熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)

熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)1第1頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一熱電偶傳感器2第2頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一在工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度是需要測量和控制的重要參數(shù)之一。特點：在溫度測量中，熱電偶的應(yīng)用極為廣泛，它具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、測量范圍廣、精度高、慣性小和輸出信號便于遠傳等許多優(yōu)點。另外，測量時不需外加電源，使用十分方便，所以常被用作測量爐子、管道內(nèi)的氣體或液體的溫度及固體的表面溫度。3第3頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一熱電偶（thermocouple）是溫度測量儀表中常用的測溫元件，它直接測量溫度，并把溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號，通過電氣儀表（二次儀表）轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)的溫度。溫度熱電動勢信號溫度顯示熱電偶儀器儀表4第4頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路，當兩端存在溫度差時，回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在電動勢。5第5頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一銅絲鐵絲6第6頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一0.007第7頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一0.118第8頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一-0.119第9頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一10第10頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一熱電偶測溫原理1.熱電效應(yīng)兩種不同材料的導(dǎo)體組成一個閉合回路時，若兩接點溫度不同，則在該回路中會產(chǎn)生電動勢。這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，該電動勢稱為熱電勢。11第11頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一熱電偶回路熱電偶回路產(chǎn)生的熱電動勢由接觸電動勢和溫差電動勢兩部分組成。12第12頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一當A，B兩種不同導(dǎo)體接觸時，兩種金屬A、B的自由電子密度不同分別為nA和nB（設(shè)nA>nB）。當兩種金屬相接時，將產(chǎn)生自由電子的擴散現(xiàn)象。達到動態(tài)平衡時，在A、B之間形成穩(wěn)定的電位差，即接觸電勢eAB(t)。兩種導(dǎo)體的接觸電勢示意圖兩種導(dǎo)體的接觸電勢13第13頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一接觸電動勢的大小與接點處溫度高低和導(dǎo)體的電子密度有關(guān)。

溫度越高，接觸電動勢越大；兩種導(dǎo)體電子密度的比值越大，接觸電動勢越大。14第14頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一單一導(dǎo)體的溫差電勢對于單一導(dǎo)體，如果兩端溫度分別為T、TO，且T>TO。單一導(dǎo)體溫差電勢示意圖

導(dǎo)體中的自由電子，在高溫端具有較大的動能，因而向低溫端擴散，在導(dǎo)體兩端產(chǎn)生了電勢。15第15頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一

熱電偶回路總熱電勢：EAB(T,TO)=eAB(T)+eB(T,TO)-eAB(TO)-eA(T,TO)式中：eAB(T):熱端接觸電勢；eB(T,TO):B導(dǎo)體溫差電勢；eAB(TO):冷端接觸電勢；eA(T,TO):A導(dǎo)體溫差電勢。16第16頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一

在總電勢中，溫差電勢比接觸電勢小很多，可忽略不計，則熱電偶的熱電勢可表示為

EAB(T,TO)=eAB(T)-eAB(TO)顯然，熱電動勢的大小與組成熱電偶的導(dǎo)體材料和兩接點的溫度有關(guān)。

17第17頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一當熱電偶兩電極材料確定后，熱電動勢便只是兩接點溫度的函數(shù)。當參考端溫度TO恒定時，EAB(TO)=c為常數(shù)，則總的熱電勢就只與溫度T有關(guān)系，即：

EAB(T,TO)=eAB(T)-c

=f(T)實際應(yīng)用時可通過熱電偶分度表查出溫度值。分度表是在參考端溫度為00C時，通過實驗建立的熱電勢與工作端溫度之間的數(shù)值對應(yīng)關(guān)系。EAB(T,TO)=eAB(T)-eAB(TO)18第18頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一19第19頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一20第20頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一可見當冷端溫度t0恒定時，熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢只與熱端的溫度有關(guān)，即只要測得熱電動勢，便可確定熱端的溫度t。由此得到有關(guān)熱電偶的幾個結(jié)論：（1）熱電偶必須采用兩種不同材料作為電極，否則無論導(dǎo)體截面如何、溫度分布如何，回路中的總熱電動勢恒為零。（2）若熱電偶兩接點溫度相同，盡管采用了兩種不同的金屬，回路總電動勢恒為零。（3）熱電偶回路總熱電動勢的大小只與材料和接點溫度有關(guān)，與熱電偶的尺寸、形狀無關(guān)。EAB(T,TO)=eAB(T)-eAB(TO)沒有小結(jié)的小結(jié)21第21頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一

