傳感器與檢測(cè)技術(shù)63 熱電偶傳感器

1、6.3 熱電偶傳感器6.3.1 熱電偶測(cè)溫原理熱電偶測(cè)溫原理6.3.2 熱電偶的基本定律6.3.3 熱電偶的冷端處理和補(bǔ)償6.3.4 標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶6.3.5 非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶6.3.6 熱電偶結(jié)構(gòu)型式6.3.7 熱電偶安裝注意事項(xiàng)6.3.1 熱電偶測(cè)溫原理熱電偶：兩種不同的金屬A和B構(gòu)成閉合回路當(dāng)兩個(gè)接觸端T T0時(shí)，回路中會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì) 熱電勢(shì)由熱電勢(shì)由兩種材料兩種材料的的接觸電勢(shì)接觸電勢(shì)和和單一材料單一材料的的溫差電勢(shì)溫差電勢(shì)決定決定1. 接觸電勢(shì)BAABNNekTTeln)(k 玻耳茲曼常數(shù)；T 接觸面的絕對(duì)溫度；e 單位電荷量；NA金屬電極A的自由電子密度NA金屬電極B的自由電子密度接觸電

2、勢(shì)接觸電勢(shì)帕爾帖電勢(shì)帕爾帖電勢(shì)2. 溫差電勢(shì)TTAdTTTe0),(0 湯姆遜系數(shù)，它表示溫度為湯姆遜系數(shù)，它表示溫度為1時(shí)所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)值，時(shí)所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)值， 它與材料的性質(zhì)有關(guān)。它與材料的性質(zhì)有關(guān)。 溫差電勢(shì)溫差電勢(shì)（湯姆遜電勢(shì)）（湯姆遜電勢(shì)） 3. 熱電偶回路的總熱電勢(shì) TTBABABAABABBABAABABdt)(NNln)TT(ek)T ,T(e)T ,T(e)T(e)T(e)T ,T(e)T(e)T ,T(e)T(e)T ,T(E000000000熱電極A和B為同一種材料時(shí)，NA=NB, A=B，則EAB(T, T0)=0。若熱電偶兩端處于同一溫度下， T=T0 ，則EAB(T

3、, T0)=0 。熱電勢(shì)存在必須具備兩個(gè)條件：一、兩種不同的金屬材料組成熱電偶，二、它的兩端存在溫差。 000000( ,)( )() ()()( )()TTABABABABABET TeTdteTdtf Tf T熱電勢(shì)是熱電勢(shì)是T和和T0的溫度函數(shù)的差的溫度函數(shù)的差，而不是溫度的函數(shù)。，而不是溫度的函數(shù)。當(dāng)當(dāng)T0=0時(shí)，時(shí)，f (T0)=c則有：則有：0( ,)( )( )ABET Tf TcTE與與T之間有唯一對(duì)應(yīng)的單值函數(shù)關(guān)系，之間有唯一對(duì)應(yīng)的單值函數(shù)關(guān)系，因此就可以用測(cè)量到的熱電勢(shì)因此就可以用測(cè)量到的熱電勢(shì)E來得到對(duì)應(yīng)的溫度值來得到對(duì)應(yīng)的溫度值T，熱電偶熱電勢(shì)的大小，只是與導(dǎo)體熱電偶熱

4、電勢(shì)的大小，只是與導(dǎo)體A和和B的材料有關(guān)，的材料有關(guān)，與冷熱端的溫度有關(guān)，與導(dǎo)體的粗細(xì)長(zhǎng)短及兩導(dǎo)體接觸面積無關(guān)。與冷熱端的溫度有關(guān)，與導(dǎo)體的粗細(xì)長(zhǎng)短及兩導(dǎo)體接觸面積無關(guān)。 6.3 熱電偶傳感器6.3.1 熱電偶測(cè)溫原理6.3.2 熱電偶的基本定律熱電偶的基本定律6.3.3 熱電偶的冷端處理和補(bǔ)償6.3.4 標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶6.3.5 非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶6.3.6 熱電偶結(jié)構(gòu)型式6.3.7 熱電偶安裝注意事項(xiàng)6.3.2 熱電偶的基本定律1. 勻質(zhì)導(dǎo)體定律2. 中間導(dǎo)體定律3. 連接導(dǎo)體定律1. 勻質(zhì)導(dǎo)體定律由一種勻質(zhì)導(dǎo)體所組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的截面積如何及導(dǎo)體的各處溫度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢(shì)。熱

