热电偶的基本知识

热电偶的基本知识热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是：测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。测量范围广。常用的热电偶从-50~+1600℃均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）。构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。一、热电偶测温基本原理将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，如图1所示。当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一个大小的电流，这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。图1热电偶工作原理图如图1所示，热电偶的一端将A、B两种导体焊在一起，置于温度为t的被测介中称为自由端，放在温度为t0的恒定温度下。当工作端的被测介质温度发生变化时，热电势随之发生变化，将热电势送入显示仪表进行指示或记录，或送入微机进行处理，即可获得温度值。热电偶两端的热电势差可以用下式表示：式中：Et-热电偶的热电势；eAB(t)-温度为t时工作端的热电势；eAB(t0)-温度为t0时自由端的热电势当自由端温度t0恒定时，热电势只与工作端的温度有关，即Et=f(t)。当组成热电偶的热电极的材料均匀时，其热电势的大小与热电极本身的长度和直径大小无关，只与热电极材料的成分及两端的温度有关，因此，用各种不同的导体或半导体材料可做成各种用途的热电偶，以满足不同温度对象测量的需要。二、热电偶的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。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。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，主要用于某些特殊场合的测量。1、标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。这七种标准化热电偶的使用特性见表1，分度表详见2。表1标准化热电偶使用特性序号分度号热电偶名称热电偶丝直径（mm）等级及允许偏差ⅠⅡⅢ温度范围℃允许偏差温度范围℃允许偏差温度范围℃允许偏差1S铂铑10-铂0.5-0.0200~1100±1℃0~600±1.5℃0~1600±0.5%t1100~1600±[1+（t-1100）×0.003]℃600~1600±0.25%t≤600±3℃600±0.5%t2B铂铑30-铂铑60.5-0.015----600~1700±0.25%t600~800±4℃900~1700±0.5%t3K镍铬-镍硅0.3，0.5，0.8，1.0，1.2，1.6，2.0，2.5，3.2≤400±1.6℃≤400±3℃-200~0±1.5%t400±0.4%t400±0.75%t4J铁康铜0.3，0.5，0.8，1.2，1.6，2.0，3.2-40~750±1.5℃或(±0.4%t)-40~750±2.5℃或(±0.75%t)----5R铂铑13-铂0.5-0.0200~1100±1℃0~600±1.5℃----1100~1600±[1+（t-1100）×0.003℃600~1600±0.25%t6E镍铬-康铜0.3，0.5，0.8，1.2，1.6，2.0，3.2-40~800±1.5℃或(±0.4%t)-40~900±2.5℃或(±0.75%t)-200~+40±2.5℃或(±1.5%t)7T铜-康铜0.2，0.3，0.5，1.0，1.6-40~350±05℃或(±0.4%t)-40~350±1.0或(±0.75)-200~+40±1或±1.5%t注：t为被测温度允许偏差以℃值或实际温度的百分数表示,两者中采用计算数值的较大值2、非标准化热电偶非标准化热电偶使用概况见表2表2非标准热电偶使用概况名称材料测温范围℃允许误差℃特点用途正极负极高温热电偶铂铑-3铂0~1600热电势较铂铑10大,其它一样测量钴合金熔液温度1501℃铂铑13铂铑10~1700≤600为±10600为±0.5%t在高温下抗沾污性能和机械性能好各种高温测量铂铑20铂铑50~1700在高温下抗氧化性能,机械性能好,化学稳定性好,50℃以下热电势小,参比端可以不用温度补偿铱铑40铂铑200~1850铱铑40铱300~2200≤1000为±101000为±1.0%t热电势与温度线性好,适用于氧化,真空,惰性气体,热电势小,价贵,寿命短航空和空间技术及其他高温测量铱铑60铱钨铼3钨铼25300~2800≤1000为±101000为±1.0%t上限温度高,热电势比上述材料大,线性较好,适用于真空,还原性和惰性气氛钢水温度测量及其他高温测量钨铼5钨铼20低温热电偶镍铬金铁0.07%-270~0±1.0在极低温下,灵敏度较高,稳定性好,热电极材料易复制,是较理想的低温热电偶用于超导,宇航,受控热核反应等低温工程以及科研部门铜金铁0.07%-270~-196非金属热电偶碳石墨测温上限2400热电势大,熔点高,价格低廉,但复现性和机械性能差用于耐火材料的高温测量硼化锆碳化锆测温上限2000二硅化钨二硅化钼测温上限1700注：t为被测温度的绝对值二、热电偶的结构形式为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下：组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。按热电偶的用途不同，常制成以下几种形式。1、普通型热电偶普通型热电偶是使用最多的，主要用来测量气体、蒸汽和液体等介质的温度。