热电偶式传感器的应用与发展

1、系系 别：电子信息与电气工程系别：电子信息与电气工程系组组 员：王鹏飞员：王鹏飞 熊王来熊王来 顾胜池顾胜池 黄安福黄安福班班 级：级：1010级自动化（级自动化（1 1）班）班指导老师：储指导老师：储 忠忠 1热电偶式传感器的基本原理热电偶式传感器的基本原理 2热电偶式热电偶式传感器的材料结构传感器的材料结构 3热电偶式热电偶式传感器的应用发展传感器的应用发展 1、工作原理、工作原理 热电偶的测温原理基于热电效应，如图所示。将两种不热电偶的测温原理基于热电效应，如图所示。将两种不同材料的导体同材料的导体A A和和B B串接成一个闭合回路，当两个接点电串接成一个闭合回路，当两个接点电T T和和

2、T0T0的温度不同时，如果的温度不同时，如果TToTTo在回路中就会产生热电动势，并在回在回路中就会产生热电动势，并在回路中有一定大小的电流，此种现象称为热电效应，记为路中有一定大小的电流，此种现象称为热电效应，记为EABEAB，导体导体A A，B B称为热电极。接点称为热电极。接点T T通常是焊接在一起的，测量时将通常是焊接在一起的，测量时将它置于测温场所感受被测温度，故称为测量端它置于测温场所感受被测温度，故称为测量端( (或工作端、热或工作端、热端端) )。接点。接点T T要求温度恒定，称为参考端要求温度恒定，称为参考端( (或冷端或冷端) )。热电动势是。热电动势是由两种导体的接触电势

3、和单一导体的温差电势所组成，热电动由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势所组成，热电动势的大小与两种导体材料的性质及接点温度有关。势的大小与两种导体材料的性质及接点温度有关。 一、热电偶式传感器的基本原理一、热电偶式传感器的基本原理Bt0BtAt0At 图图1 原理图原理图 热电偶回路总电动势：热电偶回路总电动势： 热电偶回路中的温差电动势很小，忽略之，可得热电偶回路中的温差电动势很小，忽略之，可得： 热电偶回路中热电动势的大小：热电偶回路中热电动势的大小：（1）取决于两接点间的温度差）取决于两接点间的温度差（2）取决于两种不同电极的材料。与电路形状无关。）取决于两种不同电极的材料。与电路形

4、状无关。如果冷端温度如果冷端温度t0t0不变，被测温度不变，被测温度t t可通过温差电动势获得。可通过温差电动势获得。),(),()()(),(0000ttettetetettEBAABABAB)()(),(00tetettEABABAB)()(0teteBAAB（t0端以端以B为正）为正）（1）中间导体定律）中间导体定律 由导体由导体A、B组成的热电偶回路当引组成的热电偶回路当引入第三种导体入第三种导体C时，只要保持第三时，只要保持第三种导体种导体C两端的温度相同，引入导两端的温度相同，引入导体体C后对回路总电势无影响，即回后对回路总电势无影响，即回路中总的热电势与引入第三导体无路中总的热电

5、势与引入第三导体无关，这就是中间导体定律。根据这关，这就是中间导体定律。根据这一定律，如果需要在回路中引入多一定律，如果需要在回路中引入多种导体，只要保证引入的导体两端种导体，只要保证引入的导体两端温度相同，均不会影响热电偶回路温度相同，均不会影响热电偶回路中的热电势，根据此定律可以在回中的热电势，根据此定律可以在回路中方便地连接各种导线及显示仪路中方便地连接各种导线及显示仪表。表。2、热电偶基本定律、热电偶基本定律（2）均质导体定律）均质导体定律 由一种均匀介质导体组成的闭合回路，不论导体的截由一种均匀介质导体组成的闭合回路，不论导体的截面、长度以及各处的温度分布如何，均不产生热电势。面、长

6、度以及各处的温度分布如何，均不产生热电势。图图2.有中间导体的热电偶回路有中间导体的热电偶回路该定律说明：如果热电偶的两根热电极是由两种该定律说明：如果热电偶的两根热电极是由两种均质导体组成，那么热电偶的热电势仅与两接点温均质导体组成，那么热电偶的热电势仅与两接点温度有关，与沿热电极的温度分布无关。如果热电极度有关，与沿热电极的温度分布无关。如果热电极为非均质导体，当处于具有温度阶梯的情况时，将为非均质导体，当处于具有温度阶梯的情况时，将会产生附加电势，引起测量误差。所以，热电极材会产生附加电势，引起测量误差。所以，热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的主要指标之一。料的均匀性是衡量热电偶质量的