5、電偶必須采用兩種不用材料的導(dǎo)體組成，熱電偶的熱電勢(shì)僅與兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)，而與沿?zé)犭姌O的溫度分布無關(guān)。如果熱電偶的熱電極是非勻質(zhì)導(dǎo)體，在不均勻溫度場(chǎng)中測(cè)溫時(shí)將造成測(cè)量誤差。所以熱電極材料的均勻性是衡量熱電偶質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo)之一。2. 中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入與另一種導(dǎo)體稱中間導(dǎo)體C，只要中間導(dǎo)體的兩端溫度相同，熱電偶回路總電動(dòng)勢(shì)不受中間導(dǎo)體接入的影響。3. 連接導(dǎo)體定律),(),(),(00TTETTETTTEnBAnABnBAAB為在工業(yè)測(cè)量溫度中使用為在工業(yè)測(cè)量溫度中使用補(bǔ)償導(dǎo)線補(bǔ)償導(dǎo)線提供了理論基礎(chǔ)。提供了理論基礎(chǔ)。),(),(),(00TTETTETTTEnABnABnAB當(dāng)A與

6、A，B與B材料分別相同時(shí)中間溫度定律中間溫度定律例6.3.1 用（S型）熱電偶測(cè)量某一溫度，若參比端溫度T0=30，測(cè)得的熱電勢(shì)E(T,Tn)=7.5mV，求測(cè)量端實(shí)際溫度T。)(),(),(0,0TTETTETTEnnCTCTTTEnn03000，）中，（在查分度表有查分度表有E（30，0）= 0.173 mV mVTTEn5 . 7），（mVETETE673.7173.05 .7)0 ,30(300），（），（反查分度表有反查分度表有T=830T=830，測(cè)量端實(shí)際溫度為，測(cè)量端實(shí)際溫度為8308306.3 熱電偶傳感器6.3.1 熱電偶測(cè)溫原理6.3.2 熱電偶的基本定律6.3.3 熱電

7、偶的冷端處理和補(bǔ)償熱電偶的冷端處理和補(bǔ)償6.3.4 標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶6.3.5 非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶6.3.6 熱電偶結(jié)構(gòu)型式6.3.7 熱電偶安裝注意事項(xiàng)6.3.3 熱電偶的冷端處理和補(bǔ)償 熱電偶的熱電勢(shì)大小不僅與熱端溫度的有關(guān)，而且也與冷端溫度有關(guān)，只有當(dāng)冷端溫度恒定，通過測(cè)量熱電勢(shì)的大小得到熱端的溫度。 熱電偶的冷端處理和補(bǔ)償: 當(dāng)熱電偶冷端處在溫度波動(dòng)較大的地方時(shí)，必須首先使用補(bǔ)償導(dǎo)線將冷端延長(zhǎng)到一個(gè)溫度穩(wěn)定的地方，再考慮將冷端處理為。幾種冷端處理方法： 1. 補(bǔ)償導(dǎo)線法2. 熱電偶冷端溫度恒溫法3. 計(jì)算修正法4. 冷端補(bǔ)償電橋法1. 補(bǔ)償導(dǎo)線法組成：補(bǔ)償導(dǎo)線合金絲、絕緣層、護(hù)套和屏蔽層。熱電

