6.3 热电偶传感器

6.3 热电偶传感器 6.3.1 热电偶测温原理 6.3.2 热电偶的基本定律 6.3.3 热电偶的冷端处理和补偿 6.3.4 标准化热电偶 6.3.5 非标准化热电偶 6.3.6 热电偶结构型式 6.3.7 热电偶安装注意事项上一页下一页返回

6.3.1 热电偶测温原理 • 热电偶：两种不同的金属A和B构成闭合回路当两个接触端T﹥ T0时，回路中会产生热电势热电势由两种材料的接触电势和单一材料的温差电势决定上一页下一页返回

1. 接触电势 k ——玻耳兹曼常数； T ——接触面的绝对温度； e ——单位电荷量； NA——金属电极A的自由电子密度 NA——金属电极B的自由电子密度接触电势上一页下一页返回

2. 温差电势 温差电势（汤姆逊电势） δ —— 汤姆逊系数，它表示温度为1℃时所产生的电动势值，它与材料的性质有关。上一页下一页返回

3. 热电偶回路的总热电势 上一页下一页返回

热电极A和B为同一种材料时，NA=NB, δA=δB， 则EAB(T, T0)=0。 • 若热电偶两端处于同一温度下， T=T0，则EAB(T, T0)=0 。 • 热电势存在必须具备两个条件：一、两种不同的金属材料组成热电偶，二、它的两端存在温差。上一页下一页返回

热电势是T和T0的温度函数的差，而不是温度的函数。热电势是T和T0的温度函数的差，而不是温度的函数。当T0=0℃时，f (T0)=0则有： E与T之间有唯一对应的单值函数关系，因此就可以用测量到的热电势E来得到对应的温度值T，热电偶热电势的大小，只是与导体A和B的材料有关，与冷热端的温度有关，与导体的粗细长短及两导体接触面积无关。上一页下一页返回

6.3.2 热电偶的基本定律 1. 匀质导体定律 2. 中间导体定律 3. 连接导体定律上一页下一页返回

1. 匀质导体定律 • 由一种匀质导体所组成的闭合回路，不论导体的截面积如何及导体的各处温度分布如何，都不能产生热电势。 • 热电偶必须采用两种不用材料的导体组成， • 热电偶的热电势仅与两接点的温度有关，而与沿热电极的温度分布无关。 • 如果热电偶的热电极是非匀质导体，在不均匀温度场中测温时将造成测量误差。所以热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要技术指标之一。上一页下一页返回

2. 中间导体定律 在热电偶回路中接入与另一种导体称中间导体C，只要中间导体的两端温度相同，热电偶回路总电动势不受中间导体接入的影响。上一页下一页返回

3. 连接导体定律 为在工业测量温度中使用补偿导线提供了理论基础。上一页下一页返回

例6.3.1 用（S型）热电偶测量某一温度，若参比端温度T0=30℃，测得的热电势E(T,Tn)=7.5mV，求测量端实际温度T。查分度表有E（30，0）= 0.173 mV 反查分度表有T=830℃，测量端实际温度为830℃ 上一页下一页返回

6.3.3 热电偶的冷端处理和补偿 热电偶的热电势大小不仅与热端温度的有关，而且也与冷端温度有关，只有当冷端温度恒定，通过测量热电势的大小得到热端的温度。热电偶的冷端处理和补偿: 当热电偶冷端处在温度波动较大的地方时，必须首先使用补偿导线将冷端延长到一个温度稳定的地方，再考虑将冷端处理为０℃。上一页下一页返回

几种冷端处理方法： 1. 补偿导线法 2. 热电偶冷端温度恒温法 3. 计算修正法 4. 冷端补偿电桥法上一页下一页返回

1. 补偿导线法 • 组成：补偿导线合金丝、绝缘层、护套和屏蔽层。 • 热电偶补偿导线功能： • 其一实现了冷端迁移； • 其二是降低了电路成本。 • 补偿导线又分为延长型和补偿型两种 • 延长形：补偿导线合金丝的名义化学成分及热电势标称值与配用的热电偶相同，用字母“Ｘ”附在热电偶分度号后表示， • 补偿型：其合金丝的名称化学成分与配用的热电偶不同，但其热电势值在100℃以下时与配用的热电偶的热电势标称值相同，有字母“C”附在热电偶分度号后表示，上一页下一页返回

补偿导 线型号配用热电偶补偿导线的线芯材料绝缘层着色正极负极 SC或RC 铂铑10（铂铑）-铂 SPC（铜） SNC（铜镍）红绿 KC 镍铬-镍硅 KPC（铜） KNC（铜镍）红蓝 KX 镍铬-镍硅 KPX（铜镍） KNX（镍硅）红黑 NX 镍铬硅-镍硅 NPS（铜镍） NNX（镍硅）红灰 EX 镍铬-铜镍 EPX（镍铬） ENX（铜镍）红棕 JX 铁-铜镍 JPX（铁） JNX（铜镍）红紫 TX 铜-铜镍 TPX（铜） TNX（铜镍）红白补偿导线的型号、线芯材质和绝缘层着色上一页下一页返回

