热电偶基础知识介绍.ppt

2020 2 12 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 1600 最高的可达到3000 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 2020 2 12 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 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 热电极A 右端称为 自由端 参考端 冷端 左端称为 测量端 工作端 热端 热电极B 热电势 A B 2020 2 12 第四章非电量的电测技术 3 从实验到理论 热电效应 1821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 2020 2 12 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 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 2020 2 12 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和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扩散到密度小的金属B 使A失去电子带正电 B得到电子带负电 从而产生接触电势 k 波尔兹曼常数 e 单位电荷电量 NAT NBT 温度为T时 导体A B的自由电子密度 2020 2 12 第四章非电量的电测技术 6 二 温差电动势 温度标志着物质内部大量分子无规则运动的剧烈程度 温度越高 表示物体内部分子热运动越剧烈 模拟图 在一个密闭的空间里 气体分子在高温时的运动速度比低温时快 温度的影响 2020 2 12 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 EA t t0 UAt UAt0 考虑 如果同一导体各点温度相同 即t t0 则回路总电动势必为零 2020 2 12 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 EAB t t0 EAB t EB t t0 EAB t0 EA t t0 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 EAB t t0 EAB t EAB t0 2020 2 12 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和t0时的函数差 对于已选定的热电偶 当参考端温度t0恒定时 EAB t0 为常数 则总的热电动势就只与温度t成单值函数关系 即 AB t t0 EAB t C t EAB t t0 EAB t EAB t0 2020 2 12 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 2020 2 12 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 AB t t0 的含义 按位置顺序A表示热电偶正极 B表示负极t表示测量端温度 t0表示冷端温度 符号变化 位置规定的含义不变 AB t t0 EBA t t0 EAB t0 t 解释 当NA NB A为正极 B为负极 脚注AB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 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 2020 2 12 第四章非电量的电测技术 12 1 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 温差电动势只占极小部分 2020 2 12 第四章非电量的电测技术 13 3 如果热电偶两结点温度相等t t0 热电偶回路内的总电势亦为零 4 热电偶AB的热电势与A B材料的中间温度无关 只与结点温度有关 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 中间导体定律 在热电偶测温回路内 接入第三种导体C 只要其两端温度相同 则对回路的总热电势没有影响 2020 2 12 第四章非电量的电测技术 14 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 EABC T T0 eAB T eBC T0 eCA T0 当T T0时 有EABC T0 eAB T0 eBC T0 eCA T0 0 由此得eAB T0 eBC T0 eCA T0 0代入 式 ABC T T0 eAB T eAB T0 eAB T T0 同理 加入第四 第五种导体后 只要加入的导体两端温度相等 同样不影响回路中的总热电势 2020 2 12 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和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 2020 2 12 第四章非电量的电测技术 16 6 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 如图 导体A B分别与标准电极C组成热电偶 若它们所产生的热电动势为已知 即 那么 导体A与B组成的热电偶 其热电动势可由下式求得 2020 2 12 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 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100 冷端为0 时 镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为2 95mV 考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为 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 95mV 用于制造铂热电偶的各种铂热电偶丝 2020 2 12 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 必要性 1 用热电偶的分度表查毫伏数 温度时 必须满足t0 0 C的条件 在实际测温中 冷端温度常随环境温度而变化 这样t0不但不是0 C 而且也不恒定 因此将产生误差 2 一般情况下 冷端温度均高于0 C 热电势总是偏小 应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失 2020 2 12 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0 100 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 2020 2 12 第四章非电量的电测技术 20 补偿导线型号 书p70表4 3 2020 2 12 第四章非电量的电测技术 21 补偿导线外形 A B 屏蔽层 保护层 2020 2 12 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 2020 2 12 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 热端温度为800 时的热电动势为E 800 0 33 275mV 热端温度为50 时的热电动势为E 50 0 2 023mV 热端温度为20 时的热电动势为E 20 0 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 800 50 E 800 0 E 50 0 33 277 2 022 mV 31 255mV 相当于751 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 800 20 E 800 0 E 20 0 33 277 0 798 mV 32 479mV 相当于781 与炉内的真实温度相差分别为 751 800 49 781 800 19 可见 补偿导线的作用是很明显的 2020 2 12 第四章非电量的电测技术 24 例4 8 2020 2 12 第四章非电量的电测技术 25 二 冷端恒温法 A 0 恒温器将热电偶的冷端置于温度为0 的恒温器内 如冰水混合物 使冷端温度处于0 这种装置通常用于实验室或精密的温度测量 在冰杯中 冰水混合物的温度能较长时间地保持在0 C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 2020 2 12 第四章非电量的电测技术 26 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 被测流体管道2 热电偶3 接线盒4 补偿导线5 铜质导线6 毫伏表7 恒温器8 混合物9 试管10 新冷端 2020 2 12 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t0 0 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EAB t t0 与冷端为0 时所测得的热电势EAB t 0 不等 若冷端温度高于0 则EAB t t0 EAB t 0 下式计算并修正测量误差 EAB t 0 EAB t t0 EAB t0 0 EAB t 0 为热电偶热端温度为t 冷端温度为0 时的热电动势 EAB t t0 为热电偶热端温度为t 冷端温度为t0时的热电动势 EAB t0 0 为热电偶热端温度为t0 冷端温度为0 时的热电动势 2020 2 12 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 且为恒定时 测出热端温度为t时的热电动势为39 17mV 求炉子的真实温度 由镍铬 镍硅热电偶分度表查出E 30 0 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 977 2020 2 12 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热电偶端补偿器 2020 2 12 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1975年向世界各国推荐七种标准型热电偶 我国生产的符合IEC标准的热电偶有六种 书上介绍 铂铑10 铂热电偶这种热电偶分度号为 S 它的正极是铂铑丝 铂90 铑l0 负极是纯铂丝 测温范围为0 1700 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 74 1064 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 它的正极是镍铬合金 镍90 5 铬9 5 负极为镍硅 镍97 5 硅2 5 测温范围为 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型或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 它的正极是镍铬合金 负极是铜镍合金 铜55 镍45 测温范围为 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 铂铑30 铂铑6热电偶这种热电偶分度号为 B 它的正极是铂铑丝 铂70 铑30 负极也是铂铑丝 铂94 铑6 故俗称双铂铑 测温范围为0 1700 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 2020 2 12 第四章非电量的电测技术 31 K热电偶的分度表 比较查出的三个热电势 热电势是否线性 2020 2 12 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0 C 根据以下电路中的毫伏表的示值及K热电偶的分度表 查出热端的温度tx 2020 2 12 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 2020 2 12 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 可按图连接 这样可节约显示仪表和补偿导线 2020 2 12 第四章非电量的电测技术 35 特殊情况下 热电偶可以串联或并联使用 但只能是同一分度号的热电偶 且参考端应在同一温度下 如热电偶正向串联 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 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 2020 2 12 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 2020 2 12 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 安装法兰 2020 2 12 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 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 2020 2 12 第四章非电量的电测技术 39 2 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 2020 2 12 第四章非电量的电测技术 40 铠装型热电偶外形 铠装型热电偶可长达上百米 薄壁金属保护套管 铠体 铠装型热电偶横截面 法兰 2020 2 12 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