熱電偶常識大全

1、第五章第五章 熱電偶熱電偶 概述概述 熱電偶測溫原理熱電偶測溫原理 熱電偶結(jié)構(gòu)熱電偶結(jié)構(gòu) 熱電偶冷端溫度補償熱電偶冷端溫度補償 工業(yè)熱電偶選用工業(yè)熱電偶選用 熱電偶主要內(nèi)容熱電偶主要內(nèi)容 概述概述 爐頂熱電偶爐頂熱電偶 概述概述 熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)于1821年由Seeback發(fā)現(xiàn)的，故又稱為賽貝克效應(yīng)。 將兩種不同材料的導(dǎo)體將兩種不同材料的導(dǎo)體A A和和B B串接成一個閉合串接成一個閉合 回路，當兩個接點溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)回路，當兩個接點溫度不同時，在回路中就會產(chǎn) 生熱電勢，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。生熱電勢，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。 測溫原理測溫原理 原理熱電效應(yīng)原理

2、熱電效應(yīng) 溫差電動勢溫差電動勢 T T TTA dTE 0 0) ,( 0 T T AB 接觸電動勢接觸電動勢 BT AT N N e KT AB TEln)( AeA(T,To) To T eA(T，T0)導(dǎo)體A兩端溫度為T、T0時形成的溫差電動勢； T，T0高低端的絕對溫度； A湯姆遜系數(shù)，表示導(dǎo)體A兩端的溫度差為1時所產(chǎn)生的溫 差電動勢，例如在0時，銅的 =2V/。 溫差電勢 dTTTe T T AA 0 ),( 0 溫差電勢原理圖 由導(dǎo)體材料A、B組成的閉合回路，其接點溫度分別為T、 T0,如果TT0，則必存在著兩個接觸電勢和兩個溫差電 勢，回路總電勢： BT AT N N e kT

3、ln 0 0 ln 0 BT AT N N e kT dT T T BA 0 )( T0T eAB(T)eAB(T0) eA(T,T0) eB(T,T0) A B 回路總電勢 ),(),()()(),( 0000 TTeTTeTeTeTTE BAABABAB NAT、NAT0導(dǎo)體A在結(jié)點溫度為T和T0時的電子密度； NBT、NBT0導(dǎo)體B在結(jié)點溫度為T和T0時的電子密度； A 、 B導(dǎo)體A和B的湯姆遜系數(shù)。 實驗和理論均以證明：熱電偶回路的熱電動勢主實驗和理論均以證明：熱電偶回路的熱電動勢主 要是由接觸電勢引起的。又由于要是由接觸電勢引起的。又由于EABEAB（T T）和）和 EABEAB（T

4、0T0）的極性相反，所以回路總電勢為：）的極性相反，所以回路總電勢為： 結(jié)論： 如果熱電偶兩材料相同，則無論接點處的溫度 如何，總電勢為零； 如果兩接點處的溫度相同，盡管A、B材料不同， 總熱電勢為零； 熱電偶產(chǎn)生的熱電勢只與材料、接點處的溫度有 關(guān)，而與材料的尺寸、幾何形狀無關(guān)； 若A、B材料確定，熱電勢EAB(T,T0)是兩接點溫度T 和T0的函數(shù)差,即如果T0保持恒定,則f(T0)=C(常數(shù)) 熱電勢EAB(T,T0)只是工作端溫度T的單值函數(shù)。 熱電偶測溫基本定律熱電偶測溫基本定律 1)1)均質(zhì)導(dǎo)體定律均質(zhì)導(dǎo)體定律 由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論導(dǎo)由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論

5、導(dǎo) 體的橫截面積、長度以及溫度分布如何均不產(chǎn)體的橫截面積、長度以及溫度分布如何均不產(chǎn) 生熱電動勢。生熱電動勢。 TT0 2)中間導(dǎo)體定律中間導(dǎo)體定律 在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只 要其兩端的溫度相等，該導(dǎo)體的接入就不會影響要其兩端的溫度相等，該導(dǎo)體的接入就不會影響 熱電偶回路的總熱電動勢。熱電偶回路的總熱電動勢。 T T0V 若三個接點的溫度均為若三個接點的溫度均為T T0 0，則回路的總熱電勢為，則回路的總熱電勢為 E EABC ABC（ （T T0 0）= E= EAB AB(T (T0 0)+ E)+ EBC BC(T (T0 0)+ E)

