2022年热电偶温度计的测温原理、选型及其应用.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 自动检测技术及外表课程设计报告热电偶温度计的测温原理、学院：班级：姓名：学号：选型及其应用名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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就 7 4.1 均质导体定就 7

2、4. 2 中间导体定就 7 4.3 连接导体和中间温度定就 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 现场安装及其留意事项 13 七 总结 13 八 参考文献 15 2 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 一、 摘要热电偶温度计是一种最简洁最一般,测温范畴最广的温度传感器,是科研生产最常用的温度传感器；在使用时不留意,也会引起 较大测量误差；

3、针对当前存在的问题, 具体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；在使用时应当怎样挑选热电偶温度计,以及使用时的一些安装留意事项,这对提高测量精度, 延长热电偶寿命, 都有肯定的意义；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 , 通过电气外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

4、某个恒定的温度下；依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 , 可接入测量外表 , 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下列图：其中,T 是热端、工作端或者测量端,T03 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 称为冷端、自由端或者参比

5、端； A和 B称为热电极,热电势E AB T,T 0的大小由接触电势和温差电势打算；（1）接触电势 ：也叫珀尔电势,其大小表示为：其中：eABTe AB TKTlnNATeNBT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接触处的肯定温度；e单位电荷量；N AT、NBT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

6、动势；其大小表示为：e A T, T 0KTAdTeT 0e BT, T 0KTBdTeT 0其中： a、 B分别为导体 A 和 B 的汤姆逊系数；eA（T,T ）、eB（T,T ）分别为导体 A 和 B 两端温度在 T 和 T 0（T T ）时的温差电势； K玻尔兹曼常数； T 接触处的肯定 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4 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 如下列图,热电偶闭合回

7、路中,回路总电势由 4 个部分组成, 2个温差电势：e （T,T ）和e （T,T ）,2 个接触电势e （T）和e AB（T ）,其大小和方向如图中所示,就总电势为EAB T,T 0e ABTe B T,T 0eABT 0eAT,T0KTlnNATKTAdTKT 0lnNAT0KTBdTeNBTeT 0eNBT 0eT 0EAB T,T0eABTTABdteAB T0T 0ABdt00fTfT0由上面的式子可知,热电偶总电势与两接点温度有关；如使冷端温度 T 固定,即 .（T ）= C（常数）,就对确定的热电偶材料,其总电势 EAB T , T 0 只与热端温度 T 有关,即EAB T ,

8、T 0 f T C所以,热电偶所产生的热电势 EAB T , T 0 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 工作原理；T,这就是用热电偶测量温度的三、 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：一般型、铠装型、薄膜型三种；5 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 热电偶的基本结构是热电极,绝缘材料和爱护管；并与显示外表、记录外表或运算机等配套使用； 在现场使用中依据环境, 被测介质等多种因素研制成适合各种环境的热电偶；热电偶简洁分为装配式

9、热电偶,铠装式热电偶和特别形式热电偶；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 为了保证热电偶牢靠、稳固地工作,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需坚固；（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便利牢靠；（4）爱护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离；2、

10、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 量范畴极大,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6 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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,便于自动掌握和集中掌

11、握；测量范畴广：可达 -200 2000以上,是应用最广的测温传感器；结构简洁、体积小、易加工,性能牢靠,使用寿命长,安装便利；机械强度好；四、热电偶温度计测温技术中涉及到的定就1、均质导体定就 由均质材料（指电子密度到处相同）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, 而与热电偶的几何外形、尺寸大小和沿电极温度分布无关；结论：（1）热电偶必需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,回路假如产生热电势, 便说明该材料是不匀称的； 这也是检查热电极材料匀称性 的一种方法；2、中间导体定就 在热电偶回路的任何地方插入第三

12、种均质导体,只要保证插入的第三种导体两端温度相同, 就插入第三种导体后, 对热电偶回路中的总电势没有影响；如下列图：7 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 作用：为在热电偶回路中连接外表、连接导线等供应理论依据；即只要保证连接导线、外表等接入时两端温度相同, 就不影响回路热电势；3、连接导体和中间温度定就在热电偶回路中,如热电极 A、B 分别与导体A 、B相连,接点温度分别为 T,T 和 T 时,就回路总电势为热电偶的热电势 EAB（T,T ）与连接导体热电势 EAB（T ,T ）的代数和连接导体定律；作用：在热电偶

13、回路中应用补偿导线供应了理论依据；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8 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 其中包括： a. 测温点的挑选 : 热电偶的安装位置,即测温点的挑选是 最重要的；测温点的位置, 对于生产工艺过程而言,肯定要具有典型 性、代表性,否就将失去测量与掌握的意义；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 又与爱护管材质有关； 金属爱护管因其导热性能好,其插入深度应当深一些（约为直径的1520 倍

