热电偶热电阻讲解

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1、温度测量 温度测量 热电偶温度计 热电阻温度计 双金属温度计 热电偶温度计以热电偶作为感温元件，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、烟气高温等都是采用热电偶来测量的。热电偶是 目前世界上科研和生产中应用最普遍、最广泛的温度测量 元件。 热电偶温度计 一、热电偶的基本原理 热电偶测温主要利用热电效应热电偶

2、测温主要利用热电效应 热电效应：两种不同的导体（或半导体）A和B组 成闭合回路，如下图所示。当A和B相接的两个 接点温度T和T0不同时，则在回路中就会产生 一个电势，这种现象叫做热电效应。由此效应 所产生的电势，通常称为热电势，用符号EAB （T，T0）表示。 热电偶原理图 TT0 A B 热端冷端 什么是热电偶？ 图中的闭合回路称为热电偶，导体A和B称 为热电偶的热电极。热电偶的两个接点中， 置于被测介质（温度为T）中的接点称为工 作端或热端，温度为参考温度T0的一端称为 参考端或冷端。 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 。 1接触电势 T

3、+ AB eAB(T) - 接触电 势原 理图 接触电势：是指两热电极由于材料不同而 具有不同的自由电子密度，而热电极接点 接触面处就产生自由电子的扩散现象，当 达到动态平衡时，在热电极接点处便产生 一个稳定电势差。 接触电势用EAB(T)表示，其数值可用下 式表示 式中 e 单位电荷，1.602X10-19C； K波尔兹曼常数，K=1.3810-23J/K ； NA(T)、NB(T)材料A、B在温度为 T时的自由电子密度； TA、B接触点的温度，K。 结论： 1.从理论上可以证明该接触电势的大小和 方向主要取决于两种材料的性质（电子 密度）和接触面温度的高低。 2.温度越高，接触电势越大；两

4、种导体电 子密度比值越大，接触电势也越大。 2温差电势 温差电势：同一 热电极两端因温 度不同而产生的 电势。 为了分析方便，温差 电势可由下面函数差 来表示： A eA(T,To) To T 3. 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.热电偶回路热电势的大小只与组成 热电偶的材料和材料两端连接点所 处的温度有关，与热电偶丝的直径 、长度及沿程温度分布无关。 2.只有用两种不同性质的

5、材料才能 组成热电偶，相同材料组成的闭合 回路不会产生热电势。 3.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EAB(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 4.工程上所使用的各种类型的热电偶 均把E(t)和t的关系制成易于查找的 表格形式，这种表格称为热电偶的 分度表。 需要说明的几个问题： 1.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

6、负极性之分。 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，对保证热电 偶正确测量温度至关重要。 1均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路中，不论其截面和 长度如何以及沿长度方向上各处的温度分布如何，都不 能产生热电势。反之，如果回路中有热电势存在则材料 必为非均质的. 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 在热电偶回路中接入第三种导体，只要 第三种导体两端温度相同，该导体的引入对 热电偶回路的总电势没有影响。 引出结论：热电

7、偶回路中接入多种导体后， 只要保证接入的每种导体的两端温度相同， 则对热电偶的热电势没有影响。 T2 T1 A a B C23 EAB A T0 2 3 A B EAB T1 T2 C T0 (a) (b) T0T0 第三种材料 接入热电偶 回路图 应用： 该定律表明热电偶回路中可接入各 种仪表或连接导线。只要仪表或导线处 于稳定的环境温度，原热电偶回路的热 电势将不受接入仪表或导线的影响。 E T0 T0 T E T0 T1 T1 T 3中间温度定律 热电偶回路中，两接点温度分别为T、T0 时的热电势，等于接点温度为T、TN和TN、 T0的两支同性质热电偶的热电势的代数和。 EAB(T,T0

8、)=EAB(T,TN)+EAB(TN,T0) 作用：该定律为制定和使用热电偶的热电势- 温度关系即分度表奠定了理论基础。 B B A Tn T T0 A A B 4.热电偶分度表 不同材料制成的热电偶在相同温度下产生 的热电势是不同的,可在分度表中查得,分 度表中数据都是以t0=0的条件下进行分 度的,配套使用的仪表也是以冷端为0进 行刻度的,如实际测温时, t0不是0,则热 电势与温度间的关系可按下式进行计算: 做一做 1用镍铬-镍硅K型热电偶测炉温，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33.31mV，求炉子 的真实温度。 解： E(t,30)= 33.31m

9、V 由K型热电偶分度表查出 E(30,0)=1.20mV E(t,0) E(t,30)+ E(30,0)= 34.51mV 再通过分度表查出其对应的实际温度为 ：t=830 某只铂铑10铂（S型）热电偶测温，冷 端温度30，测得回路热电势为7.385mV ，求被测介质温度。 E(t,30)=7.385mV E(30,0)=0.173mV 根据中间温度定律： E(t,0)= E(t,30)+ E(30,0)=7.531 mV 查表t=820 5.热电偶冷端温度的修正和处理方法 为什么要对热电偶进行参考端的温度处理？ 答：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