8、偶補(bǔ)償導(dǎo)線功能：其一實(shí)現(xiàn)了冷端遷移；其二是降低了電路成本。補(bǔ)償導(dǎo)線又分為延長(zhǎng)型和補(bǔ)償型兩種 延長(zhǎng)形：補(bǔ)償導(dǎo)線合金絲的名義化學(xué)成分及熱電勢(shì)標(biāo)稱值與配用的熱電偶相同，用字母“”附在熱電偶分度號(hào)后表示， 補(bǔ)償型：其合金絲的名稱化學(xué)成分與配用的熱電偶不同，但其熱電勢(shì)值在100以下時(shí)與配用的熱電偶的熱電勢(shì)標(biāo)稱值相同，有字母“C”附在熱電偶分度號(hào)后表示， 補(bǔ)償導(dǎo)線的型號(hào)、線芯材質(zhì)和絕緣層著色 補(bǔ)償導(dǎo)補(bǔ)償導(dǎo)線型號(hào)線型號(hào)配用熱電偶配用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的線芯材料補(bǔ)償導(dǎo)線的線芯材料絕緣層著色絕緣層著色正極正極負(fù)極負(fù)極SC或RC鉑銠10（鉑銠）-鉑SPC（銅）SNC（銅鎳）紅綠KC鎳鉻-鎳硅KPC（銅）KNC（銅鎳）

9、紅藍(lán)KX鎳鉻-鎳硅KPX（銅鎳）KNX（鎳硅）紅黑NX鎳鉻硅-鎳硅NPS（銅鎳）NNX（鎳硅）紅灰EX鎳鉻-銅鎳EPX（鎳鉻）ENX（銅鎳）紅棕JX鐵-銅鎳JPX（鐵）JNX（銅鎳）紅紫TX銅-銅鎳TPX（銅）TNX（銅鎳）紅白使用補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)注意問題：補(bǔ)償導(dǎo)線只能用在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)（0100）；熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線的兩個(gè)接點(diǎn)處要保持溫度相同；不同型號(hào)的熱電偶配有不同的補(bǔ)償導(dǎo)線；補(bǔ)償導(dǎo)線由正、負(fù)極需分別與熱電偶正、負(fù)極相連；補(bǔ)償導(dǎo)線的作用是對(duì)熱電偶冷端延長(zhǎng)。2. 計(jì)算修正法在實(shí)際應(yīng)用中，熱電偶的參比端往往不是0C，而是環(huán)境溫度，這時(shí)測(cè)量出的回路熱電勢(shì)要小，因此必須加上環(huán)境溫度與冰點(diǎn)之間溫差所產(chǎn)生的

10、熱電勢(shì)后才能符合熱電偶分度表的要求。 )0 ,(),()0 ,(11TETTETE可用室溫計(jì)測(cè)出環(huán)境溫度可用室溫計(jì)測(cè)出環(huán)境溫度T1，從分度表中查出的，從分度表中查出的E(T1,0)值，值，然后加上熱電偶回路熱電勢(shì)然后加上熱電偶回路熱電勢(shì)E(T,T1)，得到，得到E(T,0)值，值，反查分度表即可得到準(zhǔn)確的被測(cè)溫度值。反查分度表即可得到準(zhǔn)確的被測(cè)溫度值。3. 熱電偶冷端溫度恒溫法（冰浴法）適用于實(shí)驗(yàn)室中的精確測(cè)量和檢定熱電偶時(shí)使用。4. 冷端補(bǔ)償電橋法利用直流不平衡電橋產(chǎn)生的電勢(shì)來補(bǔ)償熱電偶冷端溫度變化而引起的熱電勢(shì)的變化值 6.3 熱電偶傳感器6.3.1 熱電偶測(cè)溫原理6.3.2 熱電偶的基本

11、定律6.3.3 熱電偶的冷端處理和補(bǔ)償6.3.4 標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶6.3.5 非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶6.3.6 熱電偶結(jié)構(gòu)型式6.3.7 熱電偶安裝注意事項(xiàng)6.3.4 標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶 標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶：工藝上比較成熟，能批量生產(chǎn)、性能穩(wěn)定、應(yīng)用廣泛，具有統(tǒng)一分度表并已列入國(guó)際和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)文件中的熱電偶。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶可以互相交換，精度有一定的保證。 國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）共推薦了8種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶 表6.3.2 標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶技術(shù)數(shù)據(jù)熱電偶名稱熱電偶名稱分度分度號(hào)號(hào)熱電極識(shí)別熱電極識(shí)別E E（100,0100,0）（mVmV）測(cè)溫范圍（測(cè)溫范圍（）對(duì)分度表允許偏差（對(duì)分度表允許偏差（）新新極極性性識(shí)別識(shí)別

