热电偶温度计的测温原理选型及其应用

1、自动检测技术及仪表课程设计报告热电偶温度计的测温原理、选型及其应用学院： 班级： 姓名： 学号： 目 录 一 摘要 3二 热电偶温度计的测温原理 3 2.1 热电偶的测温原理 3 2.2 接触电势 4 2.3 温差电势 4 2.4 热电偶温度计闭合回路的总热电势 4 三 热电偶温度计的组成结构及其作用和特 5 3.1 热电偶温度计的组成结构 5 3.2 热电偶温度计的作用及特点 6 四 热电偶温度计测温技术中涉及到的定则 7 4.1 均质导体定则 7 4.2 中间导体定则 7 4.3 连接导体和中间温度定则 8五 热电偶温度计的误差分析及选型 8 5.1 影响测量误差的主要因素 8 插入深度

2、8响应时间 9热辐射 10冷端温度 115.2 热电偶温度计的选型 11六 现场安装及其注意事项 13七 总结 13八 参考文献 15一、 摘要热电偶温度计是一种最简单最普通，测温范围最广的温度传感器，是科研生产最常用的温度传感器。在使用时不注意，也会引起较大测量误差。针对当前存在的问题，详细探讨影响测量误差的主要因素：热电偶插入深度响应时间热辐射及冷端温度等因素对测量的影响；在使用时应该怎样选择热电偶温度计，以及使用时的一些安装注意事项，这对提高测量精度，延长热电偶寿命，都有一定的意义。二、 热电偶温度计的测温原理热电偶温度计是一种感温元件 , 把温度信号转换成热电动势信号 , 通过电气仪表

3、转换成被测介质的温度。热电偶测温的基本原理是两种不同成份的均质导体组成闭合回路 , 当两端温度不同时 , 回路中就会产生电势，这种现象称为热电效应（或者塞贝克效应）。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端， 温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系 , 制成热电偶分度表 ；分度表是自由端温度在 0°C 时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。在热电偶回路中接入第三种金属材料时 , 只要该材料两个接点的温度相同 , 热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。因此 , 在热电偶测温时 , 可接入测

4、量仪表 , 测得热电动势后 , 即可知道被测介质的温度。热电偶温度计测温原理图如图所示：其中，T是热端、工作端或者测量端，称为冷端、自由端或者参比端。A和B称为热电极，热电势的大小由接触电势和温差电势决定。（1）接触电势：也叫珀尔电势，其大小表示为： 其中：导体A和B在温度为T时的接触电势，A和B的顺序代表电动势的方向；k玻尔兹曼常数；T接触处的绝对温度；e单位电荷量；、分别为金属A和B的自由电子密度。由接触电势的公式可知：接触电势的数值取决于导体材料的性质和接触点的温度；接触点的温度越高，接触电势越大；两种导体电子密度的比值越大，接触电势也越大。（2）温差电势：是基于汤姆逊效应产生的，即同一

5、导体的两端因其温度不同而产生的电动势。 其大小表示为： 其中：a、B分别为导体A和B的汤姆逊系数；eA（T，）、eB（T，）分别为导体A和B两端温度在T 和（T >）时的温差电势；K玻尔兹曼常数；T接触处的绝对温度；e单位电荷量；温差电势的大小与导体材料的性质及两端的温度差有关，温差越大，温差电势也越大，当T=T0时，温差电势为零。（3）热电偶温度计闭合回路的总热电势如图所示，热电偶闭合回路中，回路总电势由4个部分组成，2个温差电势：（T，）和（T，），2个接触电势（T）和（），其大小和方向如图中所示，则总电势为由上面的式子可知，热电偶总电势与两接点温度有关。若使冷端温度固定，即（）=

6、C（常数），则对确定的热电偶材料，其总电势只与热端温度T有关，即所以，热电偶所产生的热电势只和热端温度T有关，因此测得热电势的大小，就可求得热端温度T，这就是用热电偶测量温度的工作原理。三、 热电偶温度计的组成结构及其作用和特点1、 热电偶温度计的组成结构从结构形式上看，热电偶可以分为：普通型、铠装型、薄膜型三种。热电偶的基本结构是热电极，绝缘材料和保护管；并与显示仪表、记录仪表或计算机等配套使用。在现场使用中根据环境，被测介质等多种因素研制成适合各种环境的热电偶。 热电偶简单分为装配式热电偶，铠装式热电偶和特殊形式热电偶；按使用环境细分有耐 高温热电偶，耐磨热电偶，耐腐热电偶，耐高压热电偶，

