熱電偶傳感器

關于熱電偶傳感器第1頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月6.3.1熱電偶測溫原理熱電偶：兩種不同的金屬A和B構成閉合回路 當兩個接觸端T≠T0時，回路中會產(chǎn)生熱電勢，即熱電效應。

熱電勢由兩種材料的接觸電勢和單一材料的溫差電勢決定上一頁下一頁返回冷端/參比端工作端EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)第2頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月1.接觸電勢k——

玻耳茲曼常數(shù)；T——

接觸面的絕對溫度；e——

單位電荷量；NA——金屬電極A的自由電子密度NB——金屬電極B的自由電子密度接觸電勢上一頁下一頁返回第3頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月2.溫差電勢δ——湯姆遜系數(shù)，它表示溫度為1℃時所產(chǎn)生的電動勢值，它與材料的性質(zhì)有關。溫差電勢（湯姆遜電勢）上一頁下一頁返回第4頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月3.熱電偶回路的總熱電勢上一頁下一頁返回第5頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月熱電極A和B為同一種材料時，NA=NB,δ

A=δB， 則EAB(T,T0)=0。若熱電偶兩端處于同一溫度下，T=T0

， 則EAB(T,T0)=0。熱電勢存在必須具備兩個條件： 一、兩種不同的金屬材料組成熱電偶， 二、它的兩端存在溫差。

上一頁下一頁返回第6頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月熱電勢是T和T0的溫度函數(shù)的差，而不是溫度的函數(shù)。當T0=0℃時，f(T0)=0則有：E與T之間有唯一對應的單值函數(shù)關系，因此就可以用測量到的熱電勢E來得到對應的溫度值T，熱電偶熱電勢的大小，只是與導體A和B的材料有關，與冷熱端的溫度有關，與導體的粗細長短及兩導體接觸面積無關。上一頁下一頁返回對式（6.3.3）進行整理，則有：

第7頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月在用熱電偶測量溫度時，想要得到熱電動勢數(shù)值，必須要在熱電偶回路中引入第3種導體，接入測量儀表。在參比端溫度為0條件下，常用熱電偶熱電動勢與溫度一一對應的關系都可以從標準數(shù)據(jù)表中查到，這種表稱為熱電偶的分度表。與分度表所對應的該熱電偶的代號則稱為分度號。

第8頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月6.3.2熱電偶的基本定律1.均質(zhì)導體定律2.中間導體定律3.連接導體定律4.等值替代定律上一頁下一頁返回第9頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月1.均質(zhì)導體定律由一種均質(zhì)導體所組成的閉合回路，不論導體的截面積如何及導體的各處溫度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢。熱電偶必須采用兩種不同材料的導體組成，熱電偶的熱電勢僅與兩接點的溫度有關，而與沿熱電極的溫度分布無關。如果熱電偶的熱電極是非勻質(zhì)導體，在不均勻溫度場中測溫時將造成測量誤差。所以熱電極材料的均勻性是衡量熱電偶質(zhì)量的重要技術指標之一。上一頁下一頁返回第10頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月2.中間導體定律

在熱電偶回路中接入與另一種導體稱中間導體C，只要中間導體的兩端溫度相同，熱電偶回路總電動勢不受中間導體接入的影響。上一頁下一頁返回為用測量儀表測量回路的熱電動勢提供理論依據(jù)第11頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月3.中間溫度定律

為在工業(yè)測量溫度中使用補償導線提供了理論基礎。上一頁下一頁返回第12頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月4.等值替代定律

如果使熱電偶AB在某一溫度范圍內(nèi)所產(chǎn)生的熱電動勢等于熱電偶CD在同一溫度范圍內(nèi)所產(chǎn)生的熱電動勢，即則這兩支熱電偶在該溫度范圍內(nèi)可以互相代用。

