过程参数检测及仪表课件第3章接触式温度检测及仪表-热电偶

1、第三章接触式温度检测及仪表,接触式温度检测及仪表,一、膨胀式温度计 1.玻璃液体温度计 2. 双金属温度计 二、压力式温度计 三、热电偶温度计 四、热电阻温度计 温度标尺 1.经验温标 2.国际温标（复现热力学温标）,第一节热电偶温度计,主要内容 第一节 热电现象和关于热电偶的基本定律 第二节 标准化和非标准化热电偶 第三节 热电偶的冷端温度补偿问题 第四节 热电偶的校验,一、热电现象和热电偶温度计 二、热电偶的三条基本定律,一、热电现象和热电偶温度计 1.热电偶：两种不同材料的导体（或半导体）A和B组成闭合回路。A、B是热偶丝，也叫热电极。 2. 热电势：热电偶放在被测对象中，两端温度不同时

2、，会产生的电动势 3. 热电流：回路中通过的电流 4.热端（工作端）、冷端（自由端）：感受温度变化的那端称为热端，另一端称为冷端。 这种物理现象称为热电现象。,热电偶：范围10016000C, 温度信号变成电信号，远传。,先看一个实验热电偶工作原理演示,结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。,热电极A,右端称为：自由端（参考端、冷端）,热电偶的工作原理,左端称为：测量端（工作端、热端）,热电极B,热电势,A,B,上述现象称为热电现象，1821年赛贝克发现的， 也称赛贝克效应,一、热电现象和热电偶温度计 5. 热电势的产生原因： 由温差电势和接触电势组成 1）温差电势：一根导体两端温

3、度不同产生的热电动势 原因：,一、热电现象和热电偶温度计,5. 热电势的产生原因：,2）接触电势：两种不同导体A、B接触时产生原因,3)回路总电动势：A的电子密度大于B，tt0，则回路中存在着四个电势,一、热电现象和热电偶温度计,5. 热电势的产生原因：,热电势的工作原理：某只热电偶，如果使冷端温度t0保持不变，则热电动势便成为热端温度t的单一函数。即， 故测量热电势的大小就可以反映温度的数值,一、热电现象和热电偶温度计,6.热电势的工作原理,二、热电偶的三条基本定律,均匀导体定律、 中间导体定律、 中间温度定律 1. 均匀导体定律 1）定律内容：由一种均匀导体（或半导体）组成的闭合回路，不论

4、温度如何分布，都不能产生电动势。 2）定律推论 （1)热电偶必须由两种不同材料组成 （2)由一种材料组成的闭合回路存在温差时，如回路有热电势，则材料不均匀,2 中间导体定律 1）定律内容：不同材料组成的闭合回路中，若各种材料接触点的温度都相同，则回路中热电势的总和等于零。 2）定律推论 推论1：在热电偶回路接入第三种导体，若第三种导体的两接点温度相同，对回路中总热电势无影响。,二、热电偶的三条基本定律,3)推论1用途: 1)连接显示仪表的两个接点温度相同， 则不影响热电偶电势 2）也可以将热电偶的两端不焊接而直接插入液态金属中或直接焊在金属表面进行温度测量。,二、热电偶的三条基本定律,2 中间

5、导体定律,2 中间导体定律,(4）推论1证明：,t,t0,A,B,B,C,(a),EABC(t,t1,t0)=eAB(t)+ eBC(t1) + eCB(t1)+ eBA(t0) = eAB(t)eAB (t0) = EAB(t,t0),t1,t1,二、热电偶的三条基本定律,1）第一种连接方式,t1,t,A,B,C,(a),EABC(t,t1,t0)=eAB(t)+ eBC(t0) + eCA(t0) 若设tt1t0 ，则根据本定律有 eAB(t0)+ eBC(t0) + eCA(t0) 0 EABC(t,t1,t0)=eAB(t)- eAB(t0)=EAB(t,t0),t0,t0,2 中间导