7、隔爆热电偶，铝液测温用热电偶，循环硫化床用热电偶，水泥回转窑炉用热电偶，阳极焙烧炉用热电偶，高温热风炉用热电偶，汽化炉用热电偶，渗碳炉用热电偶，高温盐浴炉用热电偶，铜、铁及钢水用热电偶，抗氧化钨铼热电偶，真空炉用热电偶，铂铑热电偶等为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下：（1）组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；（2） 两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；（3）补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；（4）保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。2、 热电偶温度计的作用和特点（1）作用： 热电偶温度计实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度。用

8、于测量各种温度物体，测量范围极大，远远大于酒精、水银温度计。它适用于炼钢炉、炼焦炉等高温地区，也可测量液态氢、液态氮等低温物体。（2）特点： 测量精度高：热电偶与被测对象直接接触，把温度信号直接转换成直流电势信号，便于信号的传递与显示，不受中间介质的影响； 动态响应时间快：热电偶对温度变化反应灵敏，可以远传4-20mA电信号，便于自动控制和集中控制； 测量范围广：可达 -200 2000以上，是应用最广的测温传感器；结构简单、体积小、易加工，性能可靠， 机械强度好； 使用寿命长，安装方便。四、热电偶温度计测温技术中涉及到的定则1、均质导体定则由均质材料（指电子密度处处相同）构成的热电偶，热电势

9、仅与组成热电偶的材料、热端和冷端的温度有关，而与热电偶的几何形状、尺寸大小和沿电极温度分布无关。结论：（1）热电偶必须由两种不同性质的材料组成，且热电偶两接点温度不同。（2）由一种材料组成的闭合回路存在温差时，回路如果产生热电势，便说明该材料是不均匀的。这也是检查热电极材料均匀性的一种方法。2、中间导体定则 在热电偶回路的任何地方插入第三种均质导体，只要保证插入的第三种导体两端温度相同，则插入第三种导体后，对热电偶回路中的总电势没有影响。 如图所示：作用：为在热电偶回路中连接仪表、连接导线等提供理论依据。即只要保证连接导线、仪表等接入时两端温度相同，则不影响回路热电势。3、 连接导体和中间温度

10、定则在热电偶回路中，若热电极A、B分别与导体A、B相连，接点温度分别为T，和时，则回路总电势为热电偶的热电势EAB（T，）与连接导体热电势EAB（，）的代数和连接导体定律。作用：在热电偶回路中应用补偿导线提供了理论依据；为制定和使用热电偶分度表奠定了基础。五、 热电偶温度计的误差分析及选型1、影响测量误差的主要因素（1）插入深度其中包括：a.测温点的选择:热电偶的安装位置，即测温点的选择是最重要的。测温点的位置，对于生产工艺过程而言，一定要具有典型性、代表性，否则将失去测量与控制的意义。 b.插入深度:由热传导而引起的误差，与插入深度有关。而插入深度又与保护管材质有关。金属保护管因其导热性能好

11、，其插入深度应该深一些（约为直径的1520倍），陶瓷材料绝热性能好，可插入浅一些（约为直径的10-15倍）。 （2）响应时间: 接触法测温的基本原理是测温元件要与被测对象达到热平衡。因此，在测温时需要保持一定时间，才能使两者达到热平衡。而保持时间的长短，同测温元件的热响应时间有关。而热响应时间主要取决于传感器的结构及测量条件，差别极大。对于气体介质，尤其是静止气体，至少应保持30min以上才能达到平衡；对于液体而言，最快也要在5min以上。    对于温度不断变化的被测场所，尤其是瞬间变化过程，全过程仅1秒钟，则要求传感器的响应时间在毫秒级。因此，普通的

12、温度传感器不仅跟不上被测对象的温度变化速度出现滞后，而且也会因达不到热平衡而产生测量误差。最好选择响应快的传感器。对热电偶而言除保护管影响外，热电偶的测量端直径也是其主要因素，即偶丝越细，测量端直径越小，其热响应时间越短。测温元件热响应误差可通过下式确定1。=0exp（-t/） 其中 t测量时间S，在 t时刻，测温元件引起的误差，K或0“t=0” 时刻，测温元件引起的误差，K或时间常数S e 自然对数的底（2.718）因此，当t=时，则=0/e即为0.368，如果当t=2时,则=0/e2即为0.135。当被测对象的温度,以一定的速度(k/s或/s)上升或下降时,经过足够的时间后,所产生的响应误