7、主要指标之一。（3）中间温度定律中间温度定律 在热电偶测温回路中，常会遇到热电极的中间在热电偶测温回路中，常会遇到热电极的中间连接问题，如果连接点的温度为连接问题，如果连接点的温度为tn ，连接导体，连接导体A或或B的热电特性相同，则总的热电势等于热电偶与连的热电特性相同，则总的热电势等于热电偶与连接导体的热电势的代数和。接导体的热电势的代数和。EABBA（t,tn,t0）=EAB（t,tn）+EAB（tn,t0） 根据这定律，在实际测温中按照现场的根据这定律，在实际测温中按照现场的安情况，可以连接热电特性相同的导体安情况，可以连接热电特性相同的导体AA或或BB，起到延长热电极的作用，以适合不

8、，起到延长热电极的作用，以适合不同的安装要求。同的安装要求。如果导体如果导体A、B分别与第三导体分别与第三导体C组成热电偶，他们的测量端组成热电偶，他们的测量端温度均为温度均为t，参考端温度均为，参考端温度均为t0产生的热电势分别为产生的热电势分别为EAC（t,t0）和和EBC（t,t0），由导体），由导体A、B组成的热电偶产生的热电势可以按下组成的热电偶产生的热电势可以按下式计算式计算EAB（t,t0）=EAC（t,t0）-EBC（t,t0）=EAC（t,t0）+ECB（t,t0）这里采用的导体这里采用的导体C称为标准电极，一般所用材料为纯铂，因为铂容称为标准电极，一般所用材料为纯铂，因为铂

9、容易提纯，物理化学性质稳定，熔点较高，这种方法大大方便了热电易提纯，物理化学性质稳定，熔点较高，这种方法大大方便了热电偶的选配工作，只要知道某些材料与标准电极相配的热电势，就可偶的选配工作，只要知道某些材料与标准电极相配的热电势，就可以由上述定律求出任何两种材料组成热电偶的热电势。以由上述定律求出任何两种材料组成热电偶的热电势。 （3）标准电极定律）标准电极定律 图图3 中间温度中间温度二、热电偶材料、结构和种类热电偶材料、结构和种类常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所谓标准热电偶是指按照国家标准，确定了其热电势与温度的关系，谓标

10、准热电偶是指按照国家标准，确定了其热电势与温度的关系，有统一的标准分度表。而非标准化热电偶在使用范围或数量级上有统一的标准分度表。而非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。通常所说的热电偶指的是标准热电偶，而在工特殊场合的测量。通常所说的热电偶指的是标准热电偶，而在工业测量中使用得最多的标准热电偶主要有业测量中使用得最多的标准热电偶主要有E (镍铬镍铬 铜镍铜镍)、K (镍镍铬镍硅铬镍硅)、J(铁一铜镍铁一铜镍)、T(铜一铜镍铜一铜镍)四种类型。每种热电偶材四种类型。每种热

11、电偶材料都有常用的测温范围，如最常用的料都有常用的测温范围，如最常用的K型热电偶，其覆盖测量温型热电偶，其覆盖测量温区为区为2701370C，常使用的温度范围为，常使用的温度范围为0600。1 1、对制成热电偶的材料的要求：、对制成热电偶的材料的要求： （1 1）温度测量范围广，温度线性度好，测量精确度高，）温度测量范围广，温度线性度好，测量精确度高，输出热电动势大。输出热电动势大。 （2 2）热电性能稳定。）热电性能稳定。 （3 3）物理化学性能好。不蒸发、抗氧化等。）物理化学性能好。不蒸发、抗氧化等。2、 标准化热电偶的特性热电偶种类热电偶种类优点优点缺点缺点B B适于测量适于测量1000

12、1000以上的高温以上的高温常温下热电动势极小，可不用补偿导线常温下热电动势极小，可不用补偿导线抗氧化、耐化学腐蚀抗氧化、耐化学腐蚀在中低温领域热电动势小，不能用于在中低温领域热电动势小，不能用于600600以以下下热电动势的线灵敏度低热电动势的线灵敏度低性不好性不好R R、S S精度高、稳定性好，不易劣化精度高、稳定性好，不易劣化抗氧化、耐化学腐蚀抗氧化、耐化学腐蚀可作标准可作标准灵敏度低灵敏度低不适用于还原性气氛不适用于还原性气氛( (尤其是尤其是H2H2、金属蒸气、金属蒸气) )热电动势的线性不好热电动势的线性不好价格高价格高N N热电动势线性好热电动势线性好12001200以下抗氧化性