6、+ ECA CA(T (T0 0)=0)=0 若若A A、B B接點溫度為接點溫度為T T，其余接點溫度為，其余接點溫度為T T0 0，且，且T TT T0 0， 則回路的總熱電勢為則回路的總熱電勢為 E EABC ABC（ （T T，T T0 0）= E= EAB AB(T)+ E (T)+ EBC BC(T (T0 0)+ E)+ ECA CA(T (T0 0) ) 因為因為E EAB AB(T (T0 0)=-E)=-EBC BC(T (T0 0)+ E)+ ECA CA(T (T0 0) 所以所以 E EABC ABC（ （T T，T T0 0）= E= EAB AB(T)- E (T

7、)- EAB AB(T (T0 0) ) 3)3)標準電極定律標準電極定律 兩種導(dǎo)體兩種導(dǎo)體A,BA,B分別與參考電極分別與參考電極C C組成熱電偶，如組成熱電偶，如 果他們所產(chǎn)生的熱電動勢為已知，果他們所產(chǎn)生的熱電動勢為已知，A A和和B B兩極配對后兩極配對后 的熱電動勢可用下式求得：的熱電動勢可用下式求得： ),(),(),( 000 TTETTETTE CBACAB A B TT0= A C TT0 C B T T0 由于鉑的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、人們多采用鉑作為參考電極由于鉑的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、人們多采用鉑作為參考電極。 熱電偶測溫基本定律熱電偶測溫基本定律 4)4)連接導(dǎo)體定律與中間溫

8、度定律 如圖，接點溫度分別為T, Tn，T0，則回路總熱 電勢為 連接導(dǎo)體定律是運用補償導(dǎo)線進行溫度測量的理論 基礎(chǔ)。 當導(dǎo)體A與A、B與B的材料分別相同，則 EAB（T，Tn，T0）=EAB（T，Tn）+EAB（Tn， T0）稱為中間溫度定律，即回路總熱電勢等 于EAB（T，Tn）和EAB（Tn，T0）的代數(shù)和。 Tn稱為中間溫度。 中間溫度定律是制定分度表的理論基礎(chǔ)。 工業(yè)熱電偶工業(yè)熱電偶 工業(yè)熱電偶分度表工業(yè)熱電偶分度表 工業(yè)熱電偶分度表工業(yè)熱電偶分度表 各種熱電偶的分度表是在熱電偶冷端溫度t0 0 的條件下得到的。 分度號相同的熱電偶可以共用同一分度表、而不 同分度號的熱電偶，其電勢與

9、溫度的對應(yīng)關(guān)系是不 相同的 圖中可見熱電勢與 溫度之間并非線性關(guān) 系 分度表:熱電勢與溫 度制成標準對應(yīng)關(guān)系 表。 工業(yè)熱電偶分度表工業(yè)熱電偶分度表 熱電偶材料應(yīng)滿足： l 物理性能穩(wěn)定，熱電特性不隨時間改變； l 化學(xué)性能穩(wěn)定，以保證在不同介質(zhì)中測量時不被腐 蝕； l 熱電勢高，導(dǎo)電率高，且電阻溫度系數(shù)?。?l 便于制造； l 復(fù)現(xiàn)性好，便于成批生產(chǎn)。 熱電偶的常用材料與結(jié)構(gòu) 1鉑鉑銠熱電偶(S型) 分度號LB3 工業(yè)用熱電偶絲：0.5mm，實驗室用可更細些。 正極：鉑銠合金絲,用90鉑和10銠(重量比)冶煉而成。 負極：鉑絲。 測量溫度：長期：1300、短期：1600。 特點： n 材料性

10、能穩(wěn)定，測量準確度較高；可做成標準熱電偶 或基準熱電偶。用途：實驗室或校驗其它熱電偶。 n 測量溫度較高，一般用來測量1000以上高溫。 n 在高溫還原性氣體中（如氣體中含Co、H2等）易被侵 蝕，需要用保護套管。 n 材料屬貴金屬，成本較高。 n 熱電勢較弱。 （一）熱電偶常用材料（一）熱電偶常用材料 2鎳鉻鎳硅(鎳鋁)熱電偶(K型) 分度號EU2 工業(yè)用熱電偶絲： 1.22.5mm，實驗室用可細些。 正極：鎳鉻合金(用88.489.7鎳、910鉻，0.6 硅，0.3錳，0.40.7鈷冶煉而成)。 負極：鎳硅合金(用95.797鎳,23硅,0.40.7鈷 冶煉而成)。 測量溫度：長期1000

