第5章热电偶传感器及应用.

2020/2/241第5章热电偶传感器及应用2020/2/242引言热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器。它构造简单，使用方便，具有较高的准确度、稳定性及复现性，温度测量范围宽，在温度测量中占有重要的地位。2020/2/243主要内容5.1热电偶工作原理5.2热电偶的结构形式及材料5.3热电偶实用测温线路和温度补偿5.4热电偶传感器的应用实例2020/2/2445.1热电偶工作原理5.1.1工作原理5.1.2热电偶的基本定律2020/2/2455.1.1工作原理1．热电效应将两种不同成分的导体组成一个闭合回路，当闭合回路的两个结点分别置于不同的温度场中时，回路中将产生一个电势，这种现象称为“热电效应”。1821年由Seeback发现的，故又称为赛贝克效应。2020/2/246热电偶回路原理2020/2/247热电势由两部分组成两种导体组成的回路称为“热电偶”，这两种导体称为“热电极”，产生的电势则称为“热电势”，热电偶的两个结点，一个称为测量端（工作端或热端），另一个称为参考端（自由端或冷端）。一部分是两种导体的接触电势，另一部分是单一导体的温差电势。2020/2/2482．接触电势当A和B两种不同材料的导体接触时，由于两者内部单位体积的自由电子数目不同（即电子密度不同），因此，电子在两个方向上扩散的速率就不一样。。假设导体A的自由电子密度大于导体B的自由电子密度，则导体A扩散到导体B的电子数要比导体B扩散到导体A的电子数大。所以导体A失去电子带正电荷，导体B得到电子带负电荷。于是，在A、B两导体的接触界面上便形成一个由A到B的电场。2020/2/249热电动势示意图2020/2/2410形成机理该电场的方向与扩散进行的方向相反，它将引起反方向的电子转移，阻碍扩散作用的继续进行。当扩散作用与阻碍扩散作用相等时，即自导体A扩散到导体B的自由电子数与在电场作用下自导体B到导体A的自由电子数相等时，便处于一种动态平衡状态。在这种状态下，A与B两导体的接触处产生了电位差，称为接触电势。接触电势的大小与导体材料、结点的温度有关，与导体的直径、长度及几何形状无关。2020/2/2411接触电势大小AABB()lnnkTeTen（5-1）2020/2/24123．温差电动势将某一导体两端分别置于不同的温度场T、T0中，在导体内部，热端自由电子具有较大的动能，向冷端移动，从而使热端失去电子带正电荷，冷端得到电子带负电荷。这样，导体两端便产生了一个由热端指向冷端的静电场，该静电场阻止电子从热端向冷端移动，最后达到动态平衡。这样，导体两端便产生了电势，我们称为温差电动势。0A0A()dTTeTTT、2020/2/24134．热电偶的电势设导体A、B组成热电偶的两结点温度分别为T和T0，热电偶回路所产生的总电动势，在热电偶回路中接触电动势远远大于温差电动势，所以温差电动势可以忽略不计AB0ABAB0A0B0()()()()()ETTeTeTeTTeTT、、、AAAAB0ABAB00BBBkkk()()()lnln()lneeenTnnTETTeTeTTΤnnn０、--2020/2/2414结论（1）如果热电偶两材料相同，则无论结点处的温度如何，总电势为0。（2）如果两结点处的温度相同，尽管A、B材料不同，总热电势为0。（3）热电偶热电势的大小，只与组成热电偶的材料和两结点的温度有关，而与热电偶的形状尺寸无关，当热电偶两电极材料固定后，热电势便是两结点电势差。（4）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。2020/2/24155.1.2热电偶的基本定律1．均质导体定律2．中间导体定律3．标准电极定律4．中间温度定律2020/2/24161．均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路中，不论导体的截面和长度如何以及各处的温度分布如何，都不能产生热电势。