0)=0.798mV。如果热电偶与仪表之间直接用铜导线连接，根据中间导体定律，输入仪表的热电动势为：E(800E(800，50)=E(80050)=E(800，0)-E(500)-E(50，0)=(33.277-0)=(33.277-2.022)mV=31.255mV(2.022)mV=31.255mV(相当于751751) )。如果热电偶与仪表之间用补偿导线连接，相当于将热电偶延伸到仪表室，输入仪表的热电动势为：E(800E(800，20)=E(80020)=E(800，0)-E(200)-E(20，0)=(33.277-0.798)mV=32.479mV(0)=(33.277-0.798)mV=32.479mV(相当于781781) )。与炉内的真实温度相差分别为： 751751-800-800=-49=-49 781 781-800-800=-19=-19 可见，补偿导线的作用是很明显的。2022-5-11第四章 非电量的电测技术 24例4-82022-5-11第四章 非电量的电测技术 25（二）冷端恒温法A A、00恒温器将热电偶的冷端置于温度为00的恒温器内( (如冰水混合物) )，使冷端温度处于00。这种装置通常用于实验室或精密的温度测量。在冰杯中，冰水混合物的温在冰杯中，冰水混合物的温度能较长时间地保持在度能较长时间地保持在0 0 C C不变。不变。冰浴法，它消除了t0不等于0而引入的误差，由于冰融化较快，所以一般只适用于实验室中。 2022-5-11第四章 非电量的电测技术 26B B、其他恒温器将热电偶的冷端置于各种恒温器内，使之保持温度恒定，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温度修正。 1 1被测流体管道被测流体管道 2 2热电偶热电偶 3 3接线盒接线盒 4 4补偿导线补偿导线 5 5铜质导铜质导线线 6 6毫伏表毫伏表 7 7恒温器恒温器 8 8混合物混合物 9 9试管试管 1010新冷端新冷端 2022-5-11第四章 非电量的电测技术 27（三）冷端温度的修正计算当热电偶的冷端温度t t0 000时，由于热端与冷端的温差随冷端的变化而变化，所以测得的热电势E EABAB（t t，t t0 0）与冷端为00时所测得的热电势E EABAB（t t，00）不等。若冷端温度高于00，则E EABAB（t t，t t0 0）EEABAB（t t，00）。下式计算并修正测量误差：E EABAB（t t，0 0）=E=EABAB（t t，t t0 0）+E+EABAB（t t0 0，0 0）E EABAB(t(t，0)0)为热电偶热端温度为为热电偶热端温度为t t，冷端，冷端温度为温度为0 0时的热电动势；时的热电动势；E EABAB(t(t，t t0 0) )为热电偶热端温度为为热电偶热端温度为t t，冷端，冷端温度为温度为t t0 0时的热电动势；时的热电动势；E EABAB(t(t0 0，0)0)为热电偶热端温度为为热电偶热端温度为t t0 0，冷，冷端温度为端温度为0 0时的热电动势。时的热电动势。2022-5-11第四章 非电量的电测技术 28例：用镍铬- -镍硅热电偶测炉温，当冷端温度为30 30 ( (且为恒定时) )，测出热端温度为t t时的热电动势为39.17mV39.17mV，求炉子的真实温度。由镍铬- -镍硅热电偶分度表查出E(30E(30，0)=1.203mV0)=1.203mV根据公式计算出再通过分度表查出其对应的实际温度为：t=977t=9772022-5-11第四章 非电量的电测技术 29（四）电桥补偿法电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值，可购买与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥。 XT-WBC XT-WBC热电偶端补偿器热电偶端补偿器2022-5-11第四章 非电量的电测技术 30四、常用热电偶及其特性 国际电工委员会19751975年向世界各国推荐七种标准型热电偶。我国生产的符合IECIEC标准的热电偶有六种，书上介绍：铂铑1010- -铂热电偶 这种热电偶分度号为“S”S”。它的正极是铂铑丝( (铂90%90%，铑l0%)l0%)，负极是纯铂丝。测温范围为0170001700。