热电偶传感器优秀PPT.ppt

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1、4 热电偶传感器4.1 热电偶测温原理热电偶测温原理4.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律4.3 热电偶的冷端处理和补偿热电偶的冷端处理和补偿4.4 标准化热电偶标准化热电偶4.5 非标准化热电偶非标准化热电偶4.6 热电偶结构型式热电偶结构型式4.7 热电偶安装留意事项热电偶安装留意事项上一页下一页返 回4.1 热电偶测温原理l热电偶：热电偶：两种不同的金属两种不同的金属A和和B构成闭合回路构成闭合回路当两个接触端当两个接触端T T0时，回路中会产生热电势时，回路中会产生热电势 热电势由两种材料的接触电势和单一材料的温差电势确定热电势由两种材料的接触电势和单一材料的温差电势确定上一页下一页

2、返 回1.1.接触电势接触电势k 玻耳兹曼常数；T 接触面的确定温度；e 单位电荷量；NA金属电极A的自由电子密度NA金属电极B的自由电子密度接触电势接触电势上一页下一页返 回2.2.温差电势温差电势 汤姆逊系数，它表示温度为汤姆逊系数，它表示温度为1时所产生的电动势值，时所产生的电动势值，它与材料的性质有关。它与材料的性质有关。温差电势温差电势（汤姆逊电势）（汤姆逊电势）上一页下一页返 回3.3.热电偶回路的总热电势热电偶回路的总热电势 上一页下一页返 回l热电极热电极A和和B为同一种材料时，为同一种材料时，NA=NB,A=B，l则则EAB(T,T0)=0。l若热电偶两端处于同一温度下，若热

3、电偶两端处于同一温度下，T=T0，l则则EAB(T,T0)=0。l热电势存在必需具备两个条件：热电势存在必需具备两个条件：l一、两种不同的金属材料组成热电偶，一、两种不同的金属材料组成热电偶，l 二、它的两端存在温差。二、它的两端存在温差。上一页下一页返 回热电势是热电势是T和和T0的温度函数的差，而不是温度的函数。的温度函数的差，而不是温度的函数。当当T0=0时，时，f(T0)=0则有：则有：E与与T之间有唯一对应的单值函数关系，之间有唯一对应的单值函数关系，因此就可以用测量到的热电势因此就可以用测量到的热电势E来得到对应的温度值来得到对应的温度值T，热电偶热电势的大小，只是与导体热电偶热电

4、势的大小，只是与导体A和和B的材料有关，的材料有关，与冷热端的温度有关，与导体的粗瘦长短及两导体接触面积无关。与冷热端的温度有关，与导体的粗瘦长短及两导体接触面积无关。上一页下一页返 回4.2 热电偶的基本定律1.1.匀质导体定律匀质导体定律2.2.中间导体定律中间导体定律3.3.连接导体定律连接导体定律上一页下一页返 回1.1.匀质导体定律匀质导体定律l由由一一种种匀匀质质导导体体所所组组成成的的闭闭合合回回路路，不不论论导导体体的的截截面面积积如如何何及及导导体体的的各各处处温温度度分分布布如如何何，都都不能产生热电势。不能产生热电势。l热电偶必需接受两种不用材料的导体组成，热电偶必需接受

5、两种不用材料的导体组成，l热热电电偶偶的的热热电电势势仅仅与与两两接接点点的的温温度度有有关关，而而与与沿热电极的温度分布无关。沿热电极的温度分布无关。l假假如如热热电电偶偶的的热热电电极极是是非非匀匀质质导导体体，在在不不匀匀整整温温度度场场中中测测温温时时将将造造成成测测量量误误差差。所所以以热热电电极极材材料料的的匀匀整整性性是是衡衡量量热热电电偶偶质质量量的的重重要要技技术术指指标之一。标之一。上一页下一页返 回2.中间导体定律在在热热电电偶偶回回路路中中接接入入与与另另一一种种导导体体称称中中间间导导体体C C，只只要要中中间间导导体体的的两两端端温温度度相相同同，热热电电偶偶回回路

