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1、热工测量及仪表,主讲教师：朱红霞,Email：,2-3 热电偶温度计 Thermocouple Thermometer,热电偶测温原理,冷端温度补偿问题,热电偶的校验,热电偶的基本定律,常用热电偶的种类,热电偶的构造,概述,1）热电偶是应用最普遍、最广泛的温度测量元件。 2）既可用于流体温度测量也可用于固体温度测量，既可以检测静态温度也能测量动态温度。 3）在火电厂中，主蒸汽、过热器管壁与高温烟气等的温度都是采用热电偶测量的。,4）热电偶一般用于测量1001600范围内温度，用特殊材料制成的热电偶还可测更高或更低的温度； 5）热电偶将感受到的温度信号直接转换成电势信号输出，便于测量、信号传输、
2、自动记录和控制等。,一、热电偶测温原理,热电偶由两根不同材料的导体焊接或绞接而成。,先看一个实验热电偶工作原理演示,A,B,A,B,从实验到理论：,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，指针的偏转角反而减小（又说明什么？） 。,将两种不同材料的导体组成一个闭合回路，如果两端接点的温度不同，回路中将产生电势，称为热电势。这个物理现象称为热电效应 或塞贝克效应。,热电效应,热电势 接触电势 + 温差电势,冷端 （自由端） （参考端）,热电极A/B,热端 （工
3、作端） （测量端）,热电流,A,B,E AB( T ),接触电势,结点产生热电势的微观解释,接触电势 （帕尔帖电势） 它是在两种电子密度N 不相等的均质导体(或半导休)相接触时形成的。 扩散现象 数量级在10-110-3V,帕尔帖电势,汤姆逊电势,温差电势 （汤姆逊电势） 同一均质导体因两端温度不同而形成的电势。,热电偶的热电势（赛贝克电势）,或,当热电偶材料确定后，总热电势与温度t和t0有关,则测得热电势的大小，就可求得热端温度t的数值,若冷端温度t0保持不变，则总热电势只与t有关,热电偶测温系统,几点说明： 热电偶热电势量EAB(t，t0)是温度函数之差，不是温度差（tt0）的函数。,EA
4、B(t，t0) EBA(t，t0) EAB(t0，t) 热电势符号EAB(t，t0)中，改变符号A与B或t与t0的顺序，即改变热电势的方向。,当冷端t0处将热电偶脱开时，热电极A将流出电流，故称A为正热电极，B为负热电极。 这是判断热电偶正或负电极的方法。,热端:电流从负极流向正极,二、热电偶基本定律,均质导体定律 中间导体定律 中间温度定律,1、均质导体定律,由一种均质导体(或半导体)组成的闭合回路，不论导体(或半导体)的截面和长度如何，各处的温度分布如何，都不能产生热电势。,材料内部电子密度处处相等的导体,推论：,1）热电偶必须由两种不同性质的材料组成。,2）由一种材料组成的闭合回路存在温
5、差时，回路如产生热电势，说明该材料不纯，是 不均匀的。据此，可以检查热电极材料的 均匀性。,2、中间导体定律,由不同材料组成的闭合回路中，若各种材料接触点的温度都相同，则回路中热电势的总和等于零。,推论一： 在热电偶回路中接入第三种(或更多种) 导体材料，只要接入的导体材料两端的温度相同，则对热电偶回路的热电势不产生影响。,根据中间导体定律，当温度t = t0时，回路中总热电势为零。,为测量仪表接入热电偶A、B回路，组成热电偶测温系统来测量热电势提供了理论基础。 开路热电偶的使用（金属壁面、液态金属）,中间导体定律的应用一：,推论二： 如果两种导体A、B对另一种参考导体C的热电势为已知，则这两
