傳感器與檢測技術63熱電偶傳感器

6.3熱電偶傳感器熱電偶測溫原理熱電偶的基本定律熱電偶的冷端處理和補償標準化熱電偶非標準化熱電偶熱電偶結(jié)構(gòu)型式熱電偶安裝注意事項1.接觸電勢ABe

(T

)?

kT

lnN

Ae

NB接觸電勢帕爾帖電勢k——玻耳茲曼常數(shù)；T——接觸面的絕對溫度；

e——單位電荷量；N

A

——金屬電極A的自由電子密度N

A

——金屬電極B的自由電子密度2.溫差電勢eA

(T

,T0

)?溫差電勢（湯姆遜電勢）?T0T?dTδ

——湯姆遜系數(shù)，它表示溫度為1℃時所產(chǎn)生的電動勢值，它與材料的性質(zhì)有關。3.熱電偶回路的總熱電勢E

AB

(T

,T0

)?eAB(T

)?

eA

(T

,T0)?

eAB

(T0

)?

eB

(T

,T0

)?

[eAB

(T

)?

eAB

(T0

)]?

[eA

(T

,T0)?

eB

(T

,T0

)]T?

k

N

A(T

?

T0

)lneN

B?

?T

(?

A

?

?

B

)dt0E

AB

(T

,T

0

)?

[eAB

(T

)?

?0

(?A

?

?B

)dt]?

[eAB

(T0

)?

?0

(?A

?

?B

)dt]T

T0?

f(T

)?

f(T0

)熱電勢是T和T

0的溫度函數(shù)的差，而不是溫度的函數(shù)。當T

0=0℃時，f(T0)=c則有：E

AB

(T

,T0

)?

f(T

)?

c

?

?

(T

)E與T之間有唯一對應的單值函數(shù)關系，因此就可以用測量到的熱電勢E來得到對應的溫度值T，熱電偶熱電勢的大小，只是與導體A和B的材料有關，與冷熱端的溫度有關，與導體的粗細長短及兩導體接觸面積無關。6.3熱電偶傳感器熱電偶測溫原理熱電偶的基本定律熱電偶的冷端處理和補償標準化熱電偶非標準化熱電偶熱電偶結(jié)構(gòu)型式熱電偶安裝注意事項6.3.2熱電偶的基本定律勻質(zhì)導體定律中間導體定律連接導體定律1.勻質(zhì)導體定律?由一種勻質(zhì)導體所組成的閉合回路，不論導體的截面積如何及導體的各處溫度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢。?熱電偶必須采用兩種不用材料的導體組成，?熱電偶的熱電勢僅與兩接點的溫度有關，而與沿熱電極的溫度分布無關。?如果熱電偶的熱電極是非勻質(zhì)導體，在不均勻溫

度場中測溫時將造成測量誤差。所以熱電極材料

的均勻性是衡量熱電偶質(zhì)量的重要技術指標之一。2.中間導體定律在熱電偶回路中接入與另一種導體稱中間導體C，只要中間導體的兩端溫度相同，熱電偶回路總電動勢不受中間導體接入的影響。3.連接導體定律為在工業(yè)測量溫度中使用補償導線提供了理論基礎。E

ABA?B

?(T

,Tn

,T0

)?

E

AB

(T

,Tn

)?

EA?B

?(Tn

,T0

)當A與A"，B與B"材料分別相同時E

AB

(T

,Tn

,T0

)?

E

AB

(T

,Tn

)?

E

AB

(Tn

,T0

)中間溫度定律?例6.3.1用（S型）熱電偶測量某一溫度，若參比端溫度T

0=30℃，測得的熱電勢E(T,Tn)=7.5mV，求測量端實際溫度T。E

(T

,T0

)?

E

(T

,Tn

)?

E

(Tn,T0

)在E（Tn，T0）中Tn

0?

30?

C

，T

?

0?C查分度表有E

（30，0）=0.173

mVE（T，Tn）?

7.5mVE

（

T

，0）?

E

（

T

，30）?

E

(30

,0

)

?

7

.5

?

0

.173

?

7

.673

mV反查分度表有T=830℃，測量端實際溫度為830℃6.3熱電偶傳感器熱電偶測溫原理熱電偶的基本定律熱電偶的冷端處理和補償標準化熱電偶非標準化熱電偶熱電偶結(jié)構(gòu)型式熱電偶安裝注意事項6.3.3熱電偶的冷端處理和補償?熱電偶的熱電勢大小不僅與熱端溫度的有關，而且也與冷端溫度有關，只有當冷端溫度恒定，通過測量熱電勢的大小得到熱端的溫度。?熱電偶的冷端處理和補償:當熱電偶冷端處在溫度波動較大的地方時，必須首先使用補償導線將冷端延長到一個溫度穩(wěn)定的地方，再考慮將冷端處理為０℃。幾種冷端處理方法：補償導線法熱電偶冷端溫度恒溫法計算修正法冷端補償電橋法1.補償導線法?組成：補償導線合金絲、絕緣層、護套和屏蔽層。?熱電偶補償導線功能：?其一實現(xiàn)了冷端遷移；?其二是降低了電路成本。?補償導線又分為延長型和補償型兩種?延長形：補償導線合金絲的名義化學成分及熱電勢標稱值與配用的熱電偶相同，用字母“Ｘ”附在熱電偶分度號后表示，?補償型：其合金絲的名稱化學成分與配用的熱電偶不同，但其熱電勢值在100℃以下時與配用的熱電偶的熱電勢標稱值相同，有字母“C”附在熱電偶分度號后表示，補償導線的型號、線芯材質(zhì)和絕緣層著色補償導線型號配用熱電偶補償導線的線芯材料正極