13、能良好以下抗氧化性能良好短程表序结构变化影响小短程表序结构变化影响小不适用于还原性气氛不适用于还原性气氛同贵金属势电偶相比时效变化大同贵金属势电偶相比时效变化大K K热电动势线性好热电动势线性好10001000下抗氧化性能良好下抗氧化性能良好在廉金属热电偶中稳定性更好在廉金属热电偶中稳定性更好不适用于还原性气氛不适用于还原性气氛同贵金属热电偶相比时效变化大同贵金属热电偶相比时效变化大因短程有序结构变化而产生误差因短程有序结构变化而产生误差E E在现有的热电偶中，灵敏度最高在现有的热电偶中，灵敏度最高同同J J型相比，耐热性能良好型相比，耐热性能良好两极非磁性两极非磁性不适用于还原性气氛不适用于

14、还原性气氛热导率低具有微滞后现象热导率低具有微滞后现象J J可用于还原性气氛可用于还原性气氛热电动势较热电动势较K K型高型高20%20%左右左右铁正极易生锈铁正极易生锈热电特性漂移大热电特性漂移大T T热电动势线性好热电动势线性好低温特性好低温特性好产品质量稳定性好产品质量稳定性好可用于还原性气氛可用于还原性气氛使用温度低使用温度低铜正极易氧化铜正极易氧化热传导误差大热传导误差大3、非标准化热电偶 名称名称热电极材料热电极材料使用温度使用温度范围范围()()过热使用温过热使用温度度范围范围()()特征特征正极正极负极负极钨莱系钨莱系Wre5Wre5、Wre3Wre3Wre26Wre26、Wr

15、e25Wre250 02300230030003000适用于还原性、适用于还原性、H2H2及惰性及惰性气体。质脆气体。质脆铂铑系铂铑系PtRh20PtRh20、PtRh40PtRh40PtRh5PtRh5、PtRh20PtRh203003001500150011001100160016001800180018001800在高温下使用，热电动势在高温下使用，热电动势小，其它性能与小，其它性能与R R型相同型相同铱铑系铱铑系Ir Ir、Ir Ir、Ir IrIrRh40IrRh40、IrRh50IrRh50、IrRh60IrRh60110011002000200021002100适用于真空、惰性气

16、体及适用于真空、惰性气体及微氧化性气氛。质脆微氧化性气氛。质脆镍钼系镍钼系NiNiNiMo18NiMo180 012801280/ /可用于还原性气氛，热电可用于还原性气氛，热电动势大动势大钯铂系钯铂系PdPd、PtPt及及AuAu合金合金AuAu、PdPd合金合金0 01100110013001300耐磨性能强，热电动势的耐磨性能强，热电动势的大小基本上与大小基本上与K K型相同型相同镍铬、镍铬、金铁金铁以以Ni-CrNi-Cr为主的合金为主的合金含含0.07mo1%Fe0.07mo1%Fe的的合金合金0 0300K300K/ /20K20K以下热电动势比较大，以下热电动势比较大，热电动势的

17、线性好热电动势的线性好银金、银金、金铁金铁含含AuAu为为0.37mo1%0.37mo1%的合金的合金含含0.03mo1%Fe0.03mo1%Fe的的Au-FeAu-Fe合金合金1 140K40K/ /热电动势小，受磁场影响热电动势小，受磁场影响三、热电偶传感器应用与发展三、热电偶传感器应用与发展1、热电偶传感器应用的行业、热电偶传感器应用的行业:（1）化工行业（热电偶自动检定系统）化工行业（热电偶自动检定系统）（2）钢铁工业：用于连续测量钢水的）钢铁工业：用于连续测量钢水的温度温度 （3）用于反应堆测温）用于反应堆测温 （4）在天然气净化厂中的应用）在天然气净化厂中的应用 （5）用于电厂温度

