2022年热电偶温度计的测温原理、选型及其应用 .pdf
自动检测技术及仪表课程设计报告热电偶温度计的测温原理、选型及其应用学院：班级：姓名：学号：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 15 页2 目录一摘要 3 二热电偶温度计的测温原理 3 2.1 热电偶的测温原理 32.2 接触电势 42.3 温差电势 42.4 热电偶温度计闭合回路的总热电势 4三热电偶温度计的组成结构及其作用和特 5 3.1 热电偶温度计的组成结构 5 3.2 热电偶温度计的作用及特点 6 四热电偶温度计测温技术中涉及到的定则 7 4.1 均质导体定则 74. 2 中间导体定则 7 4.3 连接导体和中间温度定则 8 五热电偶温度计的误差分析及选型 8 5.1 影响测量误差的主要因素 8 5.1.1插入深度 85.1.2响应时间 9 5.1.3热辐射 10 5.1.4冷端温度 11 5.2 热电偶温度计的选型 11六现场安装及其注意事项 13 七总结 13 八参考文献 15 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 15 页3 一、 摘要热电偶温度计是一种最简单最普通，测温范围最广的温度传感器，是科研生产最常用的温度传感器。在使用时不注意，也会引起较大测量误差。 针对当前存在的问题， 详细探讨影响测量误差的主要因素：热电偶插入深度响应时间热辐射及冷端温度等因素对测量的影响；在使用时应该怎样选择热电偶温度计，以及使用时的一些安装注意事项，这对提高测量精度， 延长热电偶寿命， 都有一定的意义。二、 热电偶温度计的测温原理热电偶温度计是一种感温元件 , 把温度信号转换成热电动势信号 , 通过电气仪表转换成被测介质的温度。热电偶测温的基本原理是两种不同成份的均质导体组成闭合回路 , 当两端温度不同时 , 回路中就会产生电势， 这种现象称为热电效应（或者塞贝克效应）。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系 , 制成热电偶分度表；分度表是自由端温度在 0 C 时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。 在热电偶回路中接入第三种金属材料时 , 只要该材料两个接点的温度相同 , 热电偶所产生的热电势将保持不变， 即不受第三种金属接入回路中的影响。 因此 , 在热电偶测温时 , 可接入测量仪表 , 测得热电动势后 , 即可知道被测介质的温度。热电偶温度计测温原理图如图所示：其中，T 是热端、工作端或者测量端，0T精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 15 页4 称为冷端、自由端或者参比端。 A和 B称为热电极，热电势),(0TTEAB的大小由接触电势和温差电势决定。（1）接触电势 ：也叫珀尔电势，其大小表示为：BTATABNNeKTTeln)(其中：)(TeAB导体 A 和 B 在温度为 T 时的接触电势， A 和 B 的顺序代表电动势的方向； k玻尔兹曼常数；T接触处的绝对温度；e单位电荷量；ATN、BTN分别为金属 A 和 B 的自由电子密度。由接触电势的公式可知： 接触电势的数值取决于导体材料的性质和接触点的温度；接触点的温度越高，接触电势越大；两种导体电子密度的比值越大，接触电势也越大。（2）温差电势 ：是基于汤姆逊效应产生的，即同一导体的两端因其温度不同而产生的电动势。其大小表示为：TTAAdTeKTTe0),(0TTBBdTeKTTe0),(0其中： a、B分别为导体 A 和 B 的汤姆逊系数；eA（T，0T） 、eB（T，0T）分别为导体 A 和 B 两端温度在 T 和0T（T 0T）时的温差电势； K玻尔兹曼常数； T接触处的绝对温度； e单位电荷量；温差电势的大小与导体材料的性质及两端的温度差有关，温差越大，温差电势也越大，当T=T0 时，温差电势为零。（3）热电偶温度计闭合回路的总热电势精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 15 页5 如图所示，热电偶闭合回路中，回路总电势由4 个部分组成， 2个温差电势：Ae（T，0T）和Be（T，0T） ，2 个接触电势ABe（T）和ABe（0T），其大小和方向如图中所示，则总电势为),()(),()(),(0000TTeTeTTeTeTTEAABBABABdTeKNNeKTdTeKNNeKTTTBBTATTTABTAT0000lnln0)()()()()()(),(000000TfTfdtTedtTeTTETBAABTBAABAB由上面的式子可知，热电偶总电势与两接点温度有关。