13、差可用下式表示：=- 其中经过足够时间后，测温元件引起的误差。由式式可以看出，响应误差与时间常数（）成正比。（3）热辐射插入炉内用于测温的热电偶，将被高温物体发出的热辐射加热。假定炉内气体是透明的，而且，热电偶与炉壁的温差较大时，将因能量交换而产生测温误差。在单位时间内，两者交换的辐射能为P，可用下式表示：P=（Tw4 - Tt4 ）（23）其中斯忒藩波尔兹常数 发射率Tt热电偶的温度 , K Tw炉壁的温度 ,K在单位时间内,热电偶同周围的气体（温度为T）,通过对流及热传导也将发生热量交换的能量为PP=A（T-Tt）（24）其中 热导率，A 热电偶的表面积在正常状态下，P= P，其误差为：T

14、t-T=（Tt4-Tw4）/（25）对于单位面积而言其误差为Tt-T=（Tt4-Tw4）/（26）因此，为了减少热辐射误差，应增大热传导，并使炉壁温度Tw ，尽可能接近热电偶的温度Tt。另外，在安装时还应注意：热电偶安装位置，应尽可能避开从固体发出的热辐射，使其不能辐射到热电偶表面； 热电偶最好带有热辐射遮蔽套；热阻抗增加的影响。（4）冷端温度：在热电偶测温的过程中，要求热电偶冷端温度必须保持在0°，但是在实际测量过程中，热电偶的热端与冷端离得很近；冷端又暴露在空间；受到设备温度和环境温度的影响，等种种原因使冷端温度偏离0，因此测量结果就产生了偏差。所以要用分度表对热电偶进行标定，实

15、现对温度的准确测量。具体措施是对冷端温度的变化所引起的冷端温度误差予以补偿。 方法：a、补偿导线法； b、冷端恒温法；c、计算修正法；d、模拟补偿法；e、数字补偿法。2、热电偶温度计的选型在熟悉被测对象、掌握各种热电偶特性的基础上，根据使用气氛、温度的高低正确地选择热电偶。一般按照下面几个原则来选择： （1）按使用温度选择当T1000时，多选用廉金属热电偶，如K型热电偶。特点：使用温度范围宽，高温下性能较稳定；当T200300时，最好选用T型热电偶，廉金属热电偶中准确度最高的；或者选择E型热电偶，廉金属金属中热电势变化率最大、灵敏度最高；当T10001400时，多选用R、S型热电偶；当T130

16、0时，可选用N型或者K型热电偶；当T14001800时，多选用B型热电偶。当T1600时，短期可用S型或R型热电偶。当T1800时，常选用钨铼热电偶。（2）根据被测介质选择氧化性气氛：当T1300时，多选用N型或K型热电偶，廉金属热电偶中抗氧化性最强；当T1300时，选用铂铑系热电偶。真空、还原性气氛：当T950时，选用J型热电偶，既可以在氧化性气氛下工作，又可以在还原性气氛下工作工作；当T1600时，应选用钨铼热电偶。（3）根据热电偶丝的直径与长度选择热电极直径：由材料的价格、机械强度、电导率、用途及测温范围等决定。长度：由插入深度及安装条件决定。对于快速反应，选用细直径的电极丝；细直径的电

17、极测量端越小、越灵敏，但电阻也越大；粗直径的热电极丝，提高了测温范围和寿命，但要延长响应时间；热电偶丝的直径与长度，不影响热电势的大小，但与热电偶的使用寿命、动态响应特性及线路电阻有关。六、现场安装及其注意事项1、安装方向：与被测介质形成逆流或正交。如图所示：2、安装位置：工作端应处于管道中流速最大的地方；保护管的末端应越过管道中心线约510mm。3、插入深度：插入深度增加，测温误差将减小；斜插或沿管道轴线方向安装；在最大的允许插入深度条件下，尽可能深插。 4、细管道内（直径80mm)流体温度的测量 常因插入深度不够而引起测量误差；安装时应接扩大管， 选择适宜部位，减小或消除该误差。5、负压管

18、道中流体温度的测量 必须保证其密封性，防外界冷空气吸入，使测量值偏低。 6、接线盒的安装：穿管前检查导线及电缆等有无断头和绝缘性能；管内导线不得有接头或加接线盒；接线盒盖朝上以免雨水或其他流体的侵入。7、如果被测物体很小安装时注意不要改变原来的热传导及对流条件。七、总结热电偶测温是应用最广泛的测温元件之一，应用热电偶测温，其测温范围广，在一定温度范围内使用精度高，性能稳定，结构简单，使用方便，动态特性好，把温度信号直接转换为直流电势信号进行测量。热电偶温度计测温属于接触式测温，直接与被测对象接触，不受中间介质的影响，可以减小测量的误差，提高测量的精度。但是因为测温元件与被测介质需要充分进行热交换,需