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1、温度传感器温度传感器 1 热电偶传感器 2 3 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。 特点：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。另外，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。 4 热电偶（thermocouple）是温度测量仪表中常 用的测温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换 成热电动势信号，通过电气仪表（二次仪表）转换成 被测介质的温度。 热电偶仪器仪表 5 热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质 导体组成闭合回路，当两
2、端存在温度差时，回路中 就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势。 铜丝 铁丝 6 0.00 7 0.11 8 -0.11 9 10 热电偶测温原理 1.热电效应 两种不同材料的导体组成一个闭合回路时，若 两接点温度不同，则在该回路中会产生电动势 。这种现象称为热电效应，该电动势称为热电 势。 11 12 热电偶回路 热电偶回路产生的热电动势由接触电动势和温差电 动势两部分组成。 当 A，B 两种不同导体接触时，两种金属A、B的自由电 子密度不同分别为nA和nB （设nAnB）。当两种金属相接时 ，将产生自由电子的扩散现象。 达到动态平衡时，在A、B之间形成稳定的电位差，即接 触电势eAB(t
3、) 。 两种导体的接触电势示意图 13 两种导体的接触电势 14 接触电动势的大小与接点处温度高低和导体 的电子密度有关。 温度越高， 接触电动势越大；两种导体电子 密度的比值越大，接触电动势越大。 单一导体的温差电势 对于单一导体，如果两端温度分别为T、 TO，且TTO。 单一导体温差电势示意图 导体中的自由电子，在 高温端具有较大的动能，因 而向低温端扩散，在导体两 端产生了电势。 15 热电偶回路总热电势： EAB(T,TO)=eAB(T)+eB(T,TO)-eAB(TO)-eA(T,TO) 式中： eAB(T): 热端接触电势； eB(T,TO): B导体温差电势； eAB(TO):
4、冷端接触电势； eA(T,TO): A导体温差电势。 16 在总电势中，温差电势比接触电势小很多，可忽略不 计，则热电偶的热电势可表示为 EAB(T,TO)=eAB(T)-eAB(TO) 显然， 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。 17 当热电偶两电极材料确定后，热电动势便只是两接点温 度的函数。 当参考端温度TO恒定时，EAB(TO)=c为常数，则总的热电势 就只与温度T有关系，即： EAB(T,TO)=eAB(T)- c =f(T) 18 实际应用时可通过热电偶分度表查出温度值。分度表是 在参考端温度为00C时，通过实验建立的热电势与工作端温 度之间的数值对应关系。
5、 EAB(T,TO)=eAB(T)-eAB(TO) 19 20 21 可见当冷端温度 t 0 恒定时， 热电偶产生的热电动势只 与热端的温度有关， 即只要测得热电动势，便可确定热端 的温度 t。由此得到有关热电偶的几个结论： （1）热电偶必须采用两种不同材料作为电极，否则无论导 体截面如何、温度分布如何，回路中的总热电动势恒为零 。 （2）若热电偶两接点温度相同，尽管采用了两种不同的金 属，回路总电动势恒为零。 （3）热电偶回路总热电动势的大小只与材料和接点温度有 关，与热电偶的尺寸、形状无关。 EAB(T,TO)=eAB(T)-eAB(TO) 没有小结的小结 热电偶的热电动势与温度的关系表，
