《物理热电偶》PPT课件.ppt

仪表及自动化控制 电气信息学院 测控系 方 挺 * 温度检测检测 1. 温度标标尺 2. 接触式测测温 3.温度变变送器 4.非接触式测测温 5.新型温度传传感器 Date 2 二、接触式测测温 接触式测温方法的分类和适用范围 -50120石英晶体温度 计 晶体的固有频率随温度的变化而变 化 -50150集成温度传感 器 半导体器件的温度效应 其他 电学 类 -50300热敏电阻 -50150铜热电阻 -260 850 铂热电阻 固体材料的电阻随温度而变化 电阻 类 -200 1800 热电偶 利用热电效应 热电 类 -80600双金属温度计 利用两种金属的热膨胀差 -100 500 压力式温度计 -200 600 玻璃液体温度 计 利用液体气体的热膨胀及物质的蒸 气压变化 膨胀 类 测温范围典型仪表原理类别 Date 3 二、接触式测测温 2. 热电偶温度计 热电势的产生2 标准和非标准热电偶4 什么是热电偶 3 1 热电偶基本定律 3 3 热电偶的结构型式6 冷端处理与补偿 3 5 Date 4 热电热电 偶温度计计 2.1 什么是热电偶 热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。它通过将 两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭 合回路，当导体A和B的两个接触点之间存在温差时，两者 之间便产生电动势，并在回路中形成热电流，因此，可将温 度的变化转变成热电势或热电流的变化。 测量精度高； 测量范围广； 构造简单，使用方便； 将温度转换成电信号，便于处理和远传。 热电偶直接与被测对象 接触，不受中间介质的 影响。 A T B T0EAB(T，T0) T T0 A B 常用的热电偶从-50+1600均可边续测 量，某些特殊热电偶最低可测到-269， 最高可达+2800（钨-铼） Date 5 2.2 热电势的产生 热电势接触电势温差电势！ 接触电势：金属导体的材料不同，导体内部自由电子密度 不同 自由电子扩散 若A导体的自由电子密度较大，则较多 的自由电子由A至B，而返回较少平衡时，A导体失去电子带正 电，B导体得到电子带负电 A、B 接触处形成一定的电位差， 及接触电势（帕尔帖电势）。 热电热电 偶温度计计 A T B T 0 EAB(T， T0) T T0A B eAB(T) AB T +- 电场 k：玻尔兹曼常数 （k=1.381023J/K ） e：电子电荷量 （e1.6021019） NA：导体A电子密度 NB：导体B电子密度 T：接触点绝对温度 Date 6 温差电势：单一导体两端温度不同，导体内部自 由电子高温端具较大动能 自由电子向低温端扩散 高温端失去电子带正电，低温端得到电子带负电 导 体内部形成静电场，阻止电子继续扩散动态平衡时 ，在导体两端产生一个电位差，及温差电势（汤姆逊 电势）。 热电热电 偶温度计计 A T +- 电场 T0 eA(T，T0) :汤姆逊系数，表示温差为1 时所产生的电动势值，与导体 材料的性质有关。 Date 7 回路总电势 热电热电 偶温度计计 A T B T 0 EAB(T， T0) eAB(T) eAB(T0) eA(T，T0) eB(T，T0) 热电势是T和T0的温度函数的差，而不是 温差的函数热电势的非线性 Date 8 ！结论：热电势的大小只与两种导体材料A、B及冷热端温度 有关，与热电极的形状、大小、长短，以及两导体接触面积无关 。 热电热电 偶温度计计 若两个电极为同种导体，则NA=NB，A=B，则EAB(T，T0) 0 ，即热电偶必为两种材料组成； 若T=T0，则EAB(T，T0)0，即产生热电势的条件是两接点温 度不同；导体接触面积无关。 若T00，则EAB(T，T0)f（T）,热电势和温度之间为唯一对 应的单值函数关系。 结论 Date 9 2.3 几个常用的定律 均质导体定律 由同一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的截面积 和长度如何，也不论各处的温度分布如何，都不产生热电势 。 热电热电 偶温度计计 A T B T 0 EAB(T， T0) T T0A B 在制作热电偶时， 一定要选用均质材 料，以防止因材质 不均匀而产生附加 热电势，造成测量 误差。 