根据测温范围及环境的不同，所用的热电偶电极和保护套管的材料也不同，但因使用条件基本类似，所以这类热电偶已标准化、系列化。按其安装时的连接方法可分为螺纹连接和法兰连接两种。图2-1所示为普通热电偶结构图。图2-12、铠装热电偶铠装热电偶又称缆式热电偶，是由热电极、绝缘材料（通常为电熔氧化镁）和金属保护管三者结合，经控制而成一个坚实的整体。铠装热电偶有单支（双芯）和双支（四芯）之分，其测量端有露头型、接壳型和绝缘型三种基本形式。见表2-1序号测量端形式示意图特点1露头型时间常数小；适用于良好的气氛，寿命短2接壳型时间常数较序号1大；适用于较坏的气氛3绝缘型时间常数较序号2大；适用于较恶劣的气氛，寿命长表2-1铠装热电偶测量端的结构形式及特点铠装热电偶的参比端（接线盒）形式有简易式、防水式、防溅式、接插式和小接线盒式等。铠装热电偶具有体积小、精度高、动态响应快、耐振动、耐冲击、机械强度高、可挠性好，便于安装等优点，已广泛应用在航空、原子能、电力、冶金和石油化工等部门。3、表面热电偶表面热电偶主要用来测量圆弧形表面温度。它的测温结构分为凸形、弓形和针形。图2-2所示为直柄式弓形热电偶结构示意图，表2-2为WRKM系列表面热电偶。图2-2直柄式弓形热电偶结构示意图表2-2WRKM系列表面热电偶名称测温范围℃型号用途手柄式圆柱表面热电偶0~250WRKM-101各种φ130mm以上圆柱体、滚筒形表面测温手柄式平面表面热电偶0~250WRKM-102各种固体介质平面测温直柄式圆柱表面热电偶0~250WRKM-201各种φ130mm以上圆柱体、滚筒形表面测温直柄式平面表面热电偶0~250WRKM-202各种固体介质平面表面测温直柄式弓形表面热电偶0~250WRKM-203圆柱凸型表面测温直柄式指针形表面热电偶0~500WRKM-204蒸气、液体测温直柄式薄片型表面热电偶0~250WRKM-205各种机械设备、各种狭缝处测温直柄式注射形表面热电偶0~250WRKM-206轮胎胶料内部测温4、薄膜式热电偶图2-3薄膜式热电偶是用真空蒸镀的方法，将热电极沉积蓄沉积在绝缘基板上而成的热电偶。其结构如图2-3所示。加采用蒸镀工镀工艺，所以热电偶可以做得很薄，而且尺寸可做得很小。它的特点是热容量小，响应速度快，适合于测量微小面积上的瞬变温度。5、快速消耗型热电偶图2-4这是一种专为测量钢水及熔融金属温度而设计的特殊热电偶，其结构如图2-4所示。热电极由直径0.05~0.1mm的铂铑10-铂铑30(或钨铼6-钨铼20)等材料制成,且装在外径为1mm的U形石英管内,构成测温的敏感元件.其外部有绝缘良好的纸管、保护管及高温绝热水泥加以保护和固定。它的特点是：当其插入钢水后，保护帽瞬即熔化，热电偶工作端即刻暴露于钢水中，由于石英管和热电偶热容量都很小，因此能很快反映出钢水的温度，反应时间一般为4~6秒。在测出温度后，热电偶和石英保护管都被烧坏，因此它只能一次性使用。这种热电偶可直接用补偿导线接到专用的快速电子电位差计上，直接读取钢水温度。三、热电偶冷端的温度补偿由于热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。必须指出，热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t0≠0℃时对测温的影响。在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100℃。常用热电偶的补偿导线列于表3-1中。表3-1常用热电偶的补偿导线配用热电偶分度号补偿导线型号补偿导线正极补偿导线负极补偿导线在100℃的热电势允许误差，mV材料颜色材料颜色A(精密级)B(精密级)SSC铜红铜镍绿0.645±0.0230.645±0.037KKC铜红铜镍蓝4.095±0.0634.095±0.105KKX镍铬红镍硅黑4.095±0.0634.095±0.105EEX镍铬红铜镍棕6.317±0.1026.317±0.170JJX铁红铜镍紫5.268±0.0815.268±0.135TTX铜红铜镍白4.277±0.0234.277±0.047注：补偿导线型号头一个字母与热电偶分度号相对应；第二个字母字X表示延伸型补偿导线，字母C表示补偿型补偿导线。1、冷端温度校正法因各种热电偶的分度关系是在冷端温度为0℃时得到的,如果测温热电偶的热端为t℃，冷端温度t0℃(t00℃)，就不能用测得的E(t,t0)去查分度表得t,必须根据下式进行修正：式中：E(t,0)--冷端为0℃而热端为t℃时的热电势；E(t,t0)--冷端为t0℃而热端为t℃时的热电势；E(t0,0)--冷端为0℃时应加的校正值。2、仪表机械零点调整法对于具有零位调整的显示仪表而言，如果热电偶冷端温度t0较为恒定时，可采用测温系统未工作前，预先将显示仪表的机械零点调整到t0℃上,这相当于把热电势修正值E(t0,0)预先加到了显示仪表上,当此测量系统投入工作后,显示仪表的示值就是实际的被测温度值。3、补偿电桥法当热电偶冷端处温度波动较大时,一般采用补偿电桥法,基测量线路如图3-1所示。补偿电桥法是利用不平衡电桥(又称冷端补偿器)产生不平衡电压来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化。采用补偿电桥法是必须注意下列几点：（1）补偿器接入测量系统时正负极性不可接反。（2）显示仪表的机械零位应调整到冷端温度补偿器设计时的平衡温度，如补偿器是按t0=20℃时电桥平衡设计的，则仪表机械零位应调整到20℃处。（3）因热电偶的热电势和补偿电桥输出电压两者随温度变化的特性不完全一致，故冷端补偿器在补偿温度范围内得不到完全补偿，但误差很小，能满足工业生产的需要。图3-1除了以上几种补偿方法外，科研和实验室中还常彩和冰浴法。以上几种补偿法常用于热电偶和动圈显示仪表配套的测温系统中。由于自动电子电位差计和温度变送器等温度测量仪表的测量线路中已设置了冷端补偿电路，因此，热电偶与它们配套使用时不用再考虑补偿方法