若使冷端温度0T固定，即 ?（0T）= C（常数） ，则对确定的热电偶材料，其总电势),(0TTEAB只与热端温度 T 有关，即CTfTTEAB)(),(0所以，热电偶所产生的热电势),(0TTEAB只和热端温度 T 有关，因此测得热电势的大小，就可求得热端温度T，这就是用热电偶测量温度的工作原理。三、 热电偶温度计的组成结构及其作用和特点1、热电偶温度计的组成结构从结构形式上看，热电偶可以分为：普通型、铠装型、薄膜型三种。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 15 页6 热电偶的基本结构是热电极，绝缘材料和保护管；并与显示仪表、记录仪表或计算机等配套使用。 在现场使用中根据环境， 被测介质等多种因素研制成适合各种环境的热电偶。热电偶简单分为装配式热电偶，铠装式热电偶和特殊形式热电偶；按使用环境细分有耐高温热电偶，耐磨热电偶，耐腐热电偶，耐高压热电偶，隔爆热电偶，铝液测温用热电偶， 循环硫化床用热电偶，水泥回转窑炉用热电偶，阳极焙烧炉用热电偶，高温热风炉用热电偶，汽化炉用热电偶，渗碳炉用热电偶，高温盐浴炉用热电偶，铜、铁及钢水用热电偶，抗氧化钨铼热电偶，真空炉用热电偶，铂铑热电偶等为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下：（1）组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；（2） 两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；（3）补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；（4）保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。2、热电偶温度计的作用和特点（1）作用： 热电偶温度计实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度。用于测量各种温度物体，测量范围极大，远远大于酒精、水银温度计。它适用于炼钢炉、炼焦炉等高温地区，也可测量液态氢、液态氮等低温物体。（2）特点： 测量精度高：热电偶与被测对象直接接触，把温度信精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 15 页7 号直接转换成直流电势信号， 便于信号的传递与显示， 不受中间介质的影响； 动态响应时间快：热电偶对温度变化反应灵敏， 可以远传 4-20mA电信号，便于自动控制和集中控制； 测量范围广：可达 -200 2000以上，是应用最广的测温传感器；结构简单、体积小、易加工，性能可靠，机械强度好； 使用寿命长，安装方便。四、热电偶温度计测温技术中涉及到的定则1、均质导体定则由均质材料（指电子密度处处相同）构成的热电偶，热电势仅与组成热电偶的材料、热端和冷端的温度有关， 而与热电偶的几何形状、尺寸大小和沿电极温度分布无关。结论： （1）热电偶必须由两种不同性质的材料组成，且热电偶两接点温度不同。 （2）由一种材料组成的闭合回路存在温差时，回路如果产生热电势，便说明该材料是不均匀的。 这也是检查热电极材料均匀性的一种方法。2、中间导体定则在热电偶回路的任何地方插入第三种均质导体，只要保证插入的第三种导体两端温度相同， 则插入第三种导体后， 对热电偶回路中的总电势没有影响。如图所示：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 15 页8 作用：为在热电偶回路中连接仪表、连接导线等提供理论依据。即只要保证连接导线、仪表等接入时两端温度相同， 则不影响回路热电势。3、连接导体和中间温度定则在热电偶回路中，若热电极A、B 分别与导体A 、B相连，接点温度分别为 T，nT和0T时，则回路总电势为热电偶的热电势EAB（T，nT）与连接导体热电势EAB（nT，0T）的代数和连接导体定律。作用：在热电偶回路中应用补偿导线提供了理论依据；为制定和使用热电偶分度表奠定了基础。