使用补偿导线时注意问题： 补偿导线只能用在规定的温度范围内（0~100℃）；热电偶和补偿导线的两个接点处要保持温度相同；不同型号的热电偶配有不同的补偿导线；补偿导线由正、负极需分别与热电偶正、负极相连；补偿导线的作用是对热电偶冷端延长。上一页下一页返回

2. 热电偶冷端温度恒温法 适用于实验室中的精确测量和检定热电偶时使用。上一页下一页返回

3. 计算修正法 • 在实际应用中，热电偶的参比端往往不是，而是环境温度，这时测量出的回路热电势要小，因此必须加上环境温度与冰点之间温差所产生的热电势后才能符合热电偶分度表的要求。可用室温计测出环境温度T1，从分度表中查出的E(T1,0)值，然后加上热电偶回路热电势E(T,T1)，得到E(T,0)值，反查分度表即可得到准确的被测温度值。上一页下一页返回

例6.3．2 用镍铬--镍硅(K型)热电偶测温，热电偶参比端温度为30℃。测得的热电势为28mV，求热端温度。反查K分度表 T=701.5℃ 计算修正曲线上一页下一页返回

4. 冷端补偿电桥法 • 利用直流不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶冷端温度变化而引起的热电势的变化值上一页下一页返回

6.3.4 标准化热电偶 • 标准化热电偶：工艺上比较成熟，能批量生产、性能稳定、应用广泛，具有统一分度表并已列入国际和国家标准文件中的热电偶。标准化热电偶可以互相交换，精度有一定的保证。 • 国际电工委员会（IEC）共推荐了8种标准化热电偶上一页下一页返回

热电偶名称 分度号热电极识别 E（100,0）（mV）测温范围（℃）对分度表允许偏差（℃）新极性识别长期短期等级使用温度允差铂铑10-铂 S 正亮白较硬 0.646 0~1300 1600 Ⅲ ≤600 ±1.5℃ 负亮白柔软＞600 ±0.25%t 铂铑13-铂 R 正较硬 0.647 0~1300 1600 Ⅱ ＜600 ±1.5℃ 负柔软＞1100 ±0.25%t 铂铑30-铂铑 B 正较硬 0.033 0~1600 1800 Ⅲ 600~900 ±4℃ 负稍软＞800 ±0.5%t 镍铬-镍硅 K 正不亲磁 4.096 0~1200 1300 Ⅱ -40~1300 ±2.5℃或±0.75%t 负稍亲磁 Ⅲ -200~40 ±2.5℃或±1.5%t 镍铬硅-镍硅 N 正不亲磁 2.774 -200~1200 1300 Ⅰ -40~1100 ±1.5℃或±0.4%t 负稍亲磁 Ⅱ -40~1300 ±2.5℃或±0.75%t 镍铬-康铜 E 正暗绿 6.319 -200~760 850 Ⅱ -40~900 ±2.5℃或±0.75%t 负亮黄 Ⅲ -200~40 ±2.5℃或±1.5%t 铜-康铜 T 正红色 4.279 -200~350 400 Ⅱ -40~350 ±1℃或±0.75%t 负银白色 Ⅲ -200~40 ±1℃或±1.5%t 铁-康铜 J 正亲磁 5.269 -40~600 750 Ⅱ -40~750 ±2.5℃或±0.75%t 负不亲磁表6.3.2 标准化热电偶技术数据上一页下一页返回

1. 铂铑10-铂热电偶（S型） • 贵金属热电偶。电极线径规定为0.5mm，正极（SP）的名义化学成分为铂铑合金负极（SN）为纯铂，故俗称为单铂铑热电偶。长期最高使用温度为1300℃，短期最高使用温度为1600℃。 • 优点：准确度高，稳定性好，测温温区和使用寿命长，物理化学性能良好，在高温下抗氧化性能好，适用于氧化和惰性气氛中。 • 缺点：热电率较小，灵敏度低，高温下机械强度下降，对污染敏感，贵金属材料昂贵，因此一次性投资较大。上一页下一页返回

2. 铂铑30-铂铑6（B型） • 为贵金属热电偶。热偶丝线径规定为0.5mm，正极（BP）和负极（BN）的名义化学成分均为铂铑合金，只是含量不同，故俗称为双铂铑热电偶。长期最高使用温度为1600℃，短期最高使用温度为1800℃。 • 优点：准确度高，稳定性好，测温温区宽，使用寿命长等，适用于氧化性和惰性气氛中，也可短期用于真空中，但不适用于还原性气氛或含有金属或非金属蒸汽中；参比端不需进行冷端补偿，因为在0～50℃范围内热电势小于3µV。 • 缺点：热电率较小，灵敏度低，高温下机械强度下降，抗污染能力差，贵金属材料昂贵。上一页下一页返回