6、称之为分 度表。 热电偶（包括后面要介绍的金属热电阻及测量 仪表）分度表是IEC（国际电工委员会）发表的相关 技术标准（国际温标）。 该标准以表格的形式规定各种热电偶/阻在 -2712300每一个温度点上的输出电动势（ 参考端温度为0）。 22 分度表 23 非标准化热电偶： 在使用范围或数量级上均不 及标准化热电偶， 一般也没有统一的分度表，主要 用于某些特殊场合的测量。 标准化热电偶： 热电偶和热电阻全部按 IEC 国 际标准生产。 标准化热电偶/阻命名统一代号，称为分 度号。 我国指定S、B、E、K、R、J、T七种标准 化热电偶为我国统一设计型热电偶。 24 常用的4种标准化热电偶丝材料
7、为 铂铑10铂、铂铑30铂铑6、镍铬铜镍、镍铬镍硅 （我国通常称为镍铬康铜）。 组成热电偶的两种材料，写在前面的为正极，写在 后面的为负极。 1）铂铑10铂热电偶（分度号为S，也称为单铂铑热 电偶） 特点是性能稳定，精度高，范围较大、抗氧化性 强，长期使用温度可达1000，成本较高，热电动 势较弱。 2）铂铑13铂热电偶（分度号为R，也称为单铂铑热 电偶） 同S型相比，它的热电动势率大15%左右，其它性 能几乎相同。 25 标准化热电偶材料和种类 3）铂铑30铂铑6热电偶（分度号为B，也称为双铂 铑热电偶） 在室温下，其热电动势很小，故在测量时一般 不用补偿导线，可忽略冷端温度变化的影响。 长
8、期使用温度为1600，短期为1800，因热 电动势较小，故需配用灵敏度较高的显示仪表 。 即使在还原气氛下，其寿命也是R或S型的10 20倍。缺点是价格昂贵。 26 4）镍铬镍硅（镍铝）热电偶（分度号为K） 是抗氧化性较强的贱金属热电偶，可测量0 1300温度。 热电动势与温度的关系近似线性、价格便宜、热 电动势大，是目前用量最大的热电偶。 5）铜铜镍热电偶（分度号为T） 价格便宜，使用温度是-200350。 27 6）铁铜镍热电偶（分度号为J） 价格便宜，适用于真空、氧化或惰性气氛中，温 度范围为-200800。 7）镍铬铜镍热电偶（分度号为E） 是一种较新的产品，裸露式结构无保护管，价格
9、比较便宜，在常用的热电偶中，其热电动势最大。 适用于0600温度范围。 28 29 30 热电偶的结构形式和标准化热电偶 1.普通型热电偶 普通型热电偶一般由热电极、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。 31 凡是在两个平面在周边使用螺栓连接同时封闭的连接零件，一般都称为“法兰”。 32 33 绝缘套管： 热电偶的工作端被焊接在一起，热电极之间 需要用绝缘套管保护。 通常测量温度在1000以下选用粘土质绝缘 套管， 在1300以下选用高铝绝缘套管， 在1600以下选用刚玉绝缘套管。 34 保
10、护管： 保护管的作用是使热电偶电极不直接与被测介 质接触。 它不仅可延长热电偶的寿命， 还可起到支撑和固定热电极，增加其强度的作 用。 材料主要有金属和非金属两类。 35 2.铠装热电偶（缆式热电偶） 铠装热电偶也称缆式热电偶，是将热电偶丝 与电熔氧化镁绝缘物溶铸在一起，外表再套不 锈钢管等构成。 这种热电偶能弯曲、耐高压、反应时间短、 坚固耐用。 36 37 1-热电极;2-绝缘材料;3-金属套管;4-接线盒;5-固定装置 铠装热电偶示意图 38 3.薄膜热电偶 用真空镀膜技术或真空溅射等方法，将热电偶 材料沉积在绝缘片表面而构成的热电偶称为薄膜 热电偶。 适用于对壁面温度的快速测量。 薄膜
11、热电偶示意图 39 （0.010.1m） 40 热电偶选型依据 热电偶选型依据 热电偶型号如何选定及注意事项 热电偶选型关注点通常为：型号、分度号、防爆等级、 精度等级、装固定形式、保护管材质、长度或插入深度等， 同时，在选型时应注意一下几个方面： （1）热电偶的测量精度和温度测量范围； （2）热电偶的耐久性及热响应时间； （3）热电偶的使用环境； （4）测量介质的情况； （5）参考相关技术标准要求进行选型； 42 （1）热电偶的测量精度和温度测量范围，测量温度高于 1800时，通常选用钨铼热电偶； u在13001800之间，要求精度又比较高时，一般选 用 B 型热电偶； u使用温度在1000