14、）,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稳；因此, 在测温时需要保持肯定时间,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,特别是静止气体, 至少应保持 30min 以上才能达到平稳； 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,特别是瞬时变化过程, 全过程仅 1 秒钟,就要求传感器的响应时间在毫秒级；因此,一般的温度 传感器不仅跟不上被测对象的温度变化速度显现滞后,而且也会因

15、达不到热平稳而产生测量误差； 最好挑选响应快的传感器； 对热电偶而言除爱护管影响外, 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,9 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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,就 = 0/e 即为 0.368 ,假如当 t=2 时, 就 = 0

16、/e2 即为 0.135 ；当被测对象的温度 , 以肯定的速度 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 假定 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；炉内气体是透亮的,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= （Tw4 - Tt4 ）（23）P,可用下式表示：其中 斯忒藩波尔兹常数 发射率Tt 热电偶的温度 , K Tw 在单位时间内 , 热电偶同四周的气体（

17、温度为 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10 炉壁的温度 ,K T）, 通过对流及热传导名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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,为了削减热辐射误差,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,在安装时仍应留意：热电偶安装位置, 应尽可能躲开从固体发出的热辐射,使其不能辐射到热电偶

18、表面；热电偶最好带有热辐射遮挡套；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需保持在 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,等种种缘由使冷端温度偏离 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,实现对温度的精确测量； 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、运算修正法； d、模拟补偿法； e、数字补偿法；2、热电偶温度计的选型 在熟识被测对象、把握各种热电偶特性的基础上,依据使用气氛、温 度的高低正确地挑选热电偶；

19、一般依据下面几个原就来挑选：（1）按使用温度挑选当 T1000时,多项用廉金属热电偶,如 温度范畴宽,高温下性能较稳固；11 K型热电偶；特点：使用名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 当 T200300时,最好选用T 型热电偶,廉金属热电偶中精确度最高的；或者挑选 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,多项用 R、S型热电偶；当 T1300时,可选用 N型或者 K型热电偶；当 T14001800时,多项用 B型热电偶；当 T1600时,短期可用S型或 R型热电偶；当 T1

20、800时,常选用钨铼热电偶；（2）依据被测介质挑选氧化性气氛：当 T1300时,多项用 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、仍原性气氛：当 T950时,选用 J 型热电偶,既可以在 氧化性气氛下工作,又可以在仍原性气氛下工作工作；当 T1600时,应选用钨铼热电偶；（3）依据热电偶丝的直径与长度挑选 热电极直径：由材料的价格、机械强度、电导率、用途及测温范畴等 打算；长度：由插入深度及安装条件打算；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,提高了测温范畴和寿命,但要延长响应时间；热电偶丝

21、的直径与长度, 不影响热电势的大小, 但与热电偶的使用12 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 寿命、动态响应特性及线路电阻有关；六、现场安装及其留意事项 1、安装方向：与被测介质形成逆流或正交；如下列图：2、安装位置：工作端应处于管道中流速最大的地方；爱护管的末端 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；在最大的答应插入深度条件下,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 择相宜部位

22、,减小或排除该误差；5、负压管道中流体温度的测量 必需保证其密封性,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、假如被测物体很小安装时留意不要转变原先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, 其测温范畴广,在肯定温度范畴内使用精度高,性能稳固,结构简洁,13 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 使用便利, 动态特性好, 把温度信号直接转换为直流电势信号

23、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；但是由于测温元件与被测介质需要充分进行热交换,需要肯定的时间才能到达热平稳 ,存在测温推迟现象,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 识和明白,外表的学习和使用对我们过程掌握方向的同学是很重要 的；学习完自动检测技术与外表这门课程以后,对课程的系统框 架结构有了一个清楚地熟识, 但是要具体到哪一个传感器或者是哪一 种检测外表,我就有些模糊了,基本都是记忆的学问点,太多了,比 较纷乱；但是通过这次课程设计以后

24、, 我对课程的学问点不再那么模；糊,让我学到了很多关于热电偶测温系统方面的学问 第一,对于热电偶的工作原理及用途有了更进一步的熟识；由于 课程设计的任务,在我选定课题后,我必需熟识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, 由于教材上没有更多的说明；由于近期图书馆 都没有开放,所以我只能请同学帮忙,仍有上网查资料,在同学的帮 助和自己的努力下,我很快就把这一学问点弄明白了；只有通过自己的努力与实践,才能真正的把握学问, 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；14 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 八、 参考文献1、王俊杰检测技术与外表其次版,武汉理工高校出版社2、施仁自动化外表与过程掌握 ,电子工业出版社, 19903、童敏明 , 唐守峰检测与转换技术 ,中国矿业高校出版社,20224、王魁汉,温度测量技术,东北工学院出版社,1992 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 15 页