12、長(zhǎng)期長(zhǎng)期短期短期等等級(jí)級(jí)使用溫度使用溫度允差允差鉑銠10-鉑S正亮白較硬0.6460130016006001.5負(fù)亮白柔軟6000.25%t鉑銠13-鉑R正較硬0.6470130016006001.5負(fù)柔軟11000.25%t鉑銠30-鉑銠B正較硬0.0330160018006009004負(fù)稍軟8000.5%t鎳鉻-鎳硅K正不親磁4.096012001300-4013002.5或0.75%t負(fù)稍親磁-200402.5或1.5%t鎳鉻硅-鎳硅N正不親磁2.774-20012001300-4011001.5或0.4%t負(fù)稍親磁-4013002.5或0.75%t鎳鉻-康銅E正暗綠6.319-2007

13、60850-409002.5或0.75%t負(fù)亮黃-200402.5或1.5%t銅-康銅T正紅色4.279-200350400-403501或0.75%t負(fù)銀白色-200401或1.5%t鐵-康銅J正親磁5.269-40600750-407502.5或0.75%t負(fù)不親磁1. 鉑銠10-鉑熱電偶（S型）貴金屬熱電偶。電極線徑規(guī)定為0.5mm，正極（SP）的名義化學(xué)成分為鉑銠合金負(fù)極（SN）為純鉑，故俗稱為單鉑銠熱電偶。長(zhǎng)期最高使用溫度為1300，短期最高使用溫度為1600。優(yōu)點(diǎn)：準(zhǔn)確度高，穩(wěn)定性好，測(cè)溫溫區(qū)和使用壽命長(zhǎng)，物理化學(xué)性能良好，在高溫下抗氧化性能好，適用于氧化和惰性氣氛中。缺點(diǎn)：熱電率

14、較小，靈敏度低，高溫下機(jī)械強(qiáng)度下降，對(duì)污染敏感，貴金屬材料昂貴，因此一次性投資較大。2. 鉑銠30-鉑銠6（B型）為貴金屬熱電偶。熱偶絲線徑規(guī)定為0.5mm，正極（BP）和負(fù)極（BN）的名義化學(xué)成分均為鉑銠合金，只是含量不同，故俗稱為雙鉑銠熱電偶。長(zhǎng)期最高使用溫度為1600，短期最高使用溫度為1800。優(yōu)點(diǎn)：準(zhǔn)確度高，穩(wěn)定性好，測(cè)溫溫區(qū)寬，使用壽命長(zhǎng)等，適用于氧化性和惰性氣氛中，也可短期用于真空中，但不適用于還原性氣氛或含有金屬或非金屬蒸汽中；參比端不需進(jìn)行冷端補(bǔ)償，因?yàn)樵?50范圍內(nèi)熱電勢(shì)小于3V。缺點(diǎn)：熱電率較小，靈敏度低，高溫下機(jī)械強(qiáng)度下降，抗污染能力差，貴金屬材料昂貴。3. 鎳鉻-鎳硅

15、熱電偶（K型）使用量最大的廉金屬熱電偶，用量為其他熱電偶的總和正極（KP）的名義化學(xué)成分為：Ni:Cr=90:10，負(fù)極（KN）的名義化學(xué)化學(xué)成分為Ni:Si=97:3。其使用溫度為-2001300。優(yōu)點(diǎn)：線性度好，熱電勢(shì)較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性均好，抗氧化性強(qiáng)，價(jià)格便宜。能用于氧化性和惰性氣氛中。K型熱電偶不能在高溫下直接用于硫、還原性或還原、氧化交替的氣氛中，也不能用于真空中。4. 鎳鉻-銅鎳熱電偶（E型）稱為鎳鉻-康銅熱電偶，也是一種廉價(jià)金屬熱電偶。其正極（EP）為鎳鉻10合金，化學(xué)成分與KP相同，負(fù)極（EN）為銅鎳合金，名義化學(xué)成分為55%的銅、45%的鎳以及少量的鈷、錳、鐵等