6、体定律,二、热电偶的三条基本定律,(4）推论1证明,2）第二种连接方式,5)推论2：如果两种导体A,B对另一种导体C的热电势已知，则这两种导体组成热电势=是它们对参考导体热电势的代数和。,二、热电偶的三条基本定律,2 中间导体定律,6）推论2的用途： （1）已知热电极与标准铂电极配对的热电势，任何两种热电极配对的热电势可知。,t,B,A,C,t,EAC,ECB,C,EAC(t, t0) ECB(t, t0) =eAC(t)+ eCB(t) + eBA(t0),+,+,因为 eAC(t)+ eCB(t) + eBA(t)0,所以 EAC(t, t0) ECB(t, t0) =eAB(t)+ eB

7、A(t0)= EAB(t, t0),二、热电偶的三条基本定律,2 中间导体定律,7）推论2的证明,3 中间温度定律 1）定律内容： 热电偶在两接点温度t1、t3时的热电动势等于接点温度分别为t1、t2和t2、t3 的两支同性质热电偶的热电动势的代数和。,+,A,t1,t,2,B,E1,+,A,t,3,B,E2,EAB(t1, t2) EAB(t2, t3) = eAB(t1)+ eBA(t2)+ eAB(t2) + eBA(t3) = eAB(t1) + eBA(t3) = EAB(t1, t3),+,A,t1,t,3,B,E3=E1+E2,二、热电偶的三条基本定律,2)定律的应用： 1）为热

8、电偶热电势温度关系分度奠定了理论基础。 已知热电偶在某一给定冷端温度下，电压对应的温度值，另外冷端温度下，电压应对应什么温度？（修正解决） 2）为工业测温中应用补偿导线提供了理论依据。 1 测温时，其冷端温度要求恒定（？），如直接满足此条件，热电偶冷端直接延伸放到恒温的地方，热电偶很长，价格较高。 2 用补偿导线连接到热电偶的冷端，延伸至恒定冷端温度，在达到冷端温度恒定要求的同时，降低造价。,二、热电偶的三条基本定律,3 中间温度定律,分为补偿型和延伸型 补偿型的材料与对应的热电偶不同，价格便宜，但在低温下热电性质相同 延伸型的材料与对应的热电偶相同，但准确度要求略低 4）使用补偿导线的注意事

9、项 （1）在一定的温度范围内使用 （2）补偿导线与热电偶极热电性质相同 （3）极性不能接反 （4）接入点温度一致,二、热电偶的三条基本定律,3 中间温度定律,3）补偿导线的分类,热电偶通常由热电极、绝缘管、保护套管等几个主要部分组成，其常见外形结构如图所示。,安装螺纹,安装法兰,一、热电极材料及性质 二、标准化热电偶 三 非标准化热电偶 四 热电偶的构造,一、热电极材料及性质 1）物理性质稳定，其热电性质不随时间变化 2）化学性质稳定，不易被氧化和腐蚀 3）灵敏度和线性度好 4）电导率高，电阻温度系数小 5）复制性好，以便交换 6）价格便宜,目前材料无法满足全部要求，不同条件下使用不同的热电极

10、材料。,二、标准化热电偶 标准化热电偶：是指制造工业较成熟，应用广泛，能成批生产、性能优良而稳定并已列入专业或国家工业标准化文件中的那些热电偶 标准化热电偶具有互换性,铂铑10-铂热电偶（分度号S） 铂铑13-铂热电偶（分度号R） 铂铑30-铂铑6热电偶（分度号B） 镍铬一镍硅（镍铬一镍铝）热电偶（分度号K） 镍铬一康铜热电偶（分度号E） 铁一康铜热电偶（分度号J） 铜一康铜热电偶（分度号T） 镍铬硅一镍硅镁热电偶（分度号N） 镍铬一金铁热电偶（分度号NiCrAuFe0.07）及铜一金铁热电偶（分度号CuAuFe0.07）,1. 几种标准化热电偶的性能和特点 1）铂铑10-铂热电偶 分度号为“