第13頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月6.3.3標準化熱電偶標準化熱電偶：工藝上比較成熟，能批量生產(chǎn)、性能穩(wěn)定、應用廣泛，具有統(tǒng)一分度表并已列入國際和國家標準文件中的熱電偶。標準化熱電偶可以互相交換，精度有一定的保證。國際電工委員會（IEC）共推薦了8種標準化熱電偶

上一頁下一頁返回第14頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月對熱電偶電極材料的要求：（1）在測溫范圍內(nèi)，熱電性質(zhì)穩(wěn)定，不隨時間和被測介質(zhì)變化；物理化學性能穩(wěn)定，不易氧化或腐蝕。（2）電導率高，電阻溫度系數(shù)較小。（3）由它們組成的熱電偶，熱電動勢隨溫度的變化率要大，并且希望該變化率在測溫范圍內(nèi)接近常數(shù)。（4）材料的機械強度要高，復制性好，復制工藝簡單，價格便宜。

第15頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月表6.3.1標準化熱電偶技術數(shù)據(jù)熱電偶名稱分度號熱電極識別E（100,0）（mV）測溫范圍（℃）對分度表允許偏差（℃）新極性識別長期短期等級使用溫度允差鉑銠10-鉑S正亮白較硬0.6460~13001600Ⅲ≤600±1.5℃負亮白柔軟＞600±0.25%t鉑銠13-鉑R正較硬0.6470~13001600Ⅱ＜600±1.5℃負柔軟＞1100±0.25%t鉑銠30-鉑銠B正較硬0.0330~16001800Ⅲ600~900±4℃負稍軟＞800±0.5%t鎳鉻-鎳硅K正不親磁4.0960~12001300Ⅱ-40~1300±2.5℃或±0.75%t負稍親磁Ⅲ-200~40±2.5℃或±1.5%t鎳鉻硅-鎳硅N正不親磁2.774-200~12001300Ⅰ-40~1100±1.5℃或±0.4%t負稍親磁Ⅱ-40~1300±2.5℃或±0.75%t鎳鉻-康銅E正暗綠6.319-200~760850Ⅱ-40~900±2.5℃或±0.75%t負亮黃Ⅲ-200~40±2.5℃或±1.5%t銅-康銅T正紅色4.279-200~350400Ⅱ-40~350±1℃或±0.75%t負銀白色Ⅲ-200~40±1℃或±1.5%t鐵-康銅J正親磁5.269-40~600750Ⅱ-40~750±2.5℃或±0.75%t負不親磁上一頁下一頁返回第16頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月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）的名義化學成分為鉑銠合金 負極（SN）為純鉑，故俗稱為單鉑銠熱電偶。 長期最高使用溫度為1300℃，短期最高使用溫度為1600℃。優(yōu)點：準確度高，穩(wěn)定性好，測溫溫區(qū)和使用壽命長，物理化學性能良好，在高溫下抗氧化性能好，適用于氧化和惰性氣氛中。缺點：熱電率較小，靈敏度低，高溫下機械強度下降，對污染敏感，貴金屬材料昂貴，因此一次性投資較大。上一頁下一頁返回第17頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月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）和負極（BN）的名義化學成分均為鉑銠合金，只是含量不同，故俗稱為雙鉑銠熱電偶。 長期最高使用溫度為1600℃，短期最高使用溫度為1800℃。優(yōu)點：準確度高，穩(wěn)定性好，測溫溫區(qū)寬，使用壽命長等，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；參比端不需進行冷端補償，因為在0～50℃范圍內(nèi)熱電勢小于3μV。缺點：熱電率較小，靈敏度低，高溫下機械強度下降，抗污染能力差，貴金屬材料昂貴。上一頁下一頁返回第18頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月3.鎳鉻-鎳硅熱電偶（K型）使用量最大的廉金屬熱電偶，用量為其它熱電偶的總和 正極（KP）的名義化學成分為：Ni:Cr=90:10， 負極（KN）的名義化學化學成分為Ni:Si=97:3。 其使用溫度為-200～1300℃。優(yōu)點：線性度好，熱電勢較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和復現(xiàn)性均好，抗氧化性強，價格便宜。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還原性或還原、氧化交替的氣氛中，也不能用于真空中。