負極絕緣層著色SC或RC鉑銠10

（鉑銠）-鉑SPC（銅）SNC（銅鎳）紅綠KC鎳鉻-鎳硅KPC（銅）KNC（銅鎳）紅藍KX鎳鉻-鎳硅KPX（銅鎳）KNX（鎳硅）紅黑NX鎳鉻硅-鎳硅NPS（銅鎳）NNX（鎳硅）紅灰EX鎳鉻-銅鎳EPX（鎳鉻）ENX（銅鎳）紅棕JX鐵-銅鎳JPX

（鐵）JNX（銅鎳）紅紫TX銅-銅鎳TPX

（銅）TNX（銅鎳）紅白使用補償導線時注意問題：?補償導線只能用在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)（

0~100℃）；?熱電偶和補償導線的兩個接點處要保持溫度相同；?不同型號的熱電偶配有不同的補償導線；?補償導線由正、負極需分別與熱電偶正、負極相連；?補償導線的作用是對熱電偶冷端延長。2.計算修正法?在實際應用中，熱電偶的參比端往往不是0oC，而是環(huán)境溫度，這時測量出的回路熱電勢要小，因此必須加上環(huán)境溫度與冰點之間溫差所產(chǎn)生的熱電勢后才能符合熱電偶分度表的要求。E

(T

,0)?

E

(T

,T1

)?

E

(T1

,0)可用室溫計測出環(huán)境溫度T

1，從分度表中查出的E(T

1,0)值，然后加上熱電偶回路熱電勢E(T,T1)，得到E(T,0)值，反查分度表即可得到準確的被測溫度值。3.熱電偶冷端溫度恒溫法（冰浴法）適用于實驗室中的精確測量和檢定熱電偶時使用。4.冷端補償電橋法?利用直流不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補償熱電偶冷端溫度變化而引起的熱電勢的變化值6.3熱電偶傳感器熱電偶測溫原理熱電偶的基本定律熱電偶的冷端處理和補償標準化熱電偶非標準化熱電偶熱電偶結(jié)構(gòu)型式熱電偶安裝注意事項6.3.4標準化熱電偶?標準化熱電偶：工藝上比較成熟，能批量生產(chǎn)、性能

穩(wěn)定、應用廣泛，具有統(tǒng)一分度表并已列入國際和國

家標準文件中的熱電偶。標準化熱電偶可以互相交換，精度有一定的保證。?國際電工委員會（IEC）共推薦了8種標準化熱電偶表6.3.2標準化熱電偶技術數(shù)據(jù)熱電偶名稱鉑銠10-鉑鉑銠13-鉑鎳鉻-鎳硅鉑銠30-鉑銠分度號新極性熱電極識別識別E

（100,0）（mV

）測溫范圍（長期℃）短期等級對分度表允許偏差（℃）使用溫度

允差正亮白較硬≤600±1.5℃S0.6460~13001600Ⅲ負亮白柔軟＞600±0.25%tR正較硬0.6470~13001600Ⅱ＜600±1.5℃負柔軟＞1100±0.25%tB正較硬0.0330~16001800Ⅲ600~900±4℃負稍軟＞800±

0.5%tK正負不親磁稍親磁4.0960~12001300ⅡⅢ-40~1300-200~40±2.5℃或±0.75%t±2.5℃或±1.5%t鎳鉻硅-鎳硅N正負正不親磁稍親磁暗綠2.774-200~12001300ⅠⅡⅡ-40~1100-40~1300-40~900±1.5℃或±0.4%t±2.5℃或±0.75%t±2.5℃或±0.75%t鎳鉻-康銅E6.319-200~760850負亮黃Ⅲ-200~40±2.5℃或±1.5%t正紅色Ⅱ-40~350±1℃或±0.75%t銅-康銅T負銀白色4.279-200~350400Ⅲ-200~40±1℃或±1.5%t正親磁鐵-康銅J5.269-40~600750Ⅱ-40~750±2.5℃或±0.75%t負不親磁1.鉑銠10-鉑熱電偶（S型）?貴金屬熱電偶。電極線徑規(guī)定為0.5mm，正極（SP

