热电偶和热电阻

温度测量仪表——热电偶、热电阻2017/5/11第一部分热电偶第二部分热电阻第三部分测温实例前言1820年代初期，塞贝克通过实验方法研究了电流与热的关系。1821年，塞贝克将两种不同的金属导线连接在一起，构成一个电流回路。他将两条导线首尾相连形成一个结点，他突然发现，如果把其中的一个结加热到很高的温度而另一个结保持低温的话，电路周围存在磁场。他实在不敢相信，热量施加于两种金属构成的一个结时会有电流产生，这只能用热磁电流或热磁现象来解释他的发现。在接下来的两年里时间（18222～1823），塞贝克将他的持续观察报告给普鲁士科学学会，把这一发现描述为“温差导致的金属磁”。赛贝壳的实验仪器，加热其中一端时，指针转动，说明导线产生了磁场。塞贝克确实已经发现了热电效应，但他却做出了错误的解释：导线周围产生磁场的原因，是温度梯度导致金属在一定方向上被磁化，而非形成了电流。科学学会认为，这种现象是因为温度梯度导致了电流，继而在导线周围产生了磁场。对于这样的解释，塞贝克十分恼火，他反驳说，科学家们的眼睛让奥斯特（电磁学的先驱）的经验给蒙住了，所以他们只会用“磁场由电流产生”的理论去解释，而想不到还有别的解释。但是，塞贝克自己却难以解释这样一个事实：如果将电路切断，温度梯度并未在导线周围产生磁场。所以，多数人都认可热电效应的观点，后来也就这样被确定下来了。热电效应发现后的1830年，人们就为它找到了应用场所。利用热电效应，可制成温差电偶（thermocouple，即热电偶）来测量温度。只要选用适当的金属作热电偶材料，就可轻易测量到从－180℃到＋2000℃的温度，如此宽泛测量范围，令酒精或水银温度计望尘莫及。现在，通过采用铂和铂合金制作的热电偶温度计，甚至可以测量高达＋2800℃的温度！第一部分热电偶目录热电偶的基本定律热电偶应用相关知识热电偶简单介绍热电现象热电偶热电偶的优缺点补偿导线分类与安装校验及故障处理计算均质导体定律中间导体定律中间温度定律第一部分热电偶热电现象将两种不同材料的导体（或半导体）A和B组成闭合回路称之为热电偶。A、B是热偶丝，也叫热电极。放在被测对象中，感受温度变化的那端称为工作端或热端，另一端称为自由端或冷端。当热端和冷端温度不同时回路中有电流流过，此电流称为热电流，产生热电流的电动势称为热电势，这种物理现象称为热电现象。此热电势由接触电势和温差电势两部分组成的。热电偶简介-—热电现象第一部分热电偶接触电势：在两种不同性质的导体或半导体材料相接触点产生。接触电势的大小与两种金属导体或半导体材料的性质和接触点的温度有关，方向由电子密度小的电极指向电子密度大的电极。温差电势：同一种性质导体或半导体材料两端因为温度不同产生。00,AAAeteettt温差电势的大小与金属导体或半导体材料的性质和两端温度有关，方向由低温端指向高温端。第一部分热电偶热电偶简介-—热电现象热电势0,ABEttAB0(,)Bett0(,)Aett()ABet0()ABet00000000000,,,ABAABABABABABABABBAABBAABABBEttetetetetetetetetetetfettettetetetettft规定：热电偶的热电极中电子密度大的导体A为正极，电子密度小的B为负极。第一部分热电偶热电偶简介-—热电现象热电偶是一种感温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表（如远传I/O）转换成被测介质的温度。热电偶温度计以热电偶作为感温元件，一般用于测量500℃以上的高温，长期使用时其测温上限可达1300℃，短期使用时可达1600℃，特殊材料制成的热电偶可测量的温度范围为2000～3000℃。如电厂生产过程中的主蒸汽温度、过热器管壁温度、烟气高温等都是采用热电偶来测量的。热电偶具有性能稳定、测温高、结构简单、使用方便、经济耐用、容易维护和体积小等优点，还便于信号远传和实现多点切换测量。