上一頁下一頁返回第19頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月4.鎳鉻-銅鎳熱電偶（E型）稱為鎳鉻-康銅熱電偶，也是一種廉價金屬熱電偶。 其正極（EP）為鎳鉻10合金，化學成分與KP相同，負極（EN）為銅鎳合金，名義化學成分為55%的銅、45%的鎳以及少量的鈷、錳、鐵等元素。該熱電偶電動勢之大，靈敏度之高屬所有標準熱電偶之最，宜制成熱電偶堆來測量微小溫度變化。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，價格便宜等優(yōu)點。但不能在高溫下用于硫、還原性氣氛中。上一頁下一頁返回第20頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月標準化熱電偶熱電勢和溫度的關系上一頁下一頁返回第21頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月熱電特性曲線，可以得出以下結(jié)論：（1）時，所有型號的熱電偶的熱電動勢均為零；當時，熱電動勢為負值。（2）不同型號的熱電偶在相同溫度下，熱電動勢一般有較大的差別；在所有標準化熱電偶中，B型熱電偶的靈敏度最低，E型熱電偶靈敏度最高。（3）如果把溫度和熱電動勢間關系繪成曲線，可以看到溫度與熱電勢之間的關系一般為非線性；正是由于熱電偶的這種非線性特性，當冷端溫度時，則不能用測得的熱電動勢直接查分度表得，然后再加，而應該先求E(t,0)再查分度表求得t第22頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月例6.3.1用（S型）熱電偶測量某一溫度，若參比端溫度T0=30℃，測得的熱電勢E(T,Tn)=7.5mV，求測量端實際溫度T。查分度表有E（30，0）=0.173mV反查分度表有T=830℃，即測量端實際溫度。上一頁下一頁返回第23頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月表6.3.2標準化熱電偶的特性熱電偶種類優(yōu)點缺點B適于測量1000℃以上的高溫常溫下熱電動勢極小，可不用補償導線抗氧化、耐化學腐蝕在中低溫領域熱電動勢小，不能用于600℃以下靈敏度低熱電動勢的線性不好R、S精度高、穩(wěn)定性好，不易劣化抗氧化、耐化學腐蝕可作標準靈敏度低不適用于還原性氣氛(尤其是H2、金屬蒸氣)熱電動勢的線性不好價格高N熱電動勢線性好1200℃以下抗氧化性能良好短程表序結(jié)構變化影響小不適用于還原性氣氛同貴金屬勢電偶相比時效變化大K熱電動勢線性好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效變化大因短程有序結(jié)構變化而產(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率低具有微滯后現(xiàn)象J可用于還原性氣氛熱電動勢較K型高20%左右鐵正極易生銹熱電特性漂移大T熱電動勢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誤差大上一頁下一頁返回第24頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月6.3.4熱電偶結(jié)構為保證熱電偶的正常工作，熱電偶的兩極之間以及與保護套管之間都需要良好的電絕緣，而且耐高溫、耐腐蝕和沖擊的外保護套管也是必不可少的。

1.普通型裝配式結(jié)構

2.柔性安裝型鎧裝結(jié)構上一頁下一頁返回第25頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月1.普通型裝配式結(jié)構（a）1—接線柱；2—接線座；3—絕緣套管；4—熱電極（b）1—測量端；2—熱電極；3絕緣套管；4—保護管；5—接線盒上一頁下一頁返回第26頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月2.柔性安裝型鎧裝結(jié)構測量端的熱容量小，響應速度快，繞性好，可彎曲，可以安裝在狹窄或結(jié)構復雜的測量場合，耐壓、耐振、耐沖擊上一頁下一頁返回第27頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月圖6.3.6鎧裝熱電偶1-接線盒2-金屬套管3-固定裝置4-絕緣材料5-熱電極第28頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