五、 热电偶温度计的误差分析及选型1、影响测量误差的主要因素（1）插入深度精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 15 页9 其中包括： a. 测温点的选择 :热电偶的安装位置，即测温点的选择是最重要的。测温点的位置， 对于生产工艺过程而言，一定要具有典型性、代表性，否则将失去测量与控制的意义。b. 插入深度 : 由热传导而引起的误差，与插入深度有关。而插入深度又与保护管材质有关。 金属保护管因其导热性能好，其插入深度应该深一些（约为直径的1520倍），陶瓷材料绝热性能好，可插入浅一些（约为直径的10-15 倍）。（2）响应时间 : 接触法测温的基本原理是测温元件要与被测对象达到热平衡。因此， 在测温时需要保持一定时间，才能使两者达到热平衡。而保持时间的长短，同测温元件的热响应时间有关。而热响应时间主要取决于传感器的结构及测量条件，差别极大。对于气体介质，尤其是静止气体， 至少应保持 30min 以上才能达到平衡； 对于液体而言，最快也要在 5min 以上。对于温度不断变化的被测场所，尤其是瞬间变化过程， 全过程仅 1 秒钟，则要求传感器的响应时间在毫秒级。因此，普通的温度传感器不仅跟不上被测对象的温度变化速度出现滞后，而且也会因达不到热平衡而产生测量误差。 最好选择响应快的传感器。 对热电偶而言除保护管影响外， 热电偶的测量端直径也是其主要因素，即偶丝越细，测量端直径越小，其热响应时间越短。测温元件热响应误差可通过下式确定 1 。=0exp（-t/ ）其中 t 测量时间 S，精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 15 页10 在 t 时刻，测温元件引起的误差，K或0“ t=0 ” 时刻，测温元件引起的误差，K或时间常数 S e 自然对数的底（ 2.718 ）因此，当 t= 时，则 =0/e 即为 0.368 ，如果当 t=2 时, 则 =0/e2 即为 0.135 。当被测对象的温度 ,以一定的速度 (k/s或/s) 上升或下降时 , 经过足够的时间后 , 所产生的响应误差可用下式表示：= -其中 经过足够时间后，测温元件引起的误差。由式式可以看出，响应误差与时间常数（）成正比。（3）热辐射插入炉内用于测温的热电偶， 将被高温物体发出的热辐射加热。假定炉内气体是透明的，而且， 热电偶与炉壁的温差较大时，将因能量交换而产生测温误差。在单位时间内，两者交换的辐射能为P，可用下式表示：P=（Tw4 - Tt4 ）（23）其中 斯忒藩波尔兹常数发射率Tt 热电偶的温度 , K Tw炉壁的温度 ,K 在单位时间内 ,热电偶同周围的气体（温度为T）, 通过对流及热传导也将发生热量交换的能量为PP= A（T-Tt ）（24）其中 热导率， A 热电偶的表面积精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 15 页11 在正常状态下， P= P，其误差为：Tt-T= （Tt4-Tw4）/（25）对于单位面积而言其误差为Tt-T= （Tt4-Tw4）/（26）因此，为了减少热辐射误差，应增大热传导，并使炉壁温度Tw ，尽可能接近热电偶的温度Tt 。另外，在安装时还应注意：热电偶安装位置， 应尽可能避开从固体发出的热辐射，使其不能辐射到热电偶表面；热电偶最好带有热辐射遮蔽套；热阻抗增加的影响。（4）冷端温度： 在热电偶测温的过程中，要求热电偶冷端温度必须保持在 0 ，但是在实际测量过程中，热电偶的热端与冷端离得很近；冷端又暴露在空间； 受到设备温度和环境温度的影响，等种种原因使冷端温度偏离 0，因此测量结果就产生了偏差。所以要用分度表对热电偶进行标定，实现对温度的准确测量。 具体措施是对冷端温度的变化所引起的冷端温度误差予以补偿。方法： a、补偿导线法；b、冷端恒温法； c、计算修正法； d、模拟补偿法； e、数字补偿法。2、热电偶温度计的选型在熟悉被测对象、掌握各种热电偶特性的基础上，根据使用气氛、温度的高低正确地选择热电偶。一般按照下面几个原则来选择：（1）按使用温度选择当 T1000时，多选用廉金属热电偶，如K型热电偶。