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1、6.3 热电偶传感器6.3.1 热电偶测温原理热电偶测温原理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6.3.8热电偶非线性补偿与应用6.3.1 热电偶测温原理热电偶：由两种不同的金属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 。因而就有电流产生。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。图6.3.1 热电偶T热端T0冷端（自由端或参比端）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NB金
2、属电极B的自由电子密度接触电势（帕尔帖电势）图6.3.2 热电偶的接触电势2. 温差电势 汤姆逊系数，它表示温差为1时所产生的 电动势值，它与材料的性质有关。 温差电势（汤姆逊电势） 图6.3.3 热电偶的温差电势3. 热电偶回路的总热电势 图6.3.3 热电偶回路的总热电势的方向和大小TT0热电极A和B为同一种材料时，NA=NB, A=B，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。 热电势是T和T0的温度函数的差。当T0=0时，f (T0)=c，热电势
3、是温度的函数，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。 （6.3.4）据此可制分度表，如附录A所示(6.3.5)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6.3.8热电偶非线性补偿与应用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1
4、. 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。当然回路中不会有电流产生 。这一定律说明：热电偶必须采用两种不用材料的导体组成；且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。2. 中间导体定律在热电偶回路中接入与A、B电极不同的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。图6.3.53种导体的热电偶 推而广之，在回路中接入多种 导体后，
5、只要每种导体的两端温度相同，那么对回路的总热电势无影响。例如显示仪表和连接导线C的接入就可看作是中间导体接入的情况。因而对回路总热电势没有影响。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。当A与A，B与B材料分别相同时中间温度定律中间温度定律 在补偿温度范围内，由补偿导线构成的热电偶与测温热电偶有相同的热电特性，即 EAB(T,T0) = EAB(T,T0) ,则当A与A，B与B材料分别不同时 例6.3.1 用（S型）热电偶测量某一温度，若参比端温度Tn=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
6、表有T=830，测量端实际温度为830。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6.3.8热电偶非线性补偿与应用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T有关，而且也与冷端温度T0有关，只有当冷端温度T0恒定，才能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
7、冷端处理为。 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“”附在热电偶分度号后表示； 补偿型： 其合金丝的名义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。 表6.3.1补偿导线的型号、线芯材质和绝缘层着色P171 补偿导补偿导线
8、型号线型号配用热电偶配用热电偶补偿导线的线芯材料补偿导线的线芯材料绝缘层着色绝缘层着色正极正极负极负极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（0100）；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；补偿导线正、负极需分
9、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。 如果T0=0，则可得到完全补偿。当T0 0，再利用上述方法进行修正。冷端温度补偿线路图2. 热电偶冷端温度恒温法（冰浴法）适用于实验室中的精确测量和检定热电偶时使用。图6.3.7 冷端处理用冰点槽法3. 计算修正法 在实际应用中，热电偶的参比端往往不是0C，而是环境温度T1，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
10、。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 。图6.3.9 冷端补偿器的原理图 R1、 R2、 R3由电阻温度系数很小的锰铜丝绕制，其值不随温度变化； RCu此热电阻由电阻温度系数较大的铜丝绕制。 Rcu必须和热电偶的冷端处于同一温度下。当t0=时，Rcu= R1= R2= R3，Uba=0，U = EAB(T，0) ；当t0时，EAB(T，T0) 、 Rcu Uba0，U = EAB(T，T0) +Uba，起到了补偿作用，相当于把热电偶冷端置于，完成了热电偶冷端处理和补偿功能。6.3 热电偶传感器6.3.1 热电偶测温原理6.3.2 热
11、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6.3.8热电偶非线性补偿与应用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 。见表6.3.2。表6.3.2 标准化热电偶技术数据P174热电偶名称热电偶名称分度分度号号热电极识别热电极识别E（100,0）（mV）测温范围（测温范围（）对分度
12、表允许偏差（对分度表允许偏差（）新新极极性性识别识别长期长期短期短期等等级级使用温度使用温度允差允差铂铑10-铂S正亮白较硬0.6460130016006001.5负亮白柔软6000.25%t铂铑13-铂R正较硬0.6470130016006001.5负柔软11000.25%t铂铑30-铂铑B正较硬0.0330160018006009004负稍软8000.5%t镍铬-镍硅K正不亲磁4.096012001300-4013002.5或0.75%t负稍亲磁-200402.5或1.5%t镍铬硅-镍硅N正不亲磁2.774-20012001300-4011001.5或0.4%t负稍亲磁-4013002.5
13、或0.75%t镍铬-康铜E正暗绿6.319-200760850-409002.5或0.75%t负亮黄-200402.5或1.5%t铜-康铜T正红色4.279-200350400-403501或0.75%t负银白色-200401或1.5%t铁-康铜J正亲磁5.269-40600750-407502.5或0.75%t负不亲磁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