6、路总总电电动动势势不不受受中中间导间导体接入的影响。体接入的影响。上一页下一页返 回3.3.连接导体定律连接导体定律为在工业测量温度中运用补偿导线供应了理论基础。为在工业测量温度中运用补偿导线供应了理论基础。上一页下一页返 回l例例6.3.1 6.3.1 用（用（S S型）热电偶测量某一温度，若参比型）热电偶测量某一温度，若参比端温度端温度T T0 0=30=30，测得的热电势，测得的热电势E(T,Tn)=7.5mVE(T,Tn)=7.5mV，求测量端实际温度求测量端实际温度T T。查分度表有查分度表有E（30，0）=0.173 mV 反查分度表有反查分度表有T=830T=830，测量端实际温

7、度为，测量端实际温度为830830上一页下一页返 回4.3 热电偶的冷端处理和补偿 热热电电偶偶的的热热电电势势大大小小不不仅仅与与热热端端温温度度的的有有关关，而而且且也也与与冷冷端端温温度度有有关关，只只有有当当冷冷端端温温度度恒恒定定，通过测量热电势的大小得到热端的温度。通过测量热电势的大小得到热端的温度。热电偶的冷端处理和补偿热电偶的冷端处理和补偿:当当热热电电偶偶冷冷端端处处在在温温度度波波动动较较大大的的地地方方时时，必必需需首首先先运运用用补补偿偿导导线线将将冷冷端端延延长长到到一一个个温温度度稳稳定的地方，再考虑将冷端处理为定的地方，再考虑将冷端处理为。上一页下一页返 回几种冷

8、端处理方法：1.补偿导线法补偿导线法2.热电偶冷端温度恒温法热电偶冷端温度恒温法3.计算修正法计算修正法4.冷端补偿电桥法冷端补偿电桥法上一页下一页返 回1.补偿导线法补偿导线法l组成组成：补偿导线合金丝、绝缘层、护套和屏蔽层。：补偿导线合金丝、绝缘层、护套和屏蔽层。l热电偶补偿导线功能热电偶补偿导线功能：其一实现了冷端迁移；其一实现了冷端迁移；其二是降低了电路成本。其二是降低了电路成本。l补偿导线又分为补偿导线又分为延长型延长型和和补偿型补偿型两种两种 延长形：延长形：补偿导线合金丝的名义化学成分及热电势标称值与补偿导线合金丝的名义化学成分及热电势标称值与配用的热电偶相同，用字母配用的热电偶

9、相同，用字母“”附在热电偶分度号后表示，附在热电偶分度号后表示，补偿型：补偿型：其合金丝的名称化学成分与配用的热电偶不同，但其合金丝的名称化学成分与配用的热电偶不同，但其热电势值在其热电势值在100以下时与配用的热电偶的热电势标称值相以下时与配用的热电偶的热电势标称值相同，有字母同，有字母“C”附在热电偶分度号后表示，附在热电偶分度号后表示，上一页下一页返 回补偿导线的型号、线芯材质和绝缘层着色 补偿导补偿导线型号线型号配用热电偶配用热电偶补偿导线的线芯材料补偿导线的线芯材料绝缘层着色绝缘层着色正极正极负极负极SC或RC铂铑10（铂铑）-铂SPC（铜）SNC（铜镍）红绿KC镍铬-镍硅KPC（铜

10、）KNC（铜镍）红蓝KX镍铬-镍硅KPX（铜镍）KNX（镍硅）红黑NX镍铬硅-镍硅NPS（铜镍）NNX（镍硅）红灰EX镍铬-铜镍EPX（镍铬）ENX（铜镍）红棕JX铁-铜镍JPX（铁）JNX（铜镍）红紫TX铜-铜镍TPX（铜）TNX（铜镍）红白上一页下一页返 回运用补偿导线时留意问题：补偿导线只能用在规定的温度范围内（补偿导线只能用在规定的温度范围内（01000100）；）；热电偶和补偿导线的两个接点处要保持温度相同；热电偶和补偿导线的两个接点处要保持温度相同；不同型号的热电偶配有不同的补偿导线；不同型号的热电偶配有不同的补偿导线；补补偿偿导导线线由由正正、负负极极需需分分别别与与热热电电偶偶