熱電偶的熱電動勢與溫度的關(guān)系表，稱之為分度表。

熱電偶（包括后面要介紹的金屬熱電阻及測量儀表）分度表是IEC（國際電工委員會）發(fā)表的相關(guān)技術(shù)標準（國際溫標）。

該標準以表格的形式規(guī)定各種熱電偶/阻在-271℃～2300℃每一個溫度點上的輸出電動勢（參考端溫度為0℃）。分度表22第22頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一非標準化熱電偶：在使用范圍或數(shù)量級上均不及標準化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。標準化熱電偶：熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標準生產(chǎn)。23第23頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一標準化熱電偶/阻命名統(tǒng)一代號，稱為分度號。我國指定S、B、E、K、R、J、T七種標準化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計型熱電偶。

常用的4種標準化熱電偶絲材料為鉑銠10－鉑、鉑銠30－鉑銠6、鎳鉻－銅鎳、鎳鉻－鎳硅（我國通常稱為鎳鉻－康銅）。

組成熱電偶的兩種材料，寫在前面的為正極，寫在后面的為負極。24第24頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一1）鉑銠10－鉑熱電偶（分度號為S，也稱為單鉑銠熱電偶）

特點是性能穩(wěn)定，精度高，范圍較大、抗氧化性強，長期使用溫度可達1000℃，成本較高，熱電動勢較弱。2）鉑銠13－鉑熱電偶（分度號為R，也稱為單鉑銠熱電偶）

同S型相比，它的熱電動勢率大15%左右，其它性能幾乎相同。標準化熱電偶材料和種類25第25頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一3）鉑銠30－鉑銠6熱電偶（分度號為B，也稱為雙鉑銠熱電偶）

在室溫下，其熱電動勢很小，故在測量時一般不用補償導(dǎo)線，可忽略冷端溫度變化的影響。

長期使用溫度為1600℃，短期為1800℃，因熱電動勢較小，故需配用靈敏度較高的顯示儀表。

即使在還原氣氛下，其壽命也是R或S型的10～20倍。缺點是價格昂貴。26第26頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一4）鎳鉻－鎳硅（鎳鋁）熱電偶（分度號為K）

是抗氧化性較強的賤金屬熱電偶，可測量0～1300℃溫度。

熱電動勢與溫度的關(guān)系近似線性、價格便宜、熱電動勢大，是目前用量最大的熱電偶。5）銅－銅鎳熱電偶（分度號為T）

價格便宜，使用溫度是-200～350℃。27第27頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一6）鐵－銅鎳熱電偶（分度號為J）

價格便宜，適用于真空、氧化或惰性氣氛中，溫度范圍為-200～800℃。7）鎳鉻－銅鎳熱電偶（分度號為E）

是一種較新的產(chǎn)品，裸露式結(jié)構(gòu)無保護管，價格比較便宜，在常用的熱電偶中，其熱電動勢最大。適用于0～600℃溫度范圍。28第28頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一29第29頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一30第30頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一熱電偶的結(jié)構(gòu)形式和標準化熱電偶1.普通型熱電偶普通型熱電偶一般由熱電極、絕緣套管、保護管和接線盒組成。普通型熱電偶按其安裝時的連接形式可分為固定螺紋連接、固定法蘭連接、活動法蘭連接、無固定裝置等多種形式。凡是在兩個平面在周邊使用螺栓連接同時封閉的連接零件，一般都稱為“法蘭”。

31第31頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一32第32頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一33第33頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一

絕緣套管：

熱電偶的工作端被焊接在一起，熱電極之間需要用絕緣套管保護。

通常測量溫度在1000℃以下選用粘土質(zhì)絕緣套管，

在1300℃以下選用高鋁絕緣套管，

在1600℃以下選用剛玉絕緣套管。34第34頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一

保護管：

保護管的作用是使熱電偶電極不直接與被測介質(zhì)接觸。

它不僅可延長熱電偶的壽命，

還可起到支撐和固定熱電極，增加其強度的作用。

材料主要有金屬和非金屬兩類。35第35頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一2.鎧裝熱電偶（纜式熱電偶）鎧裝熱電偶也稱纜式熱電偶，是將熱電偶絲與電熔氧化鎂絕緣物溶鑄在一起，外表再套不銹鋼管等構(gòu)成。這種熱電偶能彎曲、耐高壓、反應(yīng)時間短、堅固耐用。36第36頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一37第37頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一1-熱電極;2-絕緣材料;3-金屬套管;4-接線盒;5-固定裝置鎧裝熱電偶示意圖38第38頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一3.薄膜熱電偶用真空鍍膜技術(shù)或真空濺射等方法，將熱電偶材料沉積在絕緣片表面而構(gòu)成的熱電偶稱為薄膜熱電偶。適用于對壁面溫度的快速測量。薄膜熱電偶示意圖（0.01～0.1μm）39第39頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一熱電偶選型依據(jù)40第40頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一熱電偶選型依據(jù)熱電偶型號如何選定及注意事項