热电偶简介—热电偶热电偶第一部分热电偶热电偶的优缺点优点：①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。②测量范围广。常用的热电偶从-50~+1600℃均可边续测量，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）。③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。缺点：①低温范围的测量精度低；②信号调理复杂，容易引入误差；③易受腐蚀，使用必须在特定惰性气氛中使用，受腐蚀后精度会下降；④抗噪性差，测量毫伏电压易受杂乱电场和磁场的影响。热电偶简介—热电偶第一部分热电偶均质导体定律该定律内容是：由一种均质导体或半导体组成的闭合回路，不论导体或半导体的截面积、长度和各处温度分布如何，都不能产生热电势。该定律已在理论分析中得到证明，并可得出如下结论：（1）热电偶必须由两种不同性质的材料构成。（2）若热电极本身的材质不均匀，由于温度差的存在，将会产生附加热电势，造成测量误差。（3）由一种材料组成的闭合回路存在温差时，回路如产生热电势，便说明该材料是不均匀的。据此可检查热电极材料的均匀性，衡量热电偶质量的优劣。第一部分热电偶热电偶基本定律中间导体定律该定律内容是：由不同材料组成的闭合回路中，若各种材料接触点的温度都相同，则回路中热电势的总和等于零。根据中间导体定律还可以得出如下两个推论：（1）在热电偶回路中接入第三种均质材料，只要保证所接入材料两端温度相同，就不会影响热电偶的热电势。根据中间导体定律，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进行温度测量。（2）如果两种导体A和B对另一种参考导体C热电势已知，则这两种导体组成的热电偶的热电势是它们对参考导体热电势的代数和，即EAB（t，to）=EAC（t，to）＋ECB（t,to）参考导体亦称标准电极，一般选用铂制成，若已知各种电极与标准电极配成热电偶的热电特性，便可按此结论计算出任意两电极A、B配成热电偶后的热电特性，这样大大简化了热电偶的选配工作。热电偶基本定律第一部分热电偶中间温度定律该定律内容是：热电偶A、B在接点温度为t1、t3时的热电势等于热电偶A、B在接点温度分别为t1，t2和t2，t3时热电势的代数和，即EAB（t1，t3）＝EAB（t1，t2）＋EAB（t2，t3）由此定律可得如下结论：（1）已知热电偶在某一给定冷端温度下进行的分度，只要引入适当的修正，就可在另外的冷端温度下使用。该定律为制定和使用热电偶的热电势一温度关系即分度表奠定了理论基础。因为热电偶分度表是在冷端温度t0=0℃时热电势与热端温度的关系，根据中间温度定律便可以算出任何冷端温度时的热电势值。可得出EAB（t，0）＝EAB（t，tn）＋EAB（tn，0）（2）和热电偶具有同样热电性质的补偿导线可以引入热电偶回路中，相当于把热电偶延长而不影响热电偶应有的热电势。该定律为应用补偿导线提供了理论依据。热电偶基本定律第一部分热电偶补偿导线我国规定补偿导线分为补偿型和延伸型两种。补偿型补偿导线的材料与对应的热电偶不同，是用贱金属制成的，但在低温下它们的热电性质是相同的。延伸型补偿导线的材料与对应的热电偶相同，但其热电性能的准确度要求略低。热电偶分度号补偿导线型号补偿导线合金丝名称补偿导线合金丝绝缘层着色正极负极成分绝缘层着色成分绝缘层着色SSC铜-铜镍0.6100Cu红99.4Cu+0.6Ni绿RCKKCA铁-铜镍22100Fe红78Cu+22Ni蓝KCB铁-铜镍40100Cu红60Cu+40Ni蓝KX镍铬10-镍硅390Ni+10Cr红97Ni+3Si黑EEX镍铬10-铜镍4590Ni+10Cr红55Cu+45Ni棕补偿导线样式热电偶补偿导线第一部分热电偶补偿导线的作用②节省贵金属和性能稳定的稀有金属热电偶材料，降低测量线路的成本。③结构形式与电缆一样，便于实际安装使用和线路敷设；若用直径粗、电导系数大的补偿导线，还可以减少测量回路电阻。