熱電偶溫度計(jì)的測溫原理、選型及其應(yīng)用(共15頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上自動(dòng)檢測技術(shù)及儀表課程設(shè)計(jì)報(bào)告熱電偶溫度計(jì)的測溫原理、選型及其應(yīng)用學(xué)院： 班級(jí)： 姓名： 學(xué)號(hào)： 目 錄 一 摘要 3二 熱電偶溫度計(jì)的測溫原理 3 2.1 熱電偶的測溫原理 3 2.2 接觸電勢 4 2.3 溫差電勢 4 2.4 熱電偶溫度計(jì)閉合回路的總熱電勢 4 三 熱電偶溫度計(jì)的組成結(jié)構(gòu)及其作用和特 5 3.1 熱電偶溫度計(jì)的組成結(jié)構(gòu) 5 3.2 熱電偶溫度計(jì)的作用及特點(diǎn) 6 四 熱電偶溫度計(jì)測溫技術(shù)中涉及到的定則 7 4.1 均質(zhì)導(dǎo)體定則 7 4.2 中間導(dǎo)體定則 7 4.3 連接導(dǎo)體和中間溫度定則 8五 熱電偶溫度計(jì)的誤差分析及選型 8 5.1 影響測量誤差

2、的主要因素 8 5.1.1插入深度 85.1.2響應(yīng)時(shí)間 95.1.3熱輻射 105.1.4冷端溫度 115.2 熱電偶溫度計(jì)的選型 11六 現(xiàn)場安裝及其注意事項(xiàng) 13七 總結(jié) 13八 參考文獻(xiàn) 15一、 摘要熱電偶溫度計(jì)是一種最簡單最普通，測溫范圍最廣的溫度傳感器，是科研生產(chǎn)最常用的溫度傳感器。在使用時(shí)不注意，也會(huì)引起較大測量誤差。針對(duì)當(dāng)前存在的問題，詳細(xì)探討影響測量誤差的主要因素：熱電偶插入深度響應(yīng)時(shí)間熱輻射及冷端溫度等因素對(duì)測量的影響；在使用時(shí)應(yīng)該怎樣選擇熱電偶溫度計(jì)，以及使用時(shí)的一些安裝注意事項(xiàng)，這對(duì)提高測量精度，延長熱電偶?jí)勖加幸欢ǖ囊饬x。二、 熱電偶溫度計(jì)的測溫原理熱電偶溫度計(jì)

3、是一種感溫元件 , 把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢信號(hào) , 通過電氣儀表轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)的溫度。熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路 , 當(dāng)兩端溫度不同時(shí) , 回路中就會(huì)產(chǎn)生電勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)（或者塞貝克效應(yīng)）。兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體為熱電極，溫度較高的一端為工作端， 溫度較低的一端為自由端，自由端通常處于某個(gè)恒定的溫度下。根據(jù)熱電動(dòng)勢與溫度的函數(shù)關(guān)系 , 制成熱電偶分度表 ；分度表是自由端溫度在 0C 時(shí)的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時(shí) , 只要該材料兩個(gè)接點(diǎn)的溫度相同 , 熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢將保持不變，即不受第三種金屬接

4、入回路中的影響。因此 , 在熱電偶測溫時(shí) , 可接入測量儀表 , 測得熱電動(dòng)勢后 , 即可知道被測介質(zhì)的溫度。熱電偶溫度計(jì)測溫原理圖如圖所示：其中，T是熱端、工作端或者測量端，稱為冷端、自由端或者參比端。A和B稱為熱電極，熱電勢的大小由接觸電勢和溫差電勢決定。（1）接觸電勢：也叫珀?duì)栯妱?，其大小表示為?其中：導(dǎo)體A和B在溫度為T時(shí)的接觸電勢，A和B的順序代表電動(dòng)勢的方向；k玻爾茲曼常數(shù)；T接觸處的絕對(duì)溫度；e單位電荷量；、分別為金屬A和B的自由電子密度。由接觸電勢的公式可知：接觸電勢的數(shù)值取決于導(dǎo)體材料的性質(zhì)和接觸點(diǎn)的溫度；接觸點(diǎn)的溫度越高，接觸電勢越大；兩種導(dǎo)體電子密度的比值越大，接觸電勢