2020/2/24172．中间导体定律在热电偶中接入第3种均质导体，只要第3种导体的两结点温度相同，则热电偶的热电势不变。第3种导体接入热电偶回路2020/2/2418推论热电偶的这种性质在实用上有很重要的意义，它使我们可以方便地在回路中直接接入各种类型的显示仪表或调节器，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测量。推论：在热电偶中接入第4、5……种导体，只要保证插入导体的两结点温度相同，且是均质导体，则热电偶的热电势仍不变。2020/2/24193．标准电极定律已知热电极A、B分别与标准电极C组成热电偶在结点温度为（T，T0）时的热电动势分别为和，则在相同温度下，由A、B两种热电极配对后的热电动势为000(,)(,)(,)ABACBCETTETTETT三种导体分别组成的热电偶2020/2/2420例1已知铂铑30-铂热电偶的EAC（1084.5,0）=13.937（mV），铂铑6-铂热电偶的EBC（1084.5,0）=8.354（mV）。求铂铑30-铂铑6在相同温度条件下的热电动势。2020/2/2421解：由标准电极定律可知，EAB（1084.5,0）=EAC（1084.5,0）−EBC（1084.5,0）=13.937−8.354=5.583（mV）2020/2/24224．中间温度定律热电偶在两结点温度分别为T、T0时的热电势等于该热电偶在结点温度为T、Tn和Tn、T0相应热电势的代数和，定律是参考端温度计算修正法的理论依据AB0ABAB0(,)(,)(,)nnETTETTETT热电偶中间温度定律示意图2020/2/2423例2镍铬-镍硅热电偶，工作时其自由端温度为30℃，测得热电势为39.17mV，求被测介质的实际温度。2020/2/2424解：由t0=0℃，查镍铬-镍硅热电偶分度表，E（30，0）=1.2mV，又知E（t，30）=39.17mV所以E（t，0）=E（30，0）+E（t，30）=1.2mV+39.17mV=40.37mV。再用40.37mV反查分度表得977℃，即被测介质的实际温度。2020/2/24255.2热电偶的结构形式及材料5.2.1热电偶的基本结构形式5.2.2热电偶材料5.2.3常用热电偶2020/2/24265.2.1热电偶的基本结构形式热电偶的结构形式有普通型热电偶、铠装型热电偶和薄膜热电偶等。热电偶的种类虽然很多，但通常由金属热电极、绝缘子、保护套管及接线装置等部分组成。2020/2/24271．普通型热电偶普通型结构热电偶工业上使用最多，它一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成。普通型热电偶按其安装时的连接形式可分为固定螺纹连接、固定法兰连接、活动法兰连接、无固定装置等多种形式。普通型热电偶结构图2020/2/2428普通装配型热电偶的外形安装螺纹安装法兰2020/2/2429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2020/2/24302．铠装型热电偶铠装型热电偶又称套管热电偶。它是由热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体.它可以做得很细很长，使用中随需要能任意弯曲。铠装型热电偶的主要优点是测温端热容量小，动态响应快，机械强度高，挠性好，可安装在结构复杂的装置上，因此被广泛用在许多工业部门中。2020/2/2431铠装型热电偶结构1—接线盒2—金属套管3—固定装置4—绝缘材料5—热电极2020/2/2432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）BA绝缘材料铠装型热电偶横截面2020/2/24333．薄膜热电偶用真空蒸镀（或真空溅射）、化学涂层等工艺，将热电极材料沉积在绝缘基板上形成的一层金属薄膜。热电偶测量端既小又薄（厚度可达0.01～0.1m），因而热惯性小，反应快，可用于测量瞬变的表面温度和微小面积上的温度。