11、S”，贵金属热电偶。 常用直径0.5m m。正极：铂铑丝(铂90%，铑l0%)，负极：纯铂丝。 长期使用最高温度达1300 ，短期使用可达1600。 特点：热电性能稳定，精度高，抗氧化性强，宜在氧化性、惰性气氛中工作，在无合适的非金属保护套管时，不能在还原性气氛及含有金属或非金属蒸汽中使用。,二、标准化热电偶,1）铂铑10-铂热电偶 缺点：高温下长期，铂电极易断，对污染敏感，导致热电势下降。它的热电势较小，灵敏度较低；价格昂贵。 故国际温标中规定它为630.741064.43温度范围内复现温标的标准仪器。分度值见附录11. 常用作标准热电偶或用于高温测量,价格贵，精度高，灵敏度低。,二、标准化

12、热电偶,1. 几种标准化热电偶的性能和特点,4 镍铬-镍硅（镍铬-镍铝）热电偶 分度号为“K”，贱金属热电偶。常用直径0.30.32m m。正极：镍铬合金(镍90%，铬10%)，负极：镍硅(镍97%，硅3%)。长期使用最高温度可达1200 ，短期使用可达1300。在500 以下可在还原性、中性、氧性气氛中可靠的工作，在500 以上只能中性、氧性气氛中工作。此热电偶可用于温度很低的含氢或氨的气氛中，而不能用于氧化还原交替的气氛中，也不能用于含硫的气氛中，真空中只能短期使用。其热电势比铂铑10-铂热电偶大45倍，且线性好。分度值见附录13,测温1200以下，贱金属，线性度好，灵敏度大。,6 镍铬-

13、康铜热电偶 分度号为“E”。是一种贱金属热电偶，测温范围为-200900，常用直径0.33.2m m。它的正极是镍铬合金(同KP)，负极是铜镍合金(铜55%，镍45%)。长期使用最高温度可达750 ，短期使用可达900。适合在中性、氧性气氛中工作，其它气氛中使用所受的限制镍铬-镍硅热电偶相同。适合在0以下测温度，在高湿性气氛中不易腐蚀。其特点是每摄氏度下对应热电动势最高，因此经常被串联使用。分度值见附录14,三 非标准化热电偶 在某些特殊场合：高温、低温、超低温、高真空和有核辐射等被测对象中使用 1 钨莱系热电偶 2 铱佬系热电偶 3 铂钼5铂钼0.1热电偶 4 非金属热电偶,特点：不具有互换

14、性，没有统一分度,四 热电偶的构造 1 普通型热电偶 2 铠装热电偶 3 薄膜热电偶,1 普通型热电偶 本体是热电极，绝缘套，保护套管，接线端子。,普通装配型热电偶的结构放大图,接线盒,引出线套管,固定螺纹 （出厂时用塑料包裹）,热电偶工作端（热端）,不锈钢保护管,2 铠装热电偶 铠装热电偶：金属套管、绝缘材料和热电极三者一体,四 热电偶的构造,优点： 1）动态响应快； 2）机械强度高，挠性好，耐高压、强烈震动和冲击； 3）能解决微小、狭窄场合的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。,铠装型热电偶外形,法兰,铠装型热电偶可 长达上百米,薄壁金属 保护套管（铠体）,铠装型热电偶横截面,3 薄

15、膜热电偶 由两种金属薄膜连接而成。 1）特点： 微小面积上的温度测量；动态响应快，可测瞬变的表面温度。 2)应用： (1)如将热电极材料直接蒸镀到被测表面，可测微秒级变化的温度。 (2)如制成针状，针尖为热端，可测量点的温度,四 热电偶的构造,复习思考题,1热电偶为什么要冷端温度恒定？ 2. 工业上使用补偿导线的理论依据和注意事项 3热电偶的三大基本定律是什么，有哪些应用？,热电偶冷端温度的补偿问题,热电偶的电势大小不但与热端温度有关，且与冷端温度有关，冷端应恒定。 通常热电偶冷端放在距热端很近的大气中，受热端和大气环境的影响，有波动 为消除冷端温度变化对测量的影响，可采用冷端温度补偿方法,热