3. 镍铬-镍硅热电偶（K型） • 使用量最大的廉金属热电偶，用量为其他热电偶的总和正极（KP）的名义化学成分为：Ni:Cr=90:10，负极（KN）的名义化学化学成分为Ni:Si=97:3。其使用温度为-200～1300℃。 • 优点：线性度好，热电势较大，灵敏度较高，稳定性和复现性均好，抗氧化性强，价格便宜。能用于氧化性和惰性气氛中。 • K型热电偶不能在高温下直接用于硫、还原性或还原、氧化交替的气氛中，也不能用于真空中。上一页下一页返回

4. 镍铬-铜镍热电偶（E型） • 称为镍铬-康铜热电偶，也是一种廉价金属热电偶。其正极（EP）为镍铬10合金，化学成分与KP相同，负极（EN）为铜镍合金，名义化学成分为55%的铜、45%的镍以及少量的钴、锰、铁等元素。 • 该热电偶电动势之大，灵敏度之高属所有标准热电偶之最，宜制成热电偶堆来测量微小温度变化。 • E型热电偶可用于湿度较大的环境里，具有稳定性好，抗氧化性能高，价格便宜等优点。但不能在高温下用于硫、还原性气氛中。上一页下一页返回

标准化热电偶热电势和温度的关系 上一页下一页返回

热电偶种类 优点缺点 B 适于测量1000℃以上的高温常温下热电动势极小，可不用补偿导线抗氧化、耐化学腐蚀在中低温领域热电动势小，不能用于600℃以下灵敏度低热电动势的线性不好 R、S 精度高、稳定性好，不易劣化抗氧化、耐化学腐蚀可作标准灵敏度低不适用于还原性气氛(尤其是H2、金属蒸气) 热电动势的线性不好价格高 N 热电动势线性好 1200℃以下抗氧化性能良好短程表序结构变化影响小不适用于还原性气氛同贵金属势电偶相比时效变化大 K 热电动势线性好 1000℃下抗氧化性能良好在廉金属热电偶中稳定性更好不适用于还原性气氛同贵金属热电偶相比时效变化大因短程有序结构变化而产生误差 E 在现有的热电偶中，灵敏度最高同J型相比，耐热性能良好两极非磁性不适用于还原性气氛热导率低具有微滞后现象 J 可用于还原性气氛热电动势较K型高20%左右铁正极易生锈热电特性漂移大 T 热电动势线性好低温特性好产品质量稳定性好可用于还原性气氛使用温度低铜正极易氧化热传导误差大表6.3.3 标准化热电偶的特性上一页下一页返回

名称热电极材料使用温度范围(℃) 过热使用温度范围(℃) 特征正极负极钨莱系 Wre5、Wre3 Wre26、Wre25 0～2300 3000 适用于还原性、H2及惰性气体。质脆铂铑系 PtRh20、PtRh40 PtRh5、PtRh20 300～1500 1100～1600 1800 1800 在高温下使用，热电动势小，其它性能与R型相同铱铑系 Ir、Ir、Ir IrRh40、IrRh50、 IrRh60 1100～2000 2100 适用于真空、惰性气体及微氧化性气氛。质脆镍钼系 Ni NiMo18 0～1280 / 可用于还原性气氛，热电动势大钯铂系 Pd、Pt及Au合金 Au、Pd合金 0～1100 1300 耐磨性能强，热电动势的大小基本上与K型相同镍铬、金铁以Ni-Cr为主的合金含0.07mo1%Fe的合金 0～300K / 20K以下热电动势比较大，热电动势的线性好银金、金铁含Au为0.37mo1% 的合金含0.03mo1%Fe的 Au-Fe合金 1～40K / 热电动势小，受磁场影响 6.3.5 非标准化热电偶上一页下一页返回

6.3.6 热电偶结构型式 • 为保证热电偶的正常工作，热电偶的两极之间以及与保护套管之间都需要良好的电绝缘，而且耐高温、耐腐蚀和冲击的外保护套管也是必不可少的。 1. 普通型装配式结构 2. 柔性安装型铠装结构上一页下一页返回

1. 普通型装配式结构 （a）1—接线柱；2—接线座；3—绝缘套管；4—热电极（b）1—测量端；2—热电极；3绝缘套管；4—保护管；5—接线盒上一页下一页返回

2. 柔性安装型铠装结构 测量端的热容量小，响应速度快，绕性好，可弯曲，可以安装在狭窄或结构复杂的测量场合，耐压、耐振、耐冲击上一页下一页返回

6.3.7 热电偶安装注意事项 1. 插入深度要求测量端应有足够的插入深度，应使保护套管的测量端超过管道中心线5~10mm。 2. 注意保温为防止传导散热产生测温附加误差，保护套管露在设备外部的长度应尽量短，并加保温层。 3. 防止变形应尽量垂直安装。在有流速的管道中必须倾斜安装，若需水平安装时，则应有支架支撑。上一页返回

6.3 热电偶传感器

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