热电偶必须采用两种 不同材质的导体组成 。 Date 10 中间导体定律 A、B构成的热电偶回路接入第三种导体C，只要中间导 体两端温度相同，那么中间接入的导体对热电偶回路的总热 电势没有影响。 热电热电 偶温度计计 A T B TC C A T B T 0 A C TC 根据此性质可在 热电偶回路中引 入各种测量仪表 、连线等均不影 响热电势的测量 A T B TC C D 如第三种导体两端温 度不等，将造成热电 势变化，变化取决于 导体热电性质与接点 温度。因此，接入导 体材料要尽量与热电 偶热电性质相近 Date 11 标准电极定律 如果A，B对标准电极C材料的热电动势已知，则A，B构 成热电偶时的热电动势为它们分别对C构成的热电偶时产生 的热电动势的代数和。 热电热电 偶温度计计 只要通过实验获得某些 电极与标准电极的热电 动势，则其中任何两个 电极配成的热电偶电动 势可以通过计算获得， 可大大简化热电偶选配 工作 BA T T0 CA T T0 BC T T0 =+ Date 12 连接导体定律 在热电偶回路中，如果热电极A、B分别和连接导体A、 B相连，其接点温度分别为T，TC 和T0，则回路的总热电势 等于热电偶的热电势和连接导体的热电势的代数和。即 热电热电 偶温度计计 T A B T 0 EAB(T， T0) TC TC A B 此性质为工业测温 引入补偿导线提出 了理论基础 Date 13 中间温度定律 热电偶A、B在接点温度为T，T0 时的热电势等于热电偶 A、B在接点温度为T，TC 和TC ，T0 的热电势的代数和，即 热电热电 偶温度计计 A T B T 0 EAB(T， T0) TC TC A B 根据此性质，只要列 出热电势在冷端为 0的分度表，就可 以求出冷端在其它温 度时的热电势值 Date 14 例：用镍铬镍硅（ K型）热电偶测量某一温度，若冷端温度为25， 测得的热电势为20.54mV，求测量端的实际温度，反之，若已知测量端 实际温度为800 ，其它条件同上，则测得的热电势应为多少？ 热电热电 偶温度计计 温度T() K型热电偶热电 势E(mV) 251.000 49720.516 49820.559 52121.540 77532.247 80033.275 查K型热电偶分度表，得设备真实温 度为521。 Date 15 热电热电 偶温度计计 2.4 标准和非标准热电偶 任何两种导体都可组成热电偶，但作为测温的热电偶需满足： 电势值大，随温度单调上升，最好线性 材料易获得，有较好的延展性，易于加工 热电性质稳定；复现性好，价格低，物理、化学性稳定 电极的电阻小，温度系数小 按照工业标准化要求，可将热电偶分为标准化和非标准化热电偶两种。 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，具有统一的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换，精度有一定的保证，并有配 套的显示和记录仪表可供选用。 非标准化热电偶：虽然已有产品，也能够使用，但没有统 一的标准，使用前仍需个别标定来确定热电势和温度之间的关系 的热电偶，其存在的主要目的是进一步扩展高温和低温的范围。 Date 16 热电热电 偶温度计计 热电偶名称 分度号 热电极性识别 E(100，0) （mV） 测温范围（ ） 对分度表允许偏差 新极性识别长期短期 等级使用温度允差 铂铑 10铂 S正亮白较硬0.64601300160 0 6001.5 负亮白较软6000.25t 铂铑 13铂 R正较硬0.647 01300 160 0 1100 0.25t 铂铑 30铂6 B 正较硬 0.03301600 180 0 6008004 负较软800 0.5t 镍铬镍硅K正不亲磁4.096-200 1200 130 0 -401300 2.5 或 0.75t 负稍亲磁-200402.5 或 1.5t 镍铬硅镍 硅 N 正不亲磁 2.774 -200 1200 130 0 -401100 1.5 或 0.4t 负稍亲磁-4013002.5 或 0.75t 镍铬康铜E正暗绿6.319-200760 850-40900 2.5 或 0.75t 负亮黄-20040 2.5 或 1.5t 