18、的快速测量）用于电厂温度的快速测量,（6）在建筑节能检测中的应用）在建筑节能检测中的应用弹簧固定热电偶 高温防爆热电偶 漏钢是连铸生产中一种灾难性的事故，漏钢会损坏设漏钢是连铸生产中一种灾难性的事故，漏钢会损坏设备，降低作业率，给企业造成很大的经济损失。连铸备，降低作业率，给企业造成很大的经济损失。连铸漏钢可分为粘结漏钢、夹渣漏钢、裂纹漏钢等，漏钢漏钢可分为粘结漏钢、夹渣漏钢、裂纹漏钢等，漏钢与钢水成分、温度、设备状况、保护渣性能以及操作与钢水成分、温度、设备状况、保护渣性能以及操作水平有密切联系。生产过程中的漏钢事故一般为铸坯水平有密切联系。生产过程中的漏钢事故一般为铸坯出生壳在结晶器内发生

19、粘结或其他异常情况没有得到出生壳在结晶器内发生粘结或其他异常情况没有得到补救，出结晶器时没有达到足够的安全厚度而导致漏补救，出结晶器时没有达到足够的安全厚度而导致漏钢。为了减少漏钢事故发生，人们一直致力于开发漏钢。为了减少漏钢事故发生，人们一直致力于开发漏钢预报系统。通过在结晶器铜板中埋入温度传感器热钢预报系统。通过在结晶器铜板中埋入温度传感器热电偶对铜板进行热监控，镭目科技有限责任公司通过电偶对铜板进行热监控，镭目科技有限责任公司通过对影响漏钢预报系统准确率因素的研究，采取了一系对影响漏钢预报系统准确率因素的研究，采取了一系列的改进措施，成功研制出一种高准确率的漏钢预报列的改进措施，成功研制

20、出一种高准确率的漏钢预报系统，目前该系统已经在国内多家钢厂成功运行，得系统，目前该系统已经在国内多家钢厂成功运行，得到了广泛的好评。到了广泛的好评。2、热电偶在具体工程中的应用、热电偶在具体工程中的应用漏钢预报系统，是一种可以通过分析分布在结晶器壁上的热漏钢预报系统，是一种可以通过分析分布在结晶器壁上的热电偶采集到的温度变化，得知坯壳破裂处及其扩展，从而检电偶采集到的温度变化，得知坯壳破裂处及其扩展，从而检测出漏钢趋势并进行报警的设备。测出漏钢趋势并进行报警的设备。RAMONRAMON漏钢预报系统主要漏钢预报系统主要由以下几部份组成：现场操作箱、控制柜、工控机、热电偶由以下几部份组成：现场操作

21、箱、控制柜、工控机、热电偶模块、连接器、热电偶、热电偶保护套管、离线检测装置等模块、连接器、热电偶、热电偶保护套管、离线检测装置等部分组成，如图所示。部分组成，如图所示。正常浇注情况下，正常浇注情况下， 由于结晶器内新生高温坯壳的不断向由于结晶器内新生高温坯壳的不断向下运动，上排热电偶温度大于下排热电偶的温度；当坯壳下运动，上排热电偶温度大于下排热电偶的温度；当坯壳发生粘结被拉断时，补入的钢水直接和铜板接触，上排热发生粘结被拉断时，补入的钢水直接和铜板接触，上排热电偶温度升高，拉断处会形成薄弱的坯壳并将继续向下运电偶温度升高，拉断处会形成薄弱的坯壳并将继续向下运动，在钢水静压力的作用下紧贴铜壁

22、，使下排的热电偶温动，在钢水静压力的作用下紧贴铜壁，使下排的热电偶温度也随之上升度也随之上升 ” ”。当粘结严重时，会使两个热电偶的温。当粘结严重时，会使两个热电偶的温升达到一定值，如果温升超过允许值，系统便发出漏钢报升达到一定值，如果温升超过允许值，系统便发出漏钢报警，报警原理如图警，报警原理如图2 2所示。所示。3 3、热电偶传感器发展趋势、热电偶传感器发展趋势 近年来随着科学技术的发展，热电偶传感器的缺近年来随着科学技术的发展，热电偶传感器的缺点不断地被克服，应用也越来越广泛。尤其是出现了点不断地被克服，应用也越来越广泛。尤其是出现了数字式智能化的热电偶传感器，它是一种先进的数字数字式智能化的热电偶传感器，它是一种先进的数字式测量系统，将其测量部件技术与微处理器的计算功式测量系统，将其测量部件技术与微处理器的计算功能结合为一体，使得测量仪表至控制仪表成为全数字能结合为一体，使得测量仪表至控制仪表成为全数字化系统。化系统。太阳能发电是太阳能利用的一个重要方面，太阳能发电是太阳能利用的一个重要方面，目前人们在太阳