其结构有片状、针状和把热电极材料直接蒸镀在被测表面上等3种。所用的电极类型有铁-康铜、铁镍、铜-康铜、镍铬-镍硅等。测温范围为−200～300℃。2020/2/2434铁-镍薄膜热电偶结构1—测量接点2—铁膜3—铁丝4—镍丝5—接头夹具6—镍膜7—衬架2020/2/24354．表面热电偶表面热电偶是用来测量各种状态的固体表面温度的，如测量轧辊、金属块、炉壁、橡胶筒和涡轮叶片等表面温度。此外还有测量气流温度的热电偶、浸入式热电偶等。2020/2/24365.2.2热电偶材料1．对热电极材料的一般要求2．电极材料的分类3．绝缘材料4．保护管材料2020/2/24371．对热电极材料的一般要求（1）配对的热电偶应有较大的热电势，并且热电势对温度尽可能有良好的线性关系。（2）能在较宽的温度范围内应用，并且在长时间工作后，不会发生明显的化学及物理性能的变化。（3）电阻温度系数小，电导率高。（4）易于复制，工艺性与互换性好，便于制定统一的分度表，材料要有一定的韧性，焊接性能好，以利于制作。2020/2/24382．电极材料的分类（1）一般金属，如镍铬-镍硅，铜-镍铜，镍铬-镍铝，镍铬-考铜等。（2）贵金属，这类热电偶材料主要是由铂、铱、铑、钌、锇及其合金组成，如铂铹-铂、铱铑-铱等。（3）难熔金属，这类热电偶材料系由钨、钼、铌、铼、锆等难熔金属及其合金组成，如钨铼-钨铼、铂铑-铂铑等热电偶。2020/2/24393．绝缘材料热电偶测温时，除测量端以外，热电极之间和连接导线之间均要求有良好的电绝缘，否则会有热电势损耗而产生测量误差，甚至无法测量（1）有机绝缘材料。（2）无机绝缘材料。2020/2/24404．保护管材料要求（1）气密性好，可有效地防止有害介质深入而腐蚀结点和热电极。（2）应有足够的强度及刚度，耐振、耐热冲击。（3）物理化学性能稳定，在长时间工作中不至于介质、绝缘材料和热电极互相作用，也不产生对热电极有害的气体。（4）导热性能好，使结点与被测介质有良好的热接触。2020/2/24415.2.3常用热电偶热电偶可分为标准化热电偶和非标准化热电偶2种类型。标准化热电偶是指国家已经定型批量生产的热电偶；非标准化热电偶是指特殊用途试生产的热电偶，非标准型热电偶包括铂铑系、铱铑系及钨铼系热电偶等。目前工业上常用的有4种标准化热电偶，即铂铑30-铂铑6，铂铑10-铂，镍铬-镍硅和镍铬-铜镍（我国通常称为镍铬-康铜）热电偶。2020/2/24421．标准型热电偶从1988年1月1日起，我国热电偶和热电阻的生产全部按国际电工委员会（IEC）的标准，并指定S、B、E、K、R、J、T7种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。2020/2/24432．非标准型热电偶（1）铱和铱合金热电偶如铱50铑-铱10钌、铱铑40-铱、铱铑60-铱热电偶。它能在氧化环境中测量高达2100℃的高温，且热电动势与温度关系线性好。（2）钨铼热电偶60年代发展起来的，是目前一种较好的高温热电偶，可使用在真空惰性气体介质或氢气介质中，但高温抗氧能力差。国产钨铼3-钨铼25、钨铼-钨铼20热电偶使用温度范围在300～2000℃，分度精度为1%。主要用于钢水连续测温、反应堆测温等场合。（3）金铁-镍铬热电偶主要用在低温测量，可在2～273K范围内使用，灵敏度约为10V/℃。（4）钯-铂铱15热电偶2020/2/24445.3热电偶实用测温线路和温度补偿1．测量某点温度的基本电路2．测量温度之和—热电偶串联测量线路3．测量平均温度—热电偶并联测量线路4．测量两点之间的温度差5.3.1热电偶实用测温线路2020/2/24451．测量某点温度的基本电路基本测量电路包括热电偶、补偿导线、冷端补偿器、连接用铜线、动圈式显示仪表。热电偶基本测量电路2020/2/24462．测量温度之和—热电偶串联测量线路将N支相同型号的热电偶正负极依次相联接若N支热电偶的各热电势分别为E1、E2、E3、…EN，则总电势为=E1+E2