铜康铜T正红色4.279-200350 400-403501 或0.75 t 负银白色-200401 或1.5 t 铁康铜J正亲磁5.269-40600 750-40750 2.5 或0.75 t 负不亲磁 标准化热电偶技术数据 价格便宜，耐H2和CO2气体腐蚀蚀，在含碳或铁铁的条件 下使用也很稳稳定，可用于真空、氧化、还还原和惰性气 氛中，适用于化工生产过产过 程的稳稳定测测量 热电势较热电势较 大，灵敏度高，线线性度和复现现性好，中低温 稳稳定性好，耐磨蚀蚀，价格便宜，广泛用于中低温测测量 准确度较较高，灵敏度是所有标标准热电热电 偶中最高的，稳稳 定性好，价格便宜，广泛用于低温测测量，可用于湿度 较较大的环环境中 在相同条件下，特别别是11001300高温条件下，高 温稳稳定性和使用寿命较较K型有成倍提高，价格远远低于 S型热电热电 偶，而性能相近，在2001300范围围内 ，有全面代替廉价金属热电热电 偶和部分S型热电热电 偶的趋趋 势势 热电势热电势 大，灵敏度高、线线性好，性能稳稳定，复现现性好 、价格较较便宜，广泛用于高温测测量，是目前用量最大 的廉金属热电热电 偶 优优点：测测量上限高，稳稳定性好，在冷端温度低于100 时时不用考虑虑温度补偿问题补偿问题 ， 缺点：热电势热电势 小，线线性较较差，线线性差且价格高，高温 情况下机械强度下降，抗污污染能力差 与S型热电热电 偶的综综合性能相当，但稳稳定性和复现现性优优 于S型，热电势热电势 比S型大15，主要用于进进口设备设备 的 附带测带测 温装置 优优点：热电热电 特性稳稳定，抗氧化性强，使用寿命长长，测测 温范围围广，测测量精度高 缺点：热电势热电势 小，灵敏度低，线线性差且价格高，高温 情况下机械强度下降，对污对污 染敏感 用途：可做为为基准热电热电 偶，用于精密测测量 Date 17 热电热电 偶温度计计 非标准化热电偶： 贵金属热电偶：铂铑系列（最高测温1850，热电势为线 性，稳定性好） 铱铑系列 （最高测温2250，热电势大，线性 好） 铂金（稳定性好，主要用于航天技术和高精度测量领域） 贵廉金属混合式热电偶：金铁合金（主要用于低温测量 ，测温范围2700 ）双铂钼系列（正负极均为铂钼合金， 但合金中元素比例不同，如铂5钼铂1钼热电偶可用于核辐射场 合中，也可在真空和惰性气体中长期使用，最高温度为1600 ） 难熔金属热电偶：钨铼合金热电偶（熔点高于3000 ，最 高测温25002800 ，在冶金、建材、航空航天和核能工业中 应用广泛）钨钼热电偶（最高测温2000 ，价格便宜，但热电 势小） 非金属热电偶：目前处于研究阶段，瓶颈问题是复现性和 机械强度差，但热电势非常大，如碳硅碳热电偶在1700 可 达508mV，是金属热电偶的近百倍，测温上限可达3000 Date 18 2.5 热电偶的冷端处理与补偿 问题的提出： 从热电偶的测温原理可知，热电势的大小不仅和热端温度 有关，而且也和冷端温度有关，只有当冷端温度固定不变， 才能通过热电势的大小去判断热端温度的高低。当冷端温度 波动较大时？ 解决的办法： 将热电极延长冷端引到一个温度稳定的地方，然后再考 虑将冷端温度处理为0 热电偶的冷端处理和补偿! 常用的方法： 补偿导线法，冰点槽法，计算修正法，冷端补偿器法，软 件修正法 热电热电 偶温度计计 Date 19 补偿导线法 采用一定温度范围内（如20100），热电性质与热 电偶的热电性质基本相同，但材料不同、价格较便宜的金属 导体将热电偶的热电极延长，由于A、B的热电性质与A、 B相近，可将其视为A、B电极的延长不会产生附加热电势 。 热电热电 偶温度计计 A T B C A B T0 T0 用到的定律： 连接导线定律 中间温度定律 Date 20 补偿导线的特点 通常由补偿导线合金丝、绝缘层、 护套和屏蔽层组成，在一定温度范围内具有和所 匹配的热电偶热电势标称值相同的特性; 采用补偿导线可改善热电偶测温线 路的物理性能和机械性能。采用多股线芯或小线 径补偿导线可提高线路挠性，接线方便，也可调 节线路电阻和屏蔽外界的干扰; 采用补偿导线可降低线路成本，节 约热电偶材料。 