11、正正、负负极极相相连；连；补偿导线的作用是对热电偶冷端延长。补偿导线的作用是对热电偶冷端延长。上一页下一页返 回2.热电偶冷端温度恒温法热电偶冷端温度恒温法适用于试验室中的精确测量和检定热电偶时运用。适用于试验室中的精确测量和检定热电偶时运用。上一页下一页返 回3.计算修正法计算修正法l在实际应用中，热电偶的参比端往往不是，而在实际应用中，热电偶的参比端往往不是，而是环境温度，这时测量出的回路热电势要小，是环境温度，这时测量出的回路热电势要小，因此必需加上环境温度与冰点之间温差所产生因此必需加上环境温度与冰点之间温差所产生的热电势后才能符合热电偶分度表的要求。的热电势后才能符合热电偶分度表的要

12、求。可用室温计测出环境温度可用室温计测出环境温度T1，从分度表中查出的，从分度表中查出的E(T1,0)值，值，然后加上热电偶回路热电势然后加上热电偶回路热电势E(T,T1)，得到，得到E(T,0)值，值，反查分度表即可得到精确的被测温度值。反查分度表即可得到精确的被测温度值。上一页下一页返 回例例6.36.32 2用镍铬用镍铬-镍硅镍硅(K(K型型)热电偶测温，热电偶参比端温度热电偶测温，热电偶参比端温度为为3030。测得的热电势为。测得的热电势为28mV28mV，求热端温度。，求热端温度。反查K分度表 T=701.5计算修正曲线 上一页下一页返 回4.冷端补偿电桥法冷端补偿电桥法l利用直流不

13、平衡电桥产生的电势来补偿热电偶利用直流不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶冷端温度变更而引起的热电势的变更值冷端温度变更而引起的热电势的变更值 上一页下一页返 回4.4 标准化热电偶 l标准化热电偶：工艺上比较成熟，能批标准化热电偶：工艺上比较成熟，能批量生产、性能稳定、应用广泛，具有统量生产、性能稳定、应用广泛，具有统一分度表并已列入国际和国家标准文件一分度表并已列入国际和国家标准文件中的热电偶。标准化热电偶可以相互交中的热电偶。标准化热电偶可以相互交换，精度有确定的保证。换，精度有确定的保证。l国际电工委员会（国际电工委员会（IEC）共举荐了）共举荐了8种标种标准化热电偶准化热电偶 上一页下一

14、页返 回表4.2 标准化热电偶技术数据热电偶名称热电偶名称分度分度号号热电极识别热电极识别E E（100,0100,0）（mVmV）测温范围（测温范围（）对分度表允许偏差（对分度表允许偏差（）新新极极性性识别识别长期长期短期短期等等级级使用温度使用温度允差允差铂铑10-铂S正亮白较硬0.6460130016006001.5负亮白柔软6000.25%t铂铑13-铂R正较硬0.6470130016006001.5负柔软11000.25%t铂铑30-铂铑B正较硬0.0330160018006009004负稍软8000.5%t镍铬-镍硅K正不亲磁4.096012001300-4013002.5或0.7

15、5%t负稍亲磁-200402.5或1.5%t镍铬硅-镍硅N正不亲磁2.774-20012001300-4011001.5或0.4%t负稍亲磁-4013002.5或0.75%t镍铬-康铜E正暗绿6.319-200760850-409002.5或0.75%t负亮黄-200402.5或1.5%t铜-康铜T正红色4.279-200350400-403501或0.75%t负银白色-200401或1.5%t铁-康铜J正亲磁5.269-40600750-407502.5或0.75%t负不亲磁上一页下一页返 回1.1.铂铑铂铑10-10-铂热电偶（铂热电偶（S S型）型）l贵金属热电偶。电极线径规定为贵金属热

16、电偶。电极线径规定为0.5mm0.5mm，l正极（正极（SPSP）的名义化学成分为铂铑合金）的名义化学成分为铂铑合金l负极（负极（SNSN）为纯铂，故俗称为单铂铑热电偶。）为纯铂，故俗称为单铂铑热电偶。l长长期期最最高高运运用用温温度度为为13001300，短短期期最最高高运运用用温温度度为为16001600。l优优点点：精精确确度度高高，稳稳定定性性好好，测测温温温温区区和和运运用用寿寿命命长长，物物理理化化学学性性能能良良好好，在在高高温温下下抗抗氧氧化化性性能能好好，适适用用于于氧化和惰性气氛中。氧化和惰性气氛中。l缺缺点点：热热电电率率较较小小，灵灵敏敏度度低低，高高温温下下机机械械强