11、，短期1300。 特點： u 價格比較便宜，在工業(yè)上廣泛應(yīng)用。 u 高溫下抗氧化能力強，在還原性氣體和含有SO2， H2S等氣體中易被侵蝕。 u 復(fù)現(xiàn)性好，熱電勢大，但精度不如WRLB。 3鎳鉻考銅熱電偶(E型) 分度號為EA2 工業(yè)用熱電偶絲:1.22mm，實驗室用可更細些。 正極：鎳鉻合金 負極：考銅合金（用56銅，44鎳冶煉而成）。 測量溫度：長期600，短期800。 特點： l 價格比較便宜，工業(yè)上廣泛應(yīng)用。 l 在常用熱電偶中它產(chǎn)生的熱電勢最大。 l 氣體硫化物對熱電偶有腐蝕作用?？笺~易氧化變 質(zhì)，適于在還原性或中性介質(zhì)中使用。 4鉑銠30鉑銠6熱電偶(B型) 分度號為LL2 正極：

12、鉑銠合金（用70鉑，30銠冶煉而成）。 負極：鉑銠合金（用94鉑，6銠冶煉而成）。 測量溫度：長期可到1600，短期可達1800。 特點： l 材料性能穩(wěn)定，測量精度高。 l 還原性氣體中易被侵蝕。 l 低溫?zé)犭妱輼O小，冷端溫度在50以下可不加補償。 l 成本高。 幾種持殊用途的熱電偶 （1 1）銥和銥合金熱電偶）銥和銥合金熱電偶 如銥50銠銥10釕熱電偶它 能在氧化氣氛中測量高達2100的高溫。 （2 2）鎢錸熱電偶）鎢錸熱電偶 是60年代發(fā)展起來的，是目前一種 較好的高溫?zé)犭娕?，可使用在真空惰性氣體介質(zhì)或氫 氣介質(zhì)中，但高溫抗氧能力差。國產(chǎn)鎢錸-鎢錸20熱 電偶使用溫度范圍3002000分

13、度精度為1。 （3 3）金鐵）金鐵鎳鉻熱電偶鎳鉻熱電偶 主要用在低溫測量，可在 2273K范圍內(nèi)使用，靈敏度約為10V。 （4 4）鈀）鈀鉑銥鉑銥1515熱電偶熱電偶 是一種高輸出性能的熱電 偶，在1398時的熱電勢為47.255mV，比鉑鉑銠10 熱電偶在同樣溫度下的熱電勢高出3倍，因而可配用 靈敏度較低的指示儀表，常應(yīng)用于航空工業(yè)。 （6 6）銅）銅康銅熱電偶，分度號康銅熱電偶，分度號MKMK 熱電偶的熱電勢略高于鎳鉻-鎳硅熱電偶， 約為43V/。復(fù)現(xiàn)性好，穩(wěn)定性好，精度高， 價格便宜。缺點是銅易氧化，廣泛用于20K 473K的低溫實驗室測量中。 （5 5）鐵）鐵康銅熱電偶，分度號康銅熱電

14、偶，分度號TKTK 靈敏度高，約為53V/，線性度好，價格 便宜，可在800以下的還原介質(zhì)中使用。主要 缺點是鐵極易氧化，采用發(fā)藍處理后可提高抗 銹蝕能力。 工業(yè)熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖 1接線盒；2保險套管3絕緣套管4熱電偶絲 12 3 4 （二）常用熱電偶的結(jié)構(gòu)類型 1工業(yè)用熱電偶 下圖為典型工業(yè)用熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖。它由熱電偶 絲、絕緣套管、保護套管以及接線盒等部分組成。實驗 室用時，也可不裝保護套管，以減小熱慣性。 (a)(b)(c)(d) 1 3 2 2鎧裝式熱電偶（又稱套管式熱電偶） 優(yōu)點是小型化（直徑從 12mm到0.25mm）、壽命、 熱慣性小，使用方便。 測溫范圍在1100以下 的有：