补偿导线的分类 延长型：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，字 母“X”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下与 配用的热电偶的热电势标称值相同，用字母“C” 表示 热电热电 偶温度计计 补补 偿偿 导导 线线 合 金 丝丝 Date 21 热电热电 偶温度计计 补偿导线的型号、线芯材质和绝缘层着 色 Date 22 热电热电 偶温度计计 必须注意的问题 补偿导线只能在规定的温度范围 内（一般为0100）与热电偶的热电势相等 或相近； 不同型号的热电偶有不同的补偿 导线； 热电偶和补偿导线的二个接点要 保持同温； 补偿导线有正负极，分别与热电 偶的正负极相连； 补偿导线的作用只是延伸热电偶 的自由端，当自由端温度不等于0时，还需要 进行其他的补偿与修正； 不同的补偿导线有不同的颜色。 Date 23 参比端恒温法 在工业应用时，一般把补偿导线的末端(即热电偶的自 由端)引至电加热的恒温器中，使其维持在某一恒定的温度。通常 一个恒温器可供多支热电偶同时使用。在实验室及精密测量中， 通常把自由端放在盛有绝缘油的试管中，然后再将其放入装满冰 水混合物的容器中，以使自由端温度保持为0，这种方法称为 冰点槽法。 热电热电 偶温度计计 Date 24 热电热电 偶温度 计算修正法 用补偿导线把热电偶的自由端延长到t0处(通常是环境温度) ，只要知道该温度值，并测出热电偶回路的电势值，通过查 热电偶分度表计算的方法，就可以求得被测实际温度。 0 冷端热端 由于热电势的非线性，热电势是温度函数的差，而不是温 差的单值函数 Date 25 例：用分度号为S型的铂铑铂热电偶测量某设备温度，测 得的热电势为12mV，冷端温度为25，求设备的真实温度 ，如改用K型热电偶，在相同的条件下，测得的热电势应为 多少？ 热电热电 偶温度计计 温度T() 热电势E(mV) K型热电偶S型热电偶 251.0000.143 29812.1432.305 30312.3332.354 31913.0002.497 32413.2032.534 120448.98411.999 121649.42012.143 121949.52912.173 查S型热电偶分度表，得设备 真实温度为1216。 改用K型热电偶，相同条件下， 测得的热电势应为48.420mV。 Date 26 冷端补偿器法 采用一个铜电阻，三个锰铜电阻构成不平衡电桥。且 UEAB(t，t0)Uab 冷端t00 回路热电势EAB(t，t0)减小 RCu增大电桥不再平衡 Uba增大 Uba和热电势串联，电势叠加，起补偿作用。择合适的R值，使Uba增 加值等于EAB(t，t0)减小值，可完全消除冷端变化影响。 热电热电 偶温度计计 测温元件 要求： 1）不同分度号的热电偶配用不同的冷端补偿器 2）补偿器中铜电阻必须与冷端同温 3）补偿范围有限（一定精度内，一般为050 ） 4）极性不能接反 A t B mV a b d c Date 27 例：有一个实际的热电偶测温系统，两个热电极的材料为镍铬和镍硅，L1和L2分别 为配镍铬镍硅热电偶的补偿导线，测量系统配K型热电偶的温度显示仪表(带补偿 电桥)来显示被测温度的大小，设t 300。tc50，t020，求测量回路 的总电势及温度仪表的读数； 解：由题意可知，使用的热电偶分度号为K型，则回路总电势 式中， 为K型热电偶产生的热电势， 为配K型热电偶补偿导线产生的 热电势， 为补偿电桥提供的电势。由于补偿导线和补偿电桥都是配K型热电 偶的，因此，这两部分产生的电势可近似为 和 ，所以总电势可进 一步写为 把t 300带入上式，并查K型热电偶 分度表，得E=12.209mV，显示仪表读数 仍为300 热电热电 偶温度计计 补偿电桥 补偿导线显示仪表 镍铬 镍硅 热电偶 温度T() 热电势E(mV) K型热电偶E型热电偶 200.7981.192 502.0233.048 1887.65912.537 1897.69912.610 27010.97318.713 27111.02118.790 30012.20921.036 Date 28 如补偿导线为普通的铜导线，或显示仪表为配E型热电偶的，则测量回路的总 电势和温度的显示值为多少。 当补偿导线为普通铜导线时，(显示仪表配K型热电偶)，则 ，那么回路总电势为： 查K型热电偶分度表，得 当显示仪表为配E型热电偶(补偿导线连接正确时)，则 ，那么回路