17、强度度下下降降，对污染敏感，贵金属材料昂贵，因此一次性投资较大。对污染敏感，贵金属材料昂贵，因此一次性投资较大。上一页下一页返 回2.2.铂铑铂铑30-30-铂铑铂铑6 6（B B型）型）l为贵金属热电偶。热偶丝线径规定为为贵金属热电偶。热偶丝线径规定为0.5mm0.5mm，l正正极极（BPBP）和和负负极极（BNBN）的的名名义义化化学学成成分分均均为为铂铂铑合金，只是含量不同，故俗称为双铂铑热电偶。铑合金，只是含量不同，故俗称为双铂铑热电偶。l长长期期最最高高运运用用温温度度为为16001600，短短期期最最高高运运用用温温度度为为18001800。l优优点点：精精确确度度高高，稳稳定定性

18、性好好，测测温温温温区区宽宽，运运用用寿寿命命长长等等，适适用用于于氧氧化化性性和和惰惰性性气气氛氛中中，也也可可短短期期用用于于真真空空中中，但但不不适适用用于于还还原原性性气气氛氛或或含含有有金金属属或或非非金金属属蒸蒸汽汽中中；参参比比端端不不需需进进行行冷冷端端补补偿偿，因因为为在在0 05050范范围围内热电势小于内热电势小于3V3V。l缺缺点点：热热电电率率较较小小，灵灵敏敏度度低低，高高温温下下机机械械强强度度下下降降，抗污染实力差，贵金属材料昂贵。抗污染实力差，贵金属材料昂贵。上一页下一页返 回3.3.镍铬镍铬-镍硅热电偶（镍硅热电偶（K K型）型）l运用量最大的廉金属热电偶，

19、用量为其他热电偶的总和运用量最大的廉金属热电偶，用量为其他热电偶的总和l正极（正极（KPKP）的名义化学成分为：）的名义化学成分为：Ni:Cr=90:10Ni:Cr=90:10，l负极（负极（KNKN）的名义化学化学成分为）的名义化学化学成分为Ni:Si=97:3Ni:Si=97:3。l其运用温度为其运用温度为-200-20013001300。l优优点点：线线性性度度好好，热热电电势势较较大大，灵灵敏敏度度较较高高，稳稳定定性性和和复复现现性性均均好好，抗抗氧氧化化性性强强，价价格格便便宜宜。能能用用于于氧氧化化性性和和惰性气氛中。惰性气氛中。lK K型型热热电电偶偶不不能能在在高高温温下下干

20、干脆脆用用于于硫硫、还还原原性性或或还还原原、氧化交替的气氛中，也不能用于真空中。氧化交替的气氛中，也不能用于真空中。上一页下一页返 回4.4.镍铬镍铬-铜镍热电偶（铜镍热电偶（E E型）型）l称为镍铬称为镍铬-康铜热电偶，也是一种廉价金属热电偶。康铜热电偶，也是一种廉价金属热电偶。l其正极（其正极（EP）为镍铬）为镍铬10合金，化学成分与合金，化学成分与KP相同，相同，负极（负极（EN）为铜镍合金，名义化学成分为）为铜镍合金，名义化学成分为55%的铜、的铜、45%的镍以及少量的钴、锰、铁等元素。的镍以及少量的钴、锰、铁等元素。l该热电偶电动势之大，灵敏度之高属全部标准热电偶该热电偶电动势之大

21、，灵敏度之高属全部标准热电偶之最，宜制成热电偶堆来测量微小温度变更。之最，宜制成热电偶堆来测量微小温度变更。lE型热电偶可用于湿度较大的环境里，具有稳定性好，型热电偶可用于湿度较大的环境里，具有稳定性好，抗氧化性能高，价格便宜等优点。但不能在高温下用抗氧化性能高，价格便宜等优点。但不能在高温下用于硫、还原性气氛中。于硫、还原性气氛中。上一页下一页返 回标准化热电偶热电势和温度的关系 上一页下一页返 回表6.3.3 标准化热电偶的特性热电偶种类热电偶种类优点优点缺点缺点B适于测量1000以上的高温常温下热电动势极小，可不用补偿导线抗氧化、耐化学腐蚀在中低温领域热电动势小，不能用于600以下灵敏度