6、种导体组成热电偶的热电势是它们对参考导体热电势的代数和。即 EAB(t1, t2)= EAC(t1, t2)+ ECB (t1, t2),中间导体定律推论二简化了热电偶的选配工作。,中间导体定律的应用二：,接点温度为t1和t2的热电偶，它的热电势 等于接点温度分别为t1，t3和t3，t2的两支同性质热电偶的热电势的代数和。即 EAB(t1, t2)= EAB(t1, t3)+ EAB (t3, t2),3、中间温度定律,已知热电偶在某一给定冷端温度（t0）下进行的分度，只要进行一些简单的计算，就可以在另外的冷端温度（t1）下使用。,为制定热电偶的热电势温度关系分度表奠定了理论基础。,中间温度定
7、律的应用一：,比较查出的3个热电势，判断热电势与温度的关系是否为线性？,热电偶的热电势E（t，t0）与温度t的关系热电特性,冷端t0为0时，将热电偶热电特性（Et）制成的表分度表,实际测量时，冷端t0为往往为环境温度。 如t020时，测得 EAB(t，20)，要求 t？,根据中间温度定律有 EAB(t，0) EAB(t，20) EAB(20，0),解：查表得EK(25，0)1mV, 则 EK (t，0) EK (t，25) EK (25，0) 18.537mV 查分度表求得 t =450.5 。 如果用EK(t，25)17.537mV直接查表，则得t=427 ，显然误差是很大的。,例：一支镍铬
8、镍硅热电偶，在冷端温度为室温25时，测得热电势EK(t，25)17.537mV，试求热电偶所测的实际温度 t？,和热电偶具有相同热电性质的补偿导线可引入热电偶的回路中，相当于把热电偶延长而不影响热电偶应有的热电势。,为工业测温中应用补偿导线提供了理论依据。,中间温度定律的应用二：,如：铂铑-铂热电偶 补偿导线：铜-铜镍,热电偶的补偿导线： 延伸型、补偿型两种 结构与电缆一样。 延伸型补偿导线的材料与相应的热电偶相同，准确度略低。 补偿型补偿导线材料与对应的热电偶不同，用贱金属制成，低温下它们的热电性质相同。,注意： 补偿导线应该与热电偶配套使用； 连接时极性不可接错: 正极-红色（P）,负极-
9、其它色（N） 补偿型补偿导线，必须保证它与热电偶连接的两个接点温度一致。,EAB(t，t0) EAB(t，t0) EAB(t0，t0) EAB(t，t0) ECD(t0，t0),补偿导线C、D 与热电偶A、B 配接，将热电偶的冷端由t0移到t0处。,补偿导线外形,A,B,屏蔽层,保护层,课堂练习,1、已知K分度号（镍铬镍硅）热电偶的热电势EK(100，0)4.095mV， EK(20，0)0.798mV，EK(30，20)0.405mV。 试求 EK(30，0)、 EK(100，20)、 EK(100，30)。,2、应用热电偶定律，试求三种热电极组成回路的总电势值，并指出其电流方向。,三、常用
10、热电偶的种类,（1）在使用温度范围内，物理、化学性能稳定； （2）热电势和热电势率大，Et是单值函数关系，最好呈线性关系； （3）电导率高，电阻温度系数小； （4）热电性能稳定，易复现，同类热电偶互换性好； （5）具有一定的机械强度；加工方便，价格便宜。,热电极材料要求：,1)定义：是指生产工艺成熟、成批生产、性能优越并已列入工业标准文件中的热电偶。 2）特点：发展早、性能稳定、应用广泛，具有统一的分度表，可以互换，并有与其配套的显示仪表可供使用，十分方便。 3）规定：国际电工委员会(IEC)在1975年推荐7种标准化热电偶，在1986年又推荐了一种。我国目前共采用八种标准热电偶。,标准化热电
11、偶：,标准化热电偶： （1）铂铑10-铂（S）； （2）铂铑30-铂铑6 （B）； （3）铂铑13-铂 （R）； （4）镍铬-镍硅(镍铬-镍铝) （K）； （5）铜-铜镍(康铜) （T）； （6）镍铬-康铜（E）； （7）铁-康铜 （J）； （8）镍铬-金铁热偶以及铜-金铁热偶。,铂铑10-铂（S型）,偶丝直径：0.50.020 mm； 适用范围： 01100，11001600； 适用于氧化性气氛中测温;长期最高使用温度为1300,短期最高使用温度1600，不推荐在还原气氛中使用,短期内可用于真空中测温 特点：复制性好、测量精度高；价格贵、热电势小,偶丝直径：0.3、0.5、0.8、1.0、1