12、1300要求精度又比较高可用 S 型 热电偶和 N 型热电偶； u在 1000以下一般用 K 型热电偶和 N 型热电偶； u低于 400一般用 E 型热电偶； u0-250测量一般用 T 型电偶，在低温时 T 型热电偶稳 定而且精度高。 上述选型仅仅考虑了测量温度范围和测量精度，最终选 型还应该综合考虑其他因素。 43 （2）热电偶的耐久性及热响应时间。通常线径大的热电 偶耐久性好，但是热电偶热响就会长。对于热容量大的热 电偶，响应较慢，测量梯度大的温度时；因而，作为温度 控制应用时，控制响应速度较慢，控温效果较差。 如果应用对耐久性和热响应时间有较高的要求，推荐 选用铠装热电偶，它具有安装简
13、单、精度高、测量范围大 、经济效益好等很多优点。 44 （3）热电偶的使用环境。如果热电偶保护管密 封性能比较好，当然就对这方面不太有要求。一 般来说 B 型、S 型、K 型热电偶适合于强的氧化 和弱的还原气氛中使用，J 型和 T型热电偶适合 于弱氧化和还原气氛环境中 相关的技术标准 GB 26786-2011工业热电偶和热电阻隔爆技术条件 GB/T 4990-2010热电偶用补偿导线合金丝 GB/T 2904-2010镍铬-金铁、铜-金铁低温热电偶丝 GB/T 2614-2010镍铬-镍硅热电偶丝 GB/T 4993-2010镍铬-铜镍(康铜)热电偶丝 GB/T 18034-2000微型热电
14、偶用铂铑细偶丝规范 GB/T 17615-1998镍铬硅-镍硅镁热电偶丝 GB/T 2903-1998铜-铜镍(康铜)热电偶丝 GB/T 4994-1998铁-铜镍(康铜)热电偶丝 GB/T 16839.1-1997热电偶 第1部分:分度表 GB/T 16839.2-1997热电偶 第2部分:允差 GB/T 4989-1994热电偶用补偿导线 JB/T 9283-1993工业热电偶技术条件 46 47 热电偶参数分析及选型（例） 在陶瓷产品的烧制过程中，温度的控制极其重要。传统 的陶瓷烧制，会有一个专门的掌火师傅负责整个陶瓷烧制过程 温度的控制。这种掌火师傅往往需要几十年才能培养出一个， 这不
15、仅需要经验的积累，更需要天赋。现代，即使在景德镇， 这种传统掌火师傅已经寥寥无几。现代工艺的陶瓷烧制都是靠 先进的自动化设备来进行控温。这些设备通过测量外炉壁的温 度来能判断炉内温度。陶瓷烧制炉外炉壁的表面温度大概为几 十摄氏度到1000之间。 （选择一款热电偶温度传感器测量陶瓷烧制外炉壁表面温 度。） 49 50 查阅相关资料，WRN-122 镍铬-镍硅 K 型热电偶的测量温度范围 0至 1100，允许误差 2.5或 0.75%t，价格 400 元，适合于强 的氧化和弱的还原气氛中使用， 该热电偶性能特点符合陶瓷烧制炉外炉 壁的测温要求， 且价格便宜。所以确定选型的热电偶为 WRN-122。
16、 51 热电偶温度检测电路搭建 52 由于从热电偶输出的信号最多不过几十毫伏， 因此 这种电路放大就需要放大电路具有很高的共模抑制比以及 高增益、低噪声和高输入阻抗，因此宜采用放大电路。 热电偶温度检测电路分析 53 54 在设计中，采用镍铬-镍铝合金线，补偿电阻采用镍铜 测量温度范围 0250的加热炉炉温。从 K 型热电偶的 温度表中得知，热电偶 250时输出电压为 10.151mV。 计算可得： 该 K 型热电偶在 0到 250输出电压变化为： v=10.151-0=10.151 mV 要求经过检测电路后输出电压为 0V 到 2.5V： v=2.5-=2.5 V 则放大倍数：A=2.5V/10.151mV=246 55 R3=1K、RG=20K、R2=1K、R1=123K 56