①把热电偶的冷端延伸到远离被测对象且恒温或温度波动比较小的地方，改善热电偶电偶测温线路的机械与物理性能如果热电偶的正负极接反，会产生什么影响？热电偶补偿导线第一部分热电偶热电偶补偿导线第一部分热电偶热电偶的测温原理表明：热电偶的热电势是两个接点温度的函数差，只有当冷端温度不变时，热电势才是热端温度的单值函数。但在实际应用中，热电偶冷端所处环境温度总有波动，从而使测量得不到正确结果，因此必须对热电偶冷端温度变化的影响采取冷端补偿措施，使热电偶的热电势只反映热端温度（被测温度）的变化，而不受冷端温度变化的影响。常用的处理办法有以下几种。热电偶补偿导线第一部分热电偶冷端处理方法1．计算修正法若温度显示仪表分度时规定热电偶冷端温度为0℃，而在使用中冷端温度为t0≠0℃时，根据热电偶的中间温度定律，得知在这种情况下产生的热电势为EAB（t，0）＝EAB（t，t0）＋EAB（t0，0）(2-8)式中EAB（t，0）——冷端为0℃、热端为t℃时的热电势；EAB（t，t0）——冷端为t0℃，热端为t℃时的热电势，即实测值；EAB（t0，0）——冷端为t0℃应加的校正值。热电偶补偿导线第一部分热电偶冷端补偿方法2、仪表机械零点调整法仪表的机械零点为仪表输入电势为零时，指针停留的刻度点，也就是仪表的刻度起始点。若预知热电偶冷端温度为t0，在测温回路开路情况下，将仪表的刻度起始点调定在t0位置，此时相当于人为给仪表输入热电势EAB（t0，0），在接通测温回路后，输入仪表的热电势为EAB（t，t0）＋EAB（t0，0）=EAB（t，0）使仪表指针指示热端温度t值。热电偶补偿导线第一部分热电偶3、冰点槽法在精密测量中，一般要求热电偶冷端温度保持为0℃，通常采用冰点槽。冰点槽的容器中充满蒸馏水与碎冰块的混合物，其温度保持为0℃。冰点槽法是准确度很高的冷端处理方法，然而使用比较麻烦，需要保持冰、水两相共存，一般限于实验室精确测温或热电偶检定时使用。在现场，常使用电加热式恒温箱。这种恒温箱通过接点控制或其他控制方式维持箱内温度恒定（常为50℃）。热电偶补偿导线第一部分热电偶冷端补偿方法4、补偿电桥法（冷端补偿器）补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶冷端温度变化所引起的热电势的变化。5、多点测量的热电偶冷端温度补偿（1）利用一块显示仪表和一个冷端温度补偿器的多点测量线路；（2）用一只辅助热电偶对多只同型号热电偶冷端进行补偿的线路；6、晶体管PN结温度补偿方法采用温敏二极管或温敏晶体管构成热电偶冷端温度补偿器。根据测得的环境温度，将一个相应的PN结上的电压引入到热电偶回路，这种温度补偿的灵敏度和准确度都很高。热电偶补偿导线第一部分热电偶冷端补偿方法分类（按材料分）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。标准化热电偶中国从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中国统一设计型热电偶。热电偶分度号热电极材料正极负极S铂铑10纯铂R铂铑13纯铂B铂铑30铂铑6K镍铬镍硅T纯铜铜镍J铁铜镍N镍铬硅镍硅E镍铬铜镍热电偶分类及安装第一部分热电偶分类（按材料分）电厂最常用热电偶有K分度和E分度：K分度号的特点是抗氧化性能强，宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，长期使用温度1200℃，短期1300℃。在所有热电偶中使用最广泛，使用温度-270~1372℃；E分度号的特点是在常用热电偶中，其热电动势最大，即灵敏度最高。宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，使用温度-200-900℃；*T分度号的特点是在所有廉金属热电偶中精确度等级最高，通常用来测量300℃以下的温度。热电偶分类及安装