22、低热电动势的线性不好R、S精度高、稳定性好，不易劣化抗氧化、耐化学腐蚀可作标准灵敏度低不适用于还原性气氛(尤其是H2、金属蒸气)热电动势的线性不好价格高N热电动势线性好1200以下抗氧化性能良好短程表序结构变化影响小不适用于还原性气氛同贵金属势电偶相比时效变化大K热电动势线性好1000下抗氧化性能良好在廉金属热电偶中稳定性更好不适用于还原性气氛同贵金属热电偶相比时效变化大因短程有序结构变化而产生误差E在现有的热电偶中，灵敏度最高同J型相比，耐热性能良好两极非磁性不适用于还原性气氛热导率低具有微滞后现象J可用于还原性气氛热电动势较K型高20%左右铁正极易生锈热电特性漂移大T热电动势线性好低温特性

23、好产品质量稳定性好可用于还原性气氛使用温度低铜正极易氧化热传导误差大上一页下一页返 回4.5 非标准化热电偶 名称名称热电极材料热电极材料使用温度使用温度范围范围()()过热使用温过热使用温度度范围范围()()特征特征正极正极负极负极钨莱系Wre5、Wre3Wre26、Wre25023003000适用于还原性、H2及惰性气体。质脆铂铑系PtRh20、PtRh40PtRh5、PtRh2030015001100160018001800在高温下使用，热电动势小，其它性能与R型相同铱铑系Ir、Ir、IrIrRh40、IrRh50、IrRh60110020002100适用于真空、惰性气体及微氧化性气氛。

24、质脆镍钼系NiNiMo1801280/可用于还原性气氛，热电动势大钯铂系Pd、Pt及Au合金Au、Pd合金011001300耐磨性能强，热电动势的大小基本上与K型相同镍铬、金铁以Ni-Cr为主的合金含0.07mo1%Fe的合金0300K/20K以下热电动势比较大，热电动势的线性好银金、金铁含Au为0.37mo1%的合金含0.03mo1%Fe的Au-Fe合金140K/热电动势小，受磁场影响上一页下一页返 回4.6 热电偶结构型式 l为为保保证证热热电电偶偶的的正正常常工工作作，热热电电偶偶的的两两极极之之间间以以及及与与爱爱护护套套管管之之间间都都须须要要良良好好的的电电绝绝缘缘，而而且且耐耐高

25、高温温、耐耐腐腐蚀蚀和和冲冲击击的外爱护套管也是必不行少的。的外爱护套管也是必不行少的。l1.1.一般型装配式结构一般型装配式结构l2.2.柔性安装型铠装结构柔性安装型铠装结构上一页下一页返 回1.1.一般型装配式结构一般型装配式结构（a）1接线柱；接线柱；2接线座；接线座；3绝缘套管；绝缘套管；4热电极热电极（b）1测量端；测量端；2热电极；热电极；3绝缘套管；绝缘套管；4爱护管；爱护管；5接线盒接线盒上一页下一页返 回2.2.柔性安装型铠装结构柔性安装型铠装结构测量端的热容量小，响应速度快，绕性好，可弯曲，测量端的热容量小，响应速度快，绕性好，可弯曲，可以安装在狭窄或结构困难的测量场合，耐

26、压、耐振、耐冲击可以安装在狭窄或结构困难的测量场合，耐压、耐振、耐冲击上一页下一页返 回4.7 热电偶安装留意事项 1.1.插入深度要求插入深度要求测测量量端端应应有有足足够够的的插插入入深深度度，应应使使爱爱护护套套管管的的测量端超过管道中心线测量端超过管道中心线510mm510mm。2.2.留意保温留意保温为为防防止止传传导导散散热热产产生生测测温温附附加加误误差差，爱爱护护套套管管露在设备外部的长度应尽量短，并加保温层。露在设备外部的长度应尽量短，并加保温层。3.3.防止变形防止变形应应尽尽量量垂垂直直安安装装。在在有有流流速速的的管管道道中中必必需需倾倾斜斜安装，若需水平安装时，则应有支架支撑。安装，若需水平安装时，则应有支架支撑。上一页返 回