特点：使用温度范围宽，高温下性能较稳定；精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 15 页12 当 T200300时，最好选用T 型热电偶，廉金属热电偶中准确度最高的；或者选择E型热电偶，廉金属金属中热电势变化率最大、灵敏度最高；当 T10001400时，多选用 R、S型热电偶；当 T1300时，可选用 N型或者 K型热电偶；当 T14001800时，多选用 B型热电偶。当 T1600时，短期可用S型或 R型热电偶。当 T1800时，常选用钨铼热电偶。（2）根据被测介质选择氧化性气氛：当T1300时，多选用 N型或 K型热电偶，廉金属热电偶中抗氧化性最强；当T1300时，选用铂铑系热电偶。真空、还原性气氛：当T950时，选用J 型热电偶，既可以在氧化性气氛下工作，又可以在还原性气氛下工作工作；当T1600时，应选用钨铼热电偶。（3）根据热电偶丝的直径与长度选择热电极直径：由材料的价格、机械强度、电导率、用途及测温范围等决定。长度：由插入深度及安装条件决定。对于快速反应，选用细直径的电极丝；细直径的电极测量端越小、越灵敏，但电阻也越大；粗直径的热电极丝，提高了测温范围和寿命，但要延长响应时间；热电偶丝的直径与长度， 不影响热电势的大小， 但与热电偶的使用精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 15 页13 寿命、动态响应特性及线路电阻有关。六、现场安装及其注意事项1、安装方向：与被测介质形成逆流或正交。如图所示：2、安装位置：工作端应处于管道中流速最大的地方；保护管的末端应越过管道中心线约510mm。3、插入深度：插入深度增加，测温误差将减小；斜插或沿管道轴线方向安装；在最大的允许插入深度条件下，尽可能深插。4、细管道内（直径 80mm)流体温度的测量常因插入深度不够而引起测量误差；安装时应接扩大管，选择适宜部位，减小或消除该误差。5、负压管道中流体温度的测量必须保证其密封性，防外界冷空气吸入，使测量值偏低。6、接线盒的安装：穿管前检查导线及电缆等有无断头和绝缘性能；管内导线不得有接头或加接线盒； 接线盒盖朝上以免雨水或其他流体的侵入。7、 如果被测物体很小安装时注意不要改变原来的热传导及对流条件。七、总结热电偶测温是应用最广泛的测温元件之一，应用热电偶测温， 其测温范围广，在一定温度范围内使用精度高，性能稳定，结构简单，精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 15 页14 使用方便，动态特性好， 把温度信号直接转换为直流电势信号进行测量。热电偶温度计测温属于接触式测温，直接与被测对象接触，不受中间介质的影响， 可以减小测量的误差，提高测量的精度。但是因为测温元件与被测介质需要充分进行热交换,需要一定的时间才能到达热平衡 ,存在测温延迟现象,同时受耐高温材料的限制,不能应用于很高的温度测量。通过这次的课程设计，我对自己所学的专业和方向有了更深的认识和了解，仪表的学习和使用对我们过程控制方向的同学是很重要的。学习完自动检测技术与仪表这门课程以后，对课程的系统框架结构有了一个清晰地认识， 但是要具体到哪一个传感器或者是哪一种检测仪表，我就有些模糊了，基本都是记忆的知识点，太多了，比较混乱。但是通过这次课程设计以后， 我对课程的知识点不再那么模糊，让我学到了许多关于热电偶测温系统方面的知识。首先，对于热电偶的工作原理及用途有了更进一步的认识。因为课程设计的任务，在我选定课题后，我必须熟悉这个课题有关的内容，才能完成我的课程设计。期间，我也遇到了一些困难，对影响热电偶测温的因素不太明白， 因为教材上没有更多的说明。因为近期图书馆都没有开放，所以我只能请同学帮忙，还有上网查资料，在同学的帮助和自己的努力下，我很快就把这一知识点弄明白了。只有通过自己的努力与实践，才能真正的掌握知识， 通过这次课程设计，我才切身体会到“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”的学习态度。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 15 页15 八、 参考文献1、王俊杰检测技术与仪表第二版，武汉理工大学出版社2、施仁自动化仪表与过程控制 ，电子工业出版社，19903、童敏明 , 唐守峰检测与转换技术 ，中国矿业大学出版社，20084、王魁汉，温度测量技术，东北工学院出版社，1992 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 15 页