（3）多點式熱電偶多點式熱電偶是用多支不同長度的熱電偶感溫元件，用多孔的絕緣管組裝而成，適合于化工生產(chǎn)中反應器不同高度的多點溫度測量，如測量合成塔不同位置的溫度。

第29頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

（4）隔爆外殼型熱電偶隔爆外殼型熱電偶基本參數(shù)與普通熱電偶一樣，區(qū)別在于采用了防爆結(jié)構的接線盒。當生產(chǎn)現(xiàn)場存在易燃易爆氣體時，必須使用隔爆外殼型熱電偶。

第30頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

（5）表面型熱電偶表面型熱電偶是利用真空鍍膜法將兩電極材料蒸鍍在絕緣基底上的薄膜熱電偶，專門用于測量各種形狀的固體表面溫度，反應速度極快，熱慣性極小。它作為一種便攜式測溫計，在紡織、印染、橡膠、塑料等領域廣泛應用。

第31頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月6.3.5

補償導線

使用專用的廉價導線，將熱電偶的參比端延伸出來，以解決參比端溫度的恒定問題，這種導線就稱為補償導線。第32頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

補償導線通常用比兩根熱電極材料便宜得多的兩種金屬材料做成，它在范圍內(nèi)的熱電性質(zhì)與要補償?shù)臒犭娕嫉臒犭娦再|(zhì)幾乎完全一樣，所以使用補償導線猶如將熱電偶熱電極延長，把熱電偶的參比端延伸到離熱源較遠、溫度較恒定又較低的地方。補償導線的連接如圖6.3.7所示。

圖6.3.7補償導線的連接圖

第33頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月在使用補償導線時必須注意以下問題：（1）補償導線只能在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)（一般為）與熱電偶的熱電動勢相等或相近。（2）不同型號的熱電偶有不同的補償導線。（3）熱電偶和補償導線的兩個接點處要保持相同溫度。（4）補償導線有正、負極，需分別與熱電偶的正、負極相聯(lián)。（5）補償導線的作用只是延伸熱電偶的冷端，當冷端溫度時，還需進行其他的補償與修正。第34頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月6.3.6熱電偶參比端（冷端）的溫度補償

熱電偶的熱電勢大小不僅與熱端溫度的有關，而且也與冷端溫度有關，只有當冷端溫度恒定，才能通過測量熱電勢的大小得到熱端的溫度。

熱電偶的冷端處理和補償:

當熱電偶冷端處在溫度波動較大的地方時，必須首先使用補償導線將冷端延長到一個溫度穩(wěn)定的地方，再考慮將冷端處理為０℃。上一頁下一頁返回第35頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月幾種冷端處理方法：1.補償導線法2.熱電偶冷端溫度恒溫法3.計算修正法4.冷端補償電橋法上一頁下一頁返回第36頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月1.補償導線法組成：補償導線合金絲、絕緣層、護套和屏蔽層。熱電偶補償導線功能：其一實現(xiàn)了冷端遷移；其二是降低了電路成本。補償導線又分為延長型和補償型兩種延長形：補償導線合金絲的名義化學成分及熱電勢標稱值與配用的熱電偶相同，用字母“Ｘ”附在熱電偶分度號后表示，補償型：其合金絲的名稱化學成分與配用的熱電偶不同，但其熱電勢值在100℃以下時與配用的熱電偶的熱電勢標稱值相同，有字母“C”附在熱電偶分度號后表示，

上一頁下一頁返回第37頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月補償導線的型號、線芯材質(zhì)和絕緣層著色

補償導線型號配用熱電偶補償導線的線芯材料絕緣層著色正極負極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）紅藍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）紅白上一頁下一頁返回第38頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月2.熱電偶冷端溫度恒溫法適用于實驗室中的精確測量和檢定熱電