15、鎳鉻鎳硅、鎳 鉻考銅鎧裝式熱電偶。 斷面如圖所示。它是由熱電偶絲、絕緣材料，金屬 套管三者拉細組合而成一體。又由于它的熱端形狀不同， 可分為四種型式如圖。 鎧裝式熱電偶斷面結(jié)構(gòu)示意圖 1 金屬套管; 2絕緣材料; 3熱電極 (a)碰底型; (b)不碰底型; (c)露頭型; (d)帽型 3快速反應(yīng)薄膜熱電偶 用真空蒸鍍等方法使兩種熱電極材料蒸鍍到絕緣板上而 形成薄膜裝熱電偶。如圖，其熱接點極薄(0.01 0.lm) 4 1 23 快速反應(yīng)薄膜熱電偶 1熱電極; 2熱接點; 3絕緣基板; 4引出線 因此，特別適用于對壁面溫 度的快速測量。安裝時,用粘 結(jié)劑將它粘結(jié)在被測物體壁 面上。目前我國試制的

16、有 鐵鎳、鐵康銅和銅康 銅三種,尺寸為 6060.2mm;絕緣基板用云 母、陶瓷片、玻璃及酚醛塑 料紙等；測溫范圍在300以 下；反應(yīng)時間僅為幾ms。 4快速消耗微型熱電偶 下圖為一種測量鋼水溫度的熱電偶。它是用直徑為 0.050.lmm的鉑銠10一鉑銠30熱電偶裝在U型石英管 中，再鑄以高溫絕緣水泥，外面再用保護鋼帽所組成。 這種熱電偶使用一次就焚化，但它的優(yōu)點是熱慣性小， 只要注意它的動態(tài)標定，測量精度可達土57。 14235678 91110 快速消耗微型 1剛帽； 2石英； 3紙環(huán)； 4絕熱泥；5冷端； 6棉花； 7絕緣紙管； 8補償導(dǎo)線；9套管； 10塑料插座； 11簧片與引出線 熱

17、電偶溫度補償熱電偶溫度補償 原因 l熱電偶熱電勢的大小是熱端溫度和冷端的函數(shù)差，為 保證輸出熱電勢是被測溫度的單值函數(shù)，必須使冷端溫 度保持恒定； l熱電偶分度表給出的熱電勢是以冷端溫度0為依據(jù)， 否則會產(chǎn)生誤差。 方法 u 冰點槽法 u 計算修正法 u 補正系數(shù)法 u 零點遷移法 u 冷端補償器法 u 軟件處理法 把熱電偶的參比端置于冰水混合物容器里，使T0=0。 這種辦法僅限于科學(xué)實驗中使用。為了避免冰水導(dǎo)電引 起兩個連接點短路，必須把連接點分別置于兩個玻璃試 管里，浸入同一冰點槽，使相互絕緣。 mV A B A B T C C 儀表 銅導(dǎo)線 試管 補償導(dǎo)線 熱電偶 冰點槽 冰水溶液 冷端

18、處理及補償冰點槽法 T0 熱電偶溫度補償熱電偶溫度補償 計算修正法 u冷端不變時，查表補償冷端不變時，查表補償 當冷端不為當冷端不為0時，分度表的使用時，分度表的使用 ),(),(),( 0101 ttEttEttE nABnABAB 例如：例如：K型熱電偶型熱電偶, 工作時自由端工作時自由端t0 30 ，今測得熱電勢為，今測得熱電勢為 38.560mv，求工作端的溫度，求工作端的溫度 mvttEAB560.38),( 01 mvtEAB203. 1)0 ,( 0 mvtEAB760.39203. 1560.38)0 ,( 1 Ct 0 1 962 查表查表 則則 冷端補償器法 利用不平衡電橋產(chǎn)生熱電勢補償熱電偶因冷端溫度變化 而引起熱電勢的變化值。不平衡電橋由R1、R2、R3(錳銅 絲繞制)、RCu(銅絲繞制)四個橋臂和橋路電源組成。 設(shè)計時，在0下使電橋平衡(R1=R2=R3=RCu)，此時Uab=0 ，電橋?qū)x表讀數(shù)無影響。 冷端補償器的作用 注意：橋臂RCu必須和熱電偶的冷 端靠近，使處于同一溫度之下。 mV EAB(T,T0) T0 T0 T A