10、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。 公式修正法（校正法） 恒温箱法（冰浴法） 冷端集中补偿方法 补偿导线法 补偿电桥法 1.公式修正法 当用补偿导线把热电偶的冷端延 长到某一温度T0处（通常是环境温度 ），然后再对冷端温度进行修正。 三个步骤：测温，查表，计算查表 EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0) 做一做 1用镍铬-镍硅K型热电偶测炉温，当冷端温度 为30 (且为恒定时)，测出

11、热端温度为t时的热 电动势为33.31mV，求炉子的真实温度。 解： E(t,30)= 33.31mV 由K型热电偶分度表查出E(30,0)=1.20mV E(t,0) E(t,30)+ E(30,0)= 34.51mV 再通过分度表查出其对应的实际温度为： t=830 思考：采用直接用测得电势查分度表得到温度 值，再加上30 ,计算得到炉温的方法对不对 ？为什么？ 某只铂铑10铂（S型）热电偶测温，冷 端温度30，测得回路热电势为7.385mV ，求被测介质温度。 E(t,30)=7.385mV E(30,0)=0.173mV 根据中间温度定律： E(t,0)= E(t,30)+ E(30,

12、0)=7.531 mV 查表t=820 2.恒温箱法（冰浴法） （1）把冷端引至冰点槽内，维持冷 端始终为0，但使用起来不大方便 。 mV B B T C 仪表 铜导线 试管 补偿导线 热电偶 冰点槽 冰水溶液 T0 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 共存，一般限于实验室精确测温或热电偶 检定时使用。 3.冷端集中补偿方法 冷端连接到数据采集设备上，利用计 算机查表计算。 一般计算机数据采集时一个设备上连 接的热电偶是同型号的。 图2-21 计算机数据采集系统热电偶冷端集中补偿方法 u原理：在一定温度范围内，与配用热电偶的热电 特性相同的一对带有绝缘层

13、的廉金属导线为补偿 导线。 补偿导线 补偿导线 4.补偿导线法 u按照补偿原理分为补偿型及延伸型两种 补偿导线 u按使用温度可分为一般用（0100） 和耐热用（0200） 补偿导线使用须注意事项如下： 各种补偿导线只能与相应型号的热电偶匹配使 用； 补偿导线与热电偶连接点的温度，不得超过规 定的使用温度范围； 补偿导线的正负要和热电偶正负相连。 由于补偿导线与电极材料通常并不完全相同， 因此两连接点温度必须相同； 在需高精度测温场合，处理测量结果时应加上 补偿导线的修正值，以保证测量精度。 1. 热电偶结构 普通型、铠装 型和薄膜型 普通型： （1）热电极 （2）绝缘套管 （3）保护套管 （4

14、）接线盒 三、常用热电偶的材料及特点 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。 优点：1、热惰性小反应迅速；2、具有良 好的机械性能，可耐强烈的振动和冲击； 3、除热电阻头部外，其它部分可以任意 弯曲，适宜于安装在结构复杂的设备上进 行测温；4、其电阻体由金属套管和绝缘 材料覆盖，不易受到有害介质的腐蚀，使 用寿命长。 缺点：耐高温的性能很差。 铠装热电偶图型 WRTK2-434/8*1000mm 铠装固定卡套法兰热电偶 WRSK-143/6*1000mm Gh3030 铠装防爆热电偶 WRNK-332/4*

15、1000mm Gh2520 铠装可动卡套螺纹热电偶 2. 分类 （1）廉价金属热电偶 1）T型（铜康铜）热电偶，测温范围-200-350 2）K型（镍铬镍铝或镍硅）热电偶，范围-200- 1100 3）E型（镍铬康铜）热电偶，上限1000 4）J型（铁康铜）热电偶 5）镍铬考铜热电偶 （2）贵金属热电偶 1）S型（铂铑10铂）热电偶 2）R型（铂铑13铂）热电偶 3）B型（铂铑30铂铑6）热电偶 4）铱铑热电偶 1铂铂铑热电偶(S型) 测量温度：长期：1300、短期：1600。 标准化热电偶 2镍铬镍硅(镍铝)热电偶(K型) 测量温度：长期1000，短期1300。 3镍铬考铜热电偶(E型) 测量温度：长期600，短期800。 4铂铑30铂铑6热电偶(B型) 测量温度：长期可到1600，短期可达1800。 （二）热电偶的使用与安装 1. 使用注意事项：测温范围，正负极性， 热偶与仪表配套否等。 2. 安装原则 热电偶热电偶 小结 1热电偶测温原理。 将两种不同性质的一端焊接起来，即构成 一支热电偶。当热电偶的两端温度不同时 ，在热电偶回路中将产生热电势；如果冷 端温度恒定，则热电势只与热端温度有关 。因此测出热电势，即可测得热端温度。 2热电偶的基本定律。 均质导体定律、中间导体定律和中间温度 定律为制造和使用热电偶奠定了理论基础 。 热电阻温度计 WZP2