5、也越大。（2）溫差電勢：是基于湯姆遜效應(yīng)產(chǎn)生的，即同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的電動(dòng)勢。 其大小表示為： 其中：a、B分別為導(dǎo)體A和B的湯姆遜系數(shù)；eA（T，）、eB（T，）分別為導(dǎo)體A和B兩端溫度在T 和（T ）時(shí)的溫差電勢；K玻爾茲曼常數(shù)；T接觸處的絕對(duì)溫度；e單位電荷量；溫差電勢的大小與導(dǎo)體材料的性質(zhì)及兩端的溫度差有關(guān)，溫差越大，溫差電勢也越大，當(dāng)T=T0時(shí)，溫差電勢為零。（3）熱電偶溫度計(jì)閉合回路的總熱電勢如圖所示，熱電偶閉合回路中，回路總電勢由4個(gè)部分組成，2個(gè)溫差電勢：（T，）和（T，），2個(gè)接觸電勢（T）和（），其大小和方向如圖中所示，則總電勢為由上面的式子可知，熱電偶總電勢

6、與兩接點(diǎn)溫度有關(guān)。若使冷端溫度固定，即（）= C（常數(shù)），則對(duì)確定的熱電偶材料，其總電勢只與熱端溫度T有關(guān)，即所以，熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢只和熱端溫度T有關(guān)，因此測得熱電勢的大小，就可求得熱端溫度T，這就是用熱電偶測量溫度的工作原理。三、 熱電偶溫度計(jì)的組成結(jié)構(gòu)及其作用和特點(diǎn)1、 熱電偶溫度計(jì)的組成結(jié)構(gòu)從結(jié)構(gòu)形式上看，熱電偶可以分為：普通型、鎧裝型、薄膜型三種。熱電偶的基本結(jié)構(gòu)是熱電極，絕緣材料和保護(hù)管；并與顯示儀表、記錄儀表或計(jì)算機(jī)等配套使用。在現(xiàn)場使用中根據(jù)環(huán)境，被測介質(zhì)等多種因素研制成適合各種環(huán)境的熱電偶。 熱電偶簡單分為裝配式熱電偶，鎧裝式熱電偶和特殊形式熱電偶；按使用環(huán)境細(xì)分有耐 高溫

7、熱電偶，耐磨熱電偶，耐腐熱電偶，耐高壓熱電偶，隔爆熱電偶，鋁液測溫用熱電偶，循環(huán)硫化床用熱電偶，水泥回轉(zhuǎn)窯爐用熱電偶，陽極焙燒爐用熱電偶，高溫?zé)犸L(fēng)爐用熱電偶，汽化爐用熱電偶，滲碳爐用熱電偶，高溫鹽浴爐用熱電偶，銅、鐵及鋼水用熱電偶，抗氧化鎢錸熱電偶，真空爐用熱電偶，鉑銠熱電偶等為了保證熱電偶可靠、穩(wěn)定地工作，對(duì)它的結(jié)構(gòu)要求如下：（1）組成熱電偶的兩個(gè)熱電極的焊接必須牢固；（2） 兩個(gè)熱電極彼此之間應(yīng)很好地絕緣，以防短路；（3）補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶自由端的連接要方便可靠；（4）保護(hù)套管應(yīng)能保證熱電極與有害介質(zhì)充分隔離。2、 熱電偶溫度計(jì)的作用和特點(diǎn)（1）作用： 熱電偶溫度計(jì)實(shí)際上是一種能量轉(zhuǎn)換器，它