）的名義化學成分為鉑銠合金負極（SN

）為純鉑，故俗稱為單鉑銠熱電偶。長期最高使用溫度為1300℃，短期最高使用溫度為

1600

℃。?優(yōu)點：準確度高，穩(wěn)定性好，測溫溫區(qū)和使用壽命長，物理化學性能良好，在高溫下抗氧化性能好，適用于氧化和惰性氣氛中。?缺點：熱電率較小，靈敏度低，高溫下機械強度下降，對污染敏感，貴金屬材料昂貴，因此一次性投資較大。2.鉑銠30-鉑銠6（B型）?為貴金屬熱電偶。熱偶絲線徑規(guī)定為0.5mm，正極（BP

）和負極（BN

）的名義化學成分均為鉑銠合金，只是含量不同，故俗稱為雙鉑銠熱電偶。長期最高使用溫度為1600℃，短期最高使用溫度為1800℃。?優(yōu)點：準確度高，穩(wěn)定性好，測溫溫區(qū)寬，使用壽命長

等，適用于氧化性和惰性氣氛中，也可短期用于真空中，但不適用于還原性氣氛或含有金屬或非金屬蒸汽中；參

比端不需進行冷端補償，因為在0～50℃范圍內(nèi)熱電勢

小于3μV。?缺點：熱電率較小，靈敏度低，高溫下機械強度下降，抗污染能力差，貴金屬材料昂貴。3.鎳鉻-鎳硅熱電偶（K型）?使用量最大的廉金屬熱電偶，用量為其他熱電偶的總和正極（KP

）的名義化學成分為：Ni:Cr=90:10，負極（KN

）的名義化學化學成分為Ni:Si=97:3。其使用溫度為-200～1300℃。?優(yōu)點：線性度好，熱電勢較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和復現(xiàn)性均好，抗氧化性強，價格便宜。能用于氧化性和惰性氣氛中。?K型熱電偶不能在高溫下直接用于硫、還原性或還原、氧化交替的氣氛中，也不能用于真空中。4.鎳鉻-銅鎳熱電偶（E型）?稱為鎳鉻-康銅熱電偶，也是一種廉價金屬熱電偶。其正極（EP

）為鎳鉻10合金，化學成分與KP相同，負極（EN

）為銅鎳合金，名義化學成分為55%的銅、45%的鎳以及少量的鈷、錳、鐵等元素。?該熱電偶電動勢之大，靈敏度之高屬所有標準熱電偶之最，宜制成熱電偶堆來測量微小溫度變化。?E型熱電偶可用于濕度較大的環(huán)境里，具有穩(wěn)定性好，抗氧化性能高，價格便宜等優(yōu)點。但不能在高溫下用于硫、還原性氣氛中。標準化熱電偶熱電勢和溫度的關系表6.3.3標準化熱電偶的特性熱電偶種類

優(yōu)點適于測量1000℃以上的高溫常溫下熱電動勢極小，可不用補償導線抗氧化、耐化學腐蝕精度高、穩(wěn)定性好，不易劣化抗氧化、耐化學腐蝕可作標準熱電動勢線性好1200℃以下抗氧化性能良好短程表序結(jié)構(gòu)變化影響小熱電動勢線性好1000℃下抗氧化性能良好在廉金屬熱電偶中穩(wěn)定性更好在現(xiàn)有的熱電偶中，靈敏度最高同J型相比，耐熱性能良好兩極非磁性可用于還原性氣氛熱電動勢較K型高20%左右熱電動勢線性好低溫特性好產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性好可用于還原性氣氛缺點在中低溫領域熱電動勢小，不能用于600℃以下靈敏度低熱電動勢的線性不好靈敏度低不適用于還原性氣氛(尤其是H2、金屬蒸氣)熱電動勢的線性不好價格高不適用于還原性氣氛同貴金屬勢電偶相比時效變化大不適用于還原性氣氛同貴金屬熱電偶相比時效變化大因短程有序結(jié)構(gòu)變化而產(chǎn)生誤差不適用于還原性氣氛熱導率低具有微滯后現(xiàn)象鐵正極易生銹熱電特性漂移大使用溫度低銅正極易氧化熱傳導誤差大BR、SNKEJT6.3熱電偶傳感器熱電偶測溫原理熱電偶的基本定律熱電偶的冷端處理和補償標準化熱電偶非標準化熱電偶熱電偶結(jié)構(gòu)型式熱電偶安裝注意事項6.3.5非標準化熱電偶熱電極材料名稱正極鎢萊系鎳鉬系Wre5、Wre3鉑銠系 PtRh20

、PtRh40銥銠系

Ir、Ir、IrNi鈀鉑系 Pd

、Pt及Au

合金以Ni-Cr為主的合金鎳鉻、金鐵銀金、 含Au

為0.37mo1%金鐵 的合金負極Wre26、Wre25PtRh5、PtRh20IrRh40、IrRh50、IrRh60NiMo18Au、Pd合金含0.07mo1t 的合金含0.03mo1t

的Au-Fe

合金使用溫度范圍(℃)0～2300300

～15001100

～16001100

～20000～12800～11000～300K1

～40K過熱使用溫度范圍(℃)3000180018002100/1300//特征適用于還原性、H2及惰性氣體