16、元素。該熱電偶電動(dòng)勢(shì)之大，靈敏度之高屬所有標(biāo)準(zhǔn)熱電偶之最，宜制成熱電偶堆來測(cè)量微小溫度變化。E型熱電偶可用于濕度較大的環(huán)境里，具有穩(wěn)定性好，抗氧化性能高，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。但不能在高溫下用于硫、還原性氣氛中。 標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶熱電勢(shì)和溫度的關(guān)系 表6.3.3 標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的特性熱電偶種類熱電偶種類優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn)B適于測(cè)量1000以上的高溫常溫下熱電動(dòng)勢(shì)極小，可不用補(bǔ)償導(dǎo)線抗氧化、耐化學(xué)腐蝕在中低溫領(lǐng)域熱電動(dòng)勢(shì)小，不能用于600以下靈敏度低熱電動(dòng)勢(shì)的線性不好R、S精度高、穩(wěn)定性好，不易劣化抗氧化、耐化學(xué)腐蝕可作標(biāo)準(zhǔn)靈敏度低不適用于還原性氣氛(尤其是H2、金屬蒸氣)熱電動(dòng)勢(shì)的線性不好價(jià)格高N熱電動(dòng)勢(shì)線

17、性好1200以下抗氧化性能良好短程表序結(jié)構(gòu)變化影響小不適用于還原性氣氛同貴金屬勢(shì)電偶相比時(shí)效變化大K熱電動(dòng)勢(shì)線性好1000下抗氧化性能良好在廉金屬熱電偶中穩(wěn)定性更好不適用于還原性氣氛同貴金屬熱電偶相比時(shí)效變化大因短程有序結(jié)構(gòu)變化而產(chǎn)生誤差E在現(xiàn)有的熱電偶中，靈敏度最高同J型相比，耐熱性能良好兩極非磁性不適用于還原性氣氛熱導(dǎo)率低具有微滯后現(xiàn)象J可用于還原性氣氛熱電動(dòng)勢(shì)較K型高20%左右鐵正極易生銹熱電特性漂移大T熱電動(dòng)勢(shì)線性好低溫特性好產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性好可用于還原性氣氛使用溫度低銅正極易氧化熱傳導(dǎo)誤差大6.3 熱電偶傳感器6.3.1 熱電偶測(cè)溫原理6.3.2 熱電偶的基本定律6.3.3 熱電偶的冷

18、端處理和補(bǔ)償6.3.4 標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶6.3.5 非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶6.3.6 熱電偶結(jié)構(gòu)型式6.3.7 熱電偶安裝注意事項(xiàng)6.3.5 非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶 名稱名稱熱電極材料熱電極材料使用溫度使用溫度范圍范圍()()過熱使用溫過熱使用溫度度范圍范圍()()特征特征正極正極負(fù)極負(fù)極鎢萊系Wre5、Wre3Wre26、Wre25023003000適用于還原性、H2及惰性氣體。質(zhì)脆鉑銠系PtRh20、PtRh40PtRh5、PtRh2030015001100160018001800在高溫下使用，熱電動(dòng)勢(shì)小，其它性能與R型相同銥銠系Ir、Ir、IrIrRh40、IrRh50、IrRh6011002

19、0002100適用于真空、惰性氣體及微氧化性氣氛。質(zhì)脆鎳鉬系NiNiMo1801280/可用于還原性氣氛，熱電動(dòng)勢(shì)大鈀鉑系Pd、Pt及Au合金Au、Pd合金011001300耐磨性能強(qiáng)，熱電動(dòng)勢(shì)的大小基本上與K型相同鎳鉻、金鐵以Ni-Cr為主的合金含0.07mo1%Fe的合金0300K/20K以下熱電動(dòng)勢(shì)比較大，熱電動(dòng)勢(shì)的線性好銀金、金鐵含Au為0.37mo1%的合金含0.03mo1%Fe的Au-Fe合金140K/熱電動(dòng)勢(shì)小，受磁場(chǎng)影響6.3 熱電偶傳感器6.3.1 熱電偶測(cè)溫原理6.3.2 熱電偶的基本定律6.3.3 熱電偶的冷端處理和補(bǔ)償6.3.4 標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶6.3.5 非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶6.3.6 熱電偶結(jié)構(gòu)型式熱電偶