8、將熱能轉(zhuǎn)換為電能，用所產(chǎn)生的熱電勢測量溫度。用于測量各種溫度物體，測量范圍極大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于酒精、水銀溫度計(jì)。它適用于煉鋼爐、煉焦?fàn)t等高溫地區(qū)，也可測量液態(tài)氫、液態(tài)氮等低溫物體。（2）特點(diǎn)： 測量精度高：熱電偶與被測對(duì)象直接接觸，把溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成直流電勢信號(hào)，便于信號(hào)的傳遞與顯示，不受中間介質(zhì)的影響； 動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間快：熱電偶對(duì)溫度變化反應(yīng)靈敏，可以遠(yuǎn)傳4-20mA電信號(hào)，便于自動(dòng)控制和集中控制； 測量范圍廣：可達(dá) -200 2000以上，是應(yīng)用最廣的測溫傳感器；結(jié)構(gòu)簡單、體積小、易加工，性能可靠， 機(jī)械強(qiáng)度好； 使用壽命長，安裝方便。四、熱電偶溫度計(jì)測溫技術(shù)中涉及到的定則1、均質(zhì)導(dǎo)體定則由均質(zhì)

9、材料（指電子密度處處相同）構(gòu)成的熱電偶，熱電勢僅與組成熱電偶的材料、熱端和冷端的溫度有關(guān)，而與熱電偶的幾何形狀、尺寸大小和沿電極溫度分布無關(guān)。結(jié)論：（1）熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的材料組成，且熱電偶兩接點(diǎn)溫度不同。（2）由一種材料組成的閉合回路存在溫差時(shí)，回路如果產(chǎn)生熱電勢，便說明該材料是不均勻的。這也是檢查熱電極材料均勻性的一種方法。2、中間導(dǎo)體定則 在熱電偶回路的任何地方插入第三種均質(zhì)導(dǎo)體，只要保證插入的第三種導(dǎo)體兩端溫度相同，則插入第三種導(dǎo)體后，對(duì)熱電偶回路中的總電勢沒有影響。 如圖所示：作用：為在熱電偶回路中連接儀表、連接導(dǎo)線等提供理論依據(jù)。即只要保證連接導(dǎo)線、儀表等接入時(shí)兩端溫度相同

10、，則不影響回路熱電勢。3、 連接導(dǎo)體和中間溫度定則在熱電偶回路中，若熱電極A、B分別與導(dǎo)體A、B相連，接點(diǎn)溫度分別為T，和時(shí)，則回路總電勢為熱電偶的熱電勢EAB（T，）與連接導(dǎo)體熱電勢EAB（，）的代數(shù)和連接導(dǎo)體定律。作用：在熱電偶回路中應(yīng)用補(bǔ)償導(dǎo)線提供了理論依據(jù)；為制定和使用熱電偶分度表奠定了基礎(chǔ)。五、 熱電偶溫度計(jì)的誤差分析及選型1、影響測量誤差的主要因素（1）插入深度其中包括：a.測溫點(diǎn)的選擇:熱電偶的安裝位置，即測溫點(diǎn)的選擇是最重要的。測溫點(diǎn)的位置，對(duì)于生產(chǎn)工藝過程而言，一定要具有典型性、代表性，否則將失去測量與控制的意義。 b.插入深度:由熱傳導(dǎo)而引起的誤差，與插入深度有關(guān)。而插入深

11、度又與保護(hù)管材質(zhì)有關(guān)。金屬保護(hù)管因其導(dǎo)熱性能好，其插入深度應(yīng)該深一些（約為直徑的1520倍），陶瓷材料絕熱性能好，可插入淺一些（約為直徑的10-15倍）。 （2）響應(yīng)時(shí)間: 接觸法測溫的基本原理是測溫元件要與被測對(duì)象達(dá)到熱平衡。因此，在測溫時(shí)需要保持一定時(shí)間，才能使兩者達(dá)到熱平衡。而保持時(shí)間的長短，同測溫元件的熱響應(yīng)時(shí)間有關(guān)。而熱響應(yīng)時(shí)間主要取決于傳感器的結(jié)構(gòu)及測量條件，差別極大。對(duì)于氣體介質(zhì)，尤其是靜止氣體，至少應(yīng)保持30min以上才能達(dá)到平衡；對(duì)于液體而言，最快也要在5min以上。對(duì)于溫度不斷變化的被測場所，尤其是瞬間變化過程，全過程僅1秒鐘，則要求傳感器的響應(yīng)時(shí)間在毫秒級(jí)。因此，普通的溫