熱電偶選型關(guān)注點通常為：型號、分度號、防爆等級、精度等級、裝固定形式、保護管材質(zhì)、長度或插入深度等，同時，在選型時應(yīng)注意一下幾個方面：（1）熱電偶的測量精度和溫度測量范圍；（2）熱電偶的耐久性及熱響應(yīng)時間；（3）熱電偶的使用環(huán)境；（4）測量介質(zhì)的情況；（5）參考相關(guān)技術(shù)標準要求進行選型；第41頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一（1）熱電偶的測量精度和溫度測量范圍，測量溫度高于1800℃時，通常選用鎢錸熱電偶；在1300~1800℃之間，要求精度又比較高時，一般選用B型熱電偶；使用溫度在1000~1300℃要求精度又比較高可用S型熱電偶和N型熱電偶；在1000℃以下一般用K型熱電偶和N型熱電偶；低于400℃一般用E型熱電偶；0-250℃測量一般用T型電偶，在低溫時T型熱電偶穩(wěn)定而且精度高。

上述選型僅僅考慮了測量溫度范圍和測量精度，最終選型還應(yīng)該綜合考慮其他因素。42第42頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一（2）熱電偶的耐久性及熱響應(yīng)時間。通常線徑大的熱電偶耐久性好，但是熱電偶熱響就會長。對于熱容量大的熱電偶，響應(yīng)較慢，測量梯度大的溫度時；因而，作為溫度控制應(yīng)用時，控制響應(yīng)速度較慢，控溫效果較差。

如果應(yīng)用對耐久性和熱響應(yīng)時間有較高的要求，推薦選用鎧裝熱電偶，它具有安裝簡單、精度高、測量范圍大、經(jīng)濟效益好等很多優(yōu)點。43第43頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一（3）熱電偶的使用環(huán)境。如果熱電偶保護管密封性能比較好，當然就對這方面不太有要求。一般來說B型、S型、K型熱電偶適合于強的氧化和弱的還原氣氛中使用，J型和T型熱電偶適合于弱氧化和還原氣氛環(huán)境中44第44頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一相關(guān)的技術(shù)標準

GB26786-2011《工業(yè)熱電偶和熱電阻隔爆技術(shù)條件》GB/T4990-2010《熱電偶用補償導(dǎo)線合金絲》GB/T2904-2010《鎳鉻-金鐵、銅-金鐵低溫?zé)犭娕冀z》GB/T2614-2010《鎳鉻-鎳硅熱電偶絲》GB/T4993-2010《鎳鉻-銅鎳(康銅)熱電偶絲》GB/T18034-2000《微型熱電偶用鉑銠細偶絲規(guī)范》GB/T17615-1998《鎳鉻硅-鎳硅鎂熱電偶絲》GB/T2903-1998《銅-銅鎳(康銅)熱電偶絲》GB/T4994-1998《鐵-銅鎳(康銅)熱電偶絲》GB/T16839.1-1997《熱電偶第1部分:分度表》GB/T16839.2-1997《熱電偶第2部分:允差》GB/T4989-1994《熱電偶用補償導(dǎo)線》

JB/T9283-1993《工業(yè)熱電偶技術(shù)條件》第45頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一46第46頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一47第47頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一熱電偶參數(shù)分析及選型（例）在陶瓷產(chǎn)品的燒制過程中，溫度的控制極其重要。傳統(tǒng)的陶瓷燒制，會有一個專門的掌火師傅負責(zé)整個陶瓷燒制過程溫度的控制。這種掌火師傅往往需要幾十年才能培養(yǎng)出一個，這不僅需要經(jīng)驗的積累，更需要天賦?，F(xiàn)代，即使在景德鎮(zhèn)，這種傳統(tǒng)掌火師傅已經(jīng)寥寥無幾。現(xiàn)代工藝的陶瓷燒制都是靠先進的自動化設(shè)備來進行控溫。這些設(shè)備通過測量外爐壁的溫度來能判斷爐內(nèi)溫度。陶瓷燒制爐外爐壁的表面溫度大概為幾十攝氏度到1000℃之間。 （選擇一款熱電偶溫度傳感器測量陶瓷燒制外爐壁表面溫度。）

第48頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一49第49頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一查閱相關(guān)資料，WRN-122鎳鉻-鎳硅