其特点是热电性能稳定，抗氧化性强，宜 在 氧 化 性 、 惰 性 气 氛 中 工 作 。 由 于 精 度 高 ， 故 国 际 温 标 中 规 定 它 为630.741064.43630.741064.43温度范围内复现温标的标准仪器。常用作标准热电偶或用于高温测量。镍铬- -镍硅热电偶 这种热电偶分度号为“K K”。它的正极是镍铬合金( (镍90.5%90.5%，铬9.5%)9.5%)，负极为镍硅( (镍97.5%97.5%，硅2.5%)2.5%)。测温范围为-200+1300-200+1300。其特点是测温范围很宽、热电动势与温度关系近似线性、热电动势大及价格低。缺点是热电动势的稳定性较B B型或S S型热电偶差，且负极有明显的导磁性。镍铬- -锰白铜热电偶 这种热电偶分度号为“E”E”。它的正极是镍铬合金，负极是铜镍合金( (铜55%55%，镍45%)45%)。测温范围为-200+1000-200+1000。其特点是热电动势较其他常用热电偶大。适宜在氧化性或惰性气氛中工作。1.1.铂铑3030- -铂铑6 6热电偶 这种热电偶分度号为“B B”。它的正极是铂铑丝( (铂70%70%，铑30%)30%)，负极也是铂铑丝( (铂94%94%，铑6%)6%)，故俗称双铂铑。测温范围为0170001700。其特点是测温上限高。在冶金反应、钢水测量等高温领域中得到了广泛的应用。2022-5-11第四章 非电量的电测技术 31K K热电偶的分热电偶的分度表度表 比较查出的比较查出的三个热电势三个热电势，热电势是否热电势是否线性？线性？2022-5-11第四章 非电量的电测技术 32如何由热电偶的热电势查热端温度值？设冷端为设冷端为0 0 C C，根据以下电路中的毫伏表的示值及，根据以下电路中的毫伏表的示值及K K热电偶的热电偶的分度表，查出热端的温度分度表，查出热端的温度t tx x。2022-5-11第四章 非电量的电测技术 33五、 热电偶常用测量电路热电偶测温时, 它可以直接与显示仪表（如电子电位差计、 数字表等）配套使用, 也可与温度变送器配套, 转换成标准电流信号, 图为典型的热电偶测温线路。 2022-5-11第四章 非电量的电测技术 34如用一台显示仪表显示多点温度时如用一台显示仪表显示多点温度时, , 可按图连接可按图连接, , 这这样可节约显示仪表和补偿导线。样可节约显示仪表和补偿导线。 2022-5-11第四章 非电量的电测技术 35特殊情况下特殊情况下, , 热电偶可以串联或并联使用热电偶可以串联或并联使用, , 但只能是但只能是同一分度号的热电偶同一分度号的热电偶, , 且参考端应在同一温度下。如且参考端应在同一温度下。如热电偶正向串联热电偶正向串联, , 可获得较大的热电势输出和提高灵可获得较大的热电势输出和提高灵敏度。在测量两点温差时敏度。在测量两点温差时, , 可采用热电偶反向串联。可采用热电偶反向串联。利用热电偶并联可以测量平均温度。利用热电偶并联可以测量平均温度。串联串联并联并联反向串联反向串联2022-5-11第四章 非电量的电测技术 36六、应用1、普通装配型热电偶、普通装配型热电偶普通型结构热电偶工业上使用最多普通型结构热电偶工业上使用最多, , 它一般由热电它一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成。极、绝缘套管、保护管和接线盒组成。2022-5-11第四章 非电量的电测技术 37普通装配型热电偶的外形安装螺纹安装螺纹安装法兰安装法兰2022-5-11第四章 非电量的电测技术 38普通装配型热电偶的结构放大图 接线盒引出线套管引出线套管 固定螺纹（出厂时用固定螺纹（出厂时用塑料包裹）塑料包裹）热电偶工作端（热端）热电偶工作端（热端） 不锈钢保护管不锈钢保护管 2022-5-11第四章 非电量的电测技术 392、铠装热电偶铠装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。2022-5-11第四章 非电量的电测技术 40铠装型热电偶外形铠装型热电偶可铠装型热电偶可 长达长达上百米上百米薄壁金属薄壁金属 保护保护套管（铠体）套管（铠体） BA绝缘绝缘 材料材料铠装型热电偶横截面铠装型热电偶横截面法兰2022-5-11第四章 非电量的电测技术 41作业：几个定律的证明：例4-5、例4-6、例4-7