12、度傳感器不僅跟不上被測對(duì)象的溫度變化速度出現(xiàn)滯后，而且也會(huì)因達(dá)不到熱平衡而產(chǎn)生測量誤差。最好選擇響應(yīng)快的傳感器。對(duì)熱電偶而言除保護(hù)管影響外，熱電偶的測量端直徑也是其主要因素，即偶絲越細(xì)，測量端直徑越小，其熱響應(yīng)時(shí)間越短。測溫元件熱響應(yīng)誤差可通過下式確定1。=0exp（-t/） 其中 t測量時(shí)間S，在 t時(shí)刻，測溫元件引起的誤差，K或0“t=0” 時(shí)刻，測溫元件引起的誤差，K或時(shí)間常數(shù)S e 自然對(duì)數(shù)的底（2.718）因此，當(dāng)t=時(shí)，則=0/e即為0.368，如果當(dāng)t=2時(shí),則=0/e2即為0.135。當(dāng)被測對(duì)象的溫度,以一定的速度(k/s或/s)上升或下降時(shí),經(jīng)過足夠的時(shí)間后,所產(chǎn)生的響應(yīng)誤差

13、可用下式表示：=- 其中經(jīng)過足夠時(shí)間后，測溫元件引起的誤差。由式式可以看出，響應(yīng)誤差與時(shí)間常數(shù)（）成正比。（3）熱輻射插入爐內(nèi)用于測溫的熱電偶，將被高溫物體發(fā)出的熱輻射加熱。假定爐內(nèi)氣體是透明的，而且，熱電偶與爐壁的溫差較大時(shí)，將因能量交換而產(chǎn)生測溫誤差。在單位時(shí)間內(nèi)，兩者交換的輻射能為P，可用下式表示：P=（Tw4 - Tt4 ）（23）其中斯忒藩波爾茲常數(shù) 發(fā)射率Tt熱電偶的溫度 , K Tw爐壁的溫度 ,K在單位時(shí)間內(nèi),熱電偶同周圍的氣體（溫度為T）,通過對(duì)流及熱傳導(dǎo)也將發(fā)生熱量交換的能量為PP=A（T-Tt）（24）其中 熱導(dǎo)率，A 熱電偶的表面積在正常狀態(tài)下，P= P，其誤差為：Tt

14、-T=（Tt4-Tw4）/（25）對(duì)于單位面積而言其誤差為Tt-T=（Tt4-Tw4）/（26）因此，為了減少熱輻射誤差，應(yīng)增大熱傳導(dǎo)，并使?fàn)t壁溫度Tw ，盡可能接近熱電偶的溫度Tt。另外，在安裝時(shí)還應(yīng)注意：熱電偶安裝位置，應(yīng)盡可能避開從固體發(fā)出的熱輻射，使其不能輻射到熱電偶表面； 熱電偶最好帶有熱輻射遮蔽套；熱阻抗增加的影響。（4）冷端溫度：在熱電偶測溫的過程中，要求熱電偶冷端溫度必須保持在0，但是在實(shí)際測量過程中，熱電偶的熱端與冷端離得很近；冷端又暴露在空間；受到設(shè)備溫度和環(huán)境溫度的影響，等種種原因使冷端溫度偏離0，因此測量結(jié)果就產(chǎn)生了偏差。所以要用分度表對(duì)熱電偶進(jìn)行標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的準(zhǔn)確