14、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。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，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050范围内热电势小于3V。缺点：热电率较小，灵敏度低，高温下机
15、械强度下降，抗污染能力差，贵金属材料昂贵。3. 镍铬-镍硅热电偶（K型） 使用量最大的廉价金属热电偶，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-2001300。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。缺点： K型热电偶不能在高温下直接用于还原性或还原、氧化交替的气氛中，也不能用于真空中。4. 镍铬-铜镍热电偶（E型） 又称为镍铬-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，名义化学成分与KP相
16、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。优点： 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。缺点： 不能在高温下用于硫、还原性气氛中。 标准化热电偶热电势和温度的关系 图6.3.10 标准化热电偶热电势和温度的关系 表6.3.3 标准化热电偶的特性P175热电偶种类热电偶种类优点优点缺点缺点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
17、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
18、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6.3.8热电偶非线性补偿与应用6.3.5 非标准化热电偶 用非标准化热电偶能够进一步扩展高、低温的测量范围。由于对这一类热电偶的研究还不够成熟，虽然已经有产品，且能够使用，但还没有统一的分度表，使用前需个别标定，以确定热电势和温度之间的关系。几种主要的非标准化热电偶材料、测温范围和特性见表6.3.4。 名
19、称名称热电极材料热电极材料使用温度使用温度范围范围()过热使用温过热使用温度度范围范围()特征特征正极正极负极负极钨莱系WRe5、WRe3WRe26、WRe25023003000适用于还原性、H2及惰性气体。质脆铂铑系PtRh20、PtRh40PtRh5、PtRh2030015001100160018001800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、IrIrRh40、IrRh50、IrRh60110020002100适用于真空、惰性气体及微氧化性气氛。质脆镍钼系NiNiMo1801280/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0110013
20、00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0300K/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140K/热电动势小，受磁场影响表6.3.4非标准化热电偶的性能P175 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 热电偶结构型式热电偶结构型式6.3.7 热电偶安装注意事项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
21、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接线盒图6.3.11 普通型装配式热电偶结构示意图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。图6.3.12 铠装热电偶热端结构a.双芯碰底型b.双芯不碰底型c.双芯露头型d.双芯帽型1金属套管2绝缘材料3热电极由热电偶丝、绝缘材料、金属套管三者拉细组合而成3
22、.薄膜热电偶薄膜热电偶 用真空镀膜的方法，将热电极材料沉积在绝缘基板上而制成的热电偶，其结构如图6.3.13所示。 这种热电偶的热接点可以做的很小。 测量端的热惯性很小，反应快，可以用来测量瞬变的表面温度和微小面积上的温度。图6.3.13薄膜热电偶示意图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热电偶安装注意事项6.3.8热电偶非线性补偿与应用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
23、套管的测量端超过管道中心线510mm。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。End the 6.3管道内温度测量热电偶安装示意图如图6.3.14所示。图6.3.14 热电偶安装图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6.3.86.3.8热电偶非线性补偿与应用热电偶非线性补偿与应用
24、6.3.86.3.8热电偶非线性补偿与应用热电偶非线性补偿与应用 由图6.3.10所示，除E型热电偶E-T曲线线性较好以外，热电偶的热电势与温度之间呈非线性关系。热电偶的非线性处理硬件电子线路补偿法软件查表法和曲线拟合法1.热电偶非线性补偿图6.3.15 热电偶测温硬件线性化原理框图电子线路补偿法：电子线路补偿法：热电偶放大器线性化器tEtUUO（a）开环补偿法Et与t是非线性关系U与Et是线性关系Uo与t仍然是线性关系Uo与U的关系为 根据U与Uo的非线性关系设计线性化器，可得到Uo与t呈线性化关系。例：设铂热电阻在0 t 650： 热电偶放大器线性化器tEtUfUOu-图6.3.15 热电
25、偶测温硬件线性化原理框图Et与t是非线性关系Uo与u是线性关系Uo与t仍然是线性关系Uf与Uo的关系为（b）闭环补偿法查表法和曲线拟合法：查表法和曲线拟合法： 查表法是把热电偶分度表直接存储在微机存储器中，根据测得的电动势值查表得出相应的温度值，但是这种方法占用存储空间太大，对于存储空间不大的微处理器来说很不合适。 曲线拟合法是利用热电势和温度的函数关系，通过计算得出温度值，热电势和温度的函数公式可用最小二乘法找到它们的多项式。2.热电偶测温应用(1)测量单点温度（a）普通测温线路（b）带温度补偿器的测温线路图6.3.16 热电偶测量单点温度的原理图(2)测量两点间温度差图6.3.17 热电偶
26、测量两点间温差原理图 两支型号相同的热电偶配用相同的补偿导线，并反串连接，使两热电势相减，从而测出T1和T2的温度差。(3)测量平均温度并联测平均温度优点：当部分热电偶发生断路时不会中断整个并联线路的工作。可直接按相应的分度表查对温度。缺点：当某一只热电偶烧断时，难以觉察出来。图6.3.18（a） 热电偶并联测温线路图ET串联测平均温度图6.3.18（b） 热电偶串联测温线路图ET优点：热电动势大，仪表的灵敏度增加，可立即发现有断路情况。缺点：当某一只热电偶烧断时，整个线路不能工作。(4)单片热电偶冷端补偿电路应用P179图6.3.19 用AD594的热电偶测量温度原理图(5) 热电偶炉温测量控制系统P179图6.3.20 热电偶炉温测量控制系统原理图