16、电偶冷端温度的补偿问题,一、计算法 二、补偿导线法 三、冰点槽法 四、仪表机械零点调整法 五、补偿电桥法（冷端补偿器）,一、计算法 1.问题提出 分度的冷端温度为0 ，如测温时热电偶是t0，不为0 ，不能用测得E(t, t0) 直接查分度表求t。 2 .计算公式 E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0) 用E(t,0) 查表求t 。,？,一、计算法,用镍铬-镍硅(K型)热电偶测温，热电偶参比端温度为30。测得的热电势为28mV，求热端温度。,反查K分度表 T=701.5,习题,试填满下面的空格：,热电偶分度号 热端温度 冷端温度 热电势 （0C) （0C) (mV),S 1300 0,B

17、1400 8.913,K 30 34.110,T -140 -6.455,E 805 35,J 555 15,二、补偿导线法,组成：补偿导线合金丝、绝缘层、护套和屏蔽层。 热电偶补偿导线功能： 其一实现了冷端迁移； 其二是降低了电路成本。 补偿导线又分为延长型和补偿型两种 延长形：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，用字母“”附在热电偶分度号后表示， 补偿型：其合金丝的名称化学成分与配用的热电偶不同，但其热电势值在100以下时与配用的热电偶的热电势标称值相同，有字母“C”附在热电偶分度号后表示，,E(t,t0)=E(t,t0)+E(t0,t0) 因为：E(t0,t0)

18、= E(t0,t0) 所以：E(t,t0)=E(t,t0)+E(t0,t0),补偿导线的型号、线芯材质和绝缘层着色,使用补偿导线时注意问题： 补偿导线的作用是对热电偶冷端延长,1、补偿导线只能用在规定的温度范围内（0100）； 2、热电偶和补偿导线的两个接点处要保持温度相同； 3、不同型号的热电偶配有不同的补偿导线； 4、补偿导线的正、负极需分别与热电偶正、负极相连；,三、冰点槽法 冷端放入一个温度恒为0的冰点槽中 举例 将水与冰屑混合放入保温瓶，在瓶盖上插入盛变压器油的试管，热电偶的冷端插入到试管中。,仪表的机械零点为仪表输入电势为零时，指 针停留的刻度点，也就是仪表的刻度起始点。若预知热电

19、偶冷端温度为t0，在测温回路开路情况下，将仪表的刻度起始点调定在t0位置，此时相当于人为给仪表输入热电势EAB（t0，0），在接通测温回路后，输入仪表的热电势 EAB（t，t0）EAB（t0，0）= EAB（t，0）使仪表指针指示热端温度t值。,四、仪表机械零点调整法,五、补偿电桥法（冷端补偿器） 原理：冷端波动热电势由不平衡电桥的输出补偿。 具体方法: 1） 设计不平衡电桥,电桥与热电偶冷端温度相同。桥臂电阻R1=R2=R3=1（不变），Rcu 是铜导线的补偿电阻 （随温度变化）, 是E(4v)桥路直流电源， Rs限流电阻。,五、补偿电桥法（冷端补偿器）,2.具体方法,Rs,五、补偿电桥法（

20、冷端补偿器）,1） Rs的作用：改变Rs，改变桥臂电流，与不同热电偶配合。 2）补偿电桥法补偿冷端到平衡温度 （1）如平衡电桥的温度为20 ，则配接的动圈表机械零点应调到20 （2）与热电偶配接的温度变送器及电子电位差计中，它们可自动利用其内部温度补偿电路将热电偶冷端温度补偿到0。,3. 使用中注意问题,第三章 热电偶温度计,用两支热电偶和一个仪表配合测量两点之间温差的线路。用两支型号相同的热电偶并配用相同的补偿导线。工作时，两支热电偶产生的热电动势方向相反，故输入仪表的是其差值，这一差值正反映了两支热电偶热端的温差。为了减少测量误差，提高测量精度，要尽可能选用热电特性一致的热电偶，同时要保证两热电偶的冷端温度相同。,第三章 热电偶温度计,有些大型设备，需测量多点的平均温度。可以通过热电偶并联