15、測量。具體措施是對(duì)冷端溫度的變化所引起的冷端溫度誤差予以補(bǔ)償。 方法：a、補(bǔ)償導(dǎo)線法； b、冷端恒溫法；c、計(jì)算修正法；d、模擬補(bǔ)償法；e、數(shù)字補(bǔ)償法。2、熱電偶溫度計(jì)的選型在熟悉被測對(duì)象、掌握各種熱電偶特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)使用氣氛、溫度的高低正確地選擇熱電偶。一般按照下面幾個(gè)原則來選擇： （1）按使用溫度選擇當(dāng)T1000時(shí)，多選用廉金屬熱電偶，如K型熱電偶。特點(diǎn)：使用溫度范圍寬，高溫下性能較穩(wěn)定；當(dāng)T200300時(shí)，最好選用T型熱電偶，廉金屬熱電偶中準(zhǔn)確度最高的；或者選擇E型熱電偶，廉金屬金屬中熱電勢變化率最大、靈敏度最高；當(dāng)T10001400時(shí)，多選用R、S型熱電偶；當(dāng)T1300時(shí)，可選用N

16、型或者K型熱電偶；當(dāng)T14001800時(shí)，多選用B型熱電偶。當(dāng)T1600時(shí)，短期可用S型或R型熱電偶。當(dāng)T1800時(shí)，常選用鎢錸熱電偶。（2）根據(jù)被測介質(zhì)選擇氧化性氣氛：當(dāng)T1300時(shí)，多選用N型或K型熱電偶，廉金屬熱電偶中抗氧化性最強(qiáng)；當(dāng)T1300時(shí)，選用鉑銠系熱電偶。真空、還原性氣氛：當(dāng)T950時(shí)，選用J型熱電偶，既可以在氧化性氣氛下工作，又可以在還原性氣氛下工作工作；當(dāng)T1600時(shí)，應(yīng)選用鎢錸熱電偶。（3）根據(jù)熱電偶絲的直徑與長度選擇熱電極直徑：由材料的價(jià)格、機(jī)械強(qiáng)度、電導(dǎo)率、用途及測溫范圍等決定。長度：由插入深度及安裝條件決定。對(duì)于快速反應(yīng)，選用細(xì)直徑的電極絲；細(xì)直徑的電極測量端越小、

17、越靈敏，但電阻也越大；粗直徑的熱電極絲，提高了測溫范圍和壽命，但要延長響應(yīng)時(shí)間；熱電偶絲的直徑與長度，不影響熱電勢的大小，但與熱電偶的使用壽命、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性及線路電阻有關(guān)。六、現(xiàn)場安裝及其注意事項(xiàng)1、安裝方向：與被測介質(zhì)形成逆流或正交。如圖所示：2、安裝位置：工作端應(yīng)處于管道中流速最大的地方；保護(hù)管的末端應(yīng)越過管道中心線約510mm。3、插入深度：插入深度增加，測溫誤差將減?。恍辈寤蜓毓艿垒S線方向安裝；在最大的允許插入深度條件下，盡可能深插。 4、細(xì)管道內(nèi)（直徑80mm)流體溫度的測量 常因插入深度不夠而引起測量誤差；安裝時(shí)應(yīng)接擴(kuò)大管， 選擇適宜部位，減小或消除該誤差。5、負(fù)壓管道中流體溫度的

18、測量 必須保證其密封性，防外界冷空氣吸入，使測量值偏低。 6、接線盒的安裝：穿管前檢查導(dǎo)線及電纜等有無斷頭和絕緣性能；管內(nèi)導(dǎo)線不得有接頭或加接線盒；接線盒蓋朝上以免雨水或其他流體的侵入。7、如果被測物體很小安裝時(shí)注意不要改變?cè)瓉淼臒醾鲗?dǎo)及對(duì)流條件。七、總結(jié)熱電偶測溫是應(yīng)用最廣泛的測溫元件之一，應(yīng)用熱電偶測溫，其測溫范圍廣，在一定溫度范圍內(nèi)使用精度高，性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，動(dòng)態(tài)特性好，把溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為直流電勢信號(hào)進(jìn)行測量。熱電偶溫度計(jì)測溫屬于接觸式測溫，直接與被測對(duì)象接觸，不受中間介質(zhì)的影響，可以減小測量的誤差，提高測量的精度。但是因?yàn)闇y溫元件與被測介質(zhì)需要充分進(jìn)行熱交換,需要一定的時(shí)間才能