12、.2、1.5、2.0、2.5、3.2 mm； 适用范围： 2001300 ；用于氧化和中性气氛中测温,不推荐在还原气氛中使用,可短期在还原气氛中使用,但必须外加密封保护管。 特点：测温范围较宽、热电势较大、Et线性度好、价格适中；但长期使用后，镍铝氧化变质使热电特性改变影响测量精确度。,镍铬-镍硅（镍铝）（K型）,偶丝直径：0.3、0.5、0.8、1.2、1.6、2.0、3.2 mm； 适用范围：200900；适用氧化或弱还原性气氛中测温 特点：输出的热电势大,灵敏度高（常用热电偶中，每摄氏度对应的热电势最高） ，价格低廉，适合在0以下测温。,镍铬康铜（E型）,3种热电偶的测温范围与热电势各有
13、什么特点？,普通型热电偶 铠装热电偶（套管热电偶） 薄膜热电偶,四、热电偶的构造及结构形式,（1）普通型热电偶：,1-热电极; 2-绝缘管; 3-保护套管; 4-接线盒,普通装配型 热电偶的结构图,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,热电极： 直径：贵金属一般为0.30.65mm； 贱金属一般为0.53.2mm。 长度：一般为3502000mm。,a点焊； b对焊； c绞状点焊,绝缘管：防止两根热电极短路。 低温下：橡胶、塑料 高温下：氧化铝、陶瓷等,a：无固定装置 b：带加强管且无固定装置 c：固定螺纹,d：固定法兰 e：活动法兰,保护套管
14、：防止热电极遭受化学和机械损伤.,f：高压用锥形固定螺纹 g：高压焊接固定锥形 h：900套管,普通式、防溅式、防水式、隔爆式和插座式,接线盒内有接线端子，可供热电极和补偿导线连接之用。,接线盒：,普通装配型 热电偶的外形,安装螺纹,安装法兰,隔爆型热电偶外形,厚壁保护管,压铸的接线盒,（2）铠装热电偶（套管热电偶）：,是由热电极、绝缘材料和金属套管三者组合 经拉伸加工而成的坚实组合体。,特点：动态响应快，机械强度高，耐高压、耐冲击。适用于狭小管道内的温度测量。,铠装型热电偶外形,法兰,铠装型热电偶可 长达上百米,铠装型热电偶横截面,（3）薄膜热电偶：,铁镍薄膜热电偶,1：热端接点；2：衬架；
15、 3：铁膜；4：镍膜； 5：铁丝；6：镍丝； 7：接头夹具,制作：用真空蒸镀等方法使两种热电极材料(金属)蒸镀到绝缘基板上，二者牢固地结合在一起，形成薄膜状热接点。,特点： 动态响应快，精确度高可以用来测变化极快的表面温度和点的温度；,1. 冰点法 2. 计算法 (冷端温度校正法) 3. 补偿导线法 4. 仪表机械零点调整法 5. 补偿电桥法（冷端温度补偿器）,五、热电偶的冷端温度补偿问题,特点： 实现方便、测量准确；但只局限于实验室，不利于在线测量。,1. 冰点法 将热电偶冷端置于冰点恒温槽中,使冷端温度恒定在0时进行测温。,E(t，0) E(t， t0) E(t0 ，0) 根据计算得到的热
16、电势E(t，0)，通过查分度表可得被测温度值。,2.计算法 (冷端温度校正法),例 ：用镍铬-镍铝热电偶(分度号K）测温，热电偶冷端温度t0=34，测得热电势为38.339mV 。 计算被测温度t 。,解： EK (t，0) EK (t，34) EK (34，0) 38. 339 1.3666 39.7056 mV,3.补偿导线法,在一定范围内(0100)，补偿导线具有和所连接的热电偶相同的热电性能。,注意事项： 补偿导线仅将热电偶冷端延长到温度相对恒定的地方，如果这地方温度不是0，尚须继续进行其冷端温度补偿。 热电偶正、负极必须与补偿导线正、负极相接，不能错接；两者分度号必须致。 补偿导线应工作在100以下，否则其热电特性将不符合热电偶要求。,
