热电偶的基本原理和组成结构

温度传感器1热电偶传感器23在工业生产过程中，温度是需要测量和控制的重要参数之一。特点：在温度测量中，热电偶的应用极为广泛，它具有结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯性小和输出信号便于远传等许多优点。另外，测量时不需外加电源，使用十分方便，所以常被用作测量炉子、管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度。4热电偶（thermocouple）是温度测量仪表中常用的测温元件，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（二次仪表）转换成被测介质的温度。热电偶仪器仪表5热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路，当两端存在温度差时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势。铜丝铁丝60.0070.118-0.11910热电偶测温原理•1.热电效应两种不同材料的导体组成一个闭合回路时，若两接点温度不同，则在该回路中会产生电动势。这种现象称为热电效应，该电动势称为热电势。1112热电偶回路热电偶回路产生的热电动势由接触电动势和温差电动势两部分组成。当A，B两种不同导体接触时，两种金属A、B的自由电子密度不同分别为nA和nB（设nAnB）。当两种金属相接时，将产生自由电子的扩散现象。达到动态平衡时，在A、B之间形成稳定的电位差，即接触电势eAB(t)。两种导体的接触电势示意图13两种导体的接触电势14接触电动势的大小与接点处温度高低和导体的电子密度有关。温度越高，接触电动势越大；两种导体电子密度的比值越大，接触电动势越大。单一导体的温差电势对于单一导体，如果两端温度分别为T、TO，且TTO。单一导体温差电势示意图导体中的自由电子，在高温端具有较大的动能，因而向低温端扩散，在导体两端产生了电势。15热电偶回路总热电势：EAB(T,TO)=eAB(T)+eB(T,TO)-eAB(TO)-eA(T,TO)式中：eAB(T):热端接触电势；eB(T,TO):B导体温差电势；eAB(TO):冷端接触电势；eA(T,TO):A导体温差电势。16在总电势中，温差电势比接触电势小很多，可忽略不计，则热电偶的热电势可表示为EAB(T,TO)=eAB(T)-eAB(TO)显然，热电动势的大小与组成热电偶的导体材料和两接点的温度有关。17当热电偶两电极材料确定后，热电动势便只是两接点温度的函数。当参考端温度TO恒定时，EAB(TO)=c为常数，则总的热电势就只与温度T有关系，即：EAB(T,TO)=eAB(T)-c=f(T)18实际应用时可通过热电偶分度表查出温度值。分度表是在参考端温度为00C时，通过实验建立的热电势与工作端温度之间的数值对应关系。EAB(T,TO)=eAB(T)-eAB(TO)192021可见当冷端温度t0恒定时，热电偶产生的热电动势只与热端的温度有关，即只要测得热电动势，便可确定热端的温度t。由此得到有关热电偶的几个结论：（1）热电偶必须采用两种不同材料作为电极，否则无论导体截面如何、温度分布如何，回路中的总热电动势恒为零。（2）若热电偶两接点温度相同，尽管采用了两种不同的金属，回路总电动势恒为零。（3）热电偶回路总热电动势的大小只与材料和接点温度有关，与热电偶的尺寸、形状无关。EAB(T,TO)=eAB(T)-eAB(TO)没有小结的小结热电偶的热电动势与温度的关系表，称之为分度表。热电偶（包括后面要介绍的金属热电阻及测量仪表）分度表是IEC（国际电工委员会）发表的相关技术标准（国际温标）。该标准以表格的形式规定各种热电偶/阻在-271℃～2300℃每一个温度点上的输出电动势（参考端温度为0℃）。22分度表23非标准化热电偶：在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶：热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产。标准化热电偶/阻命名统一代号，称为分度号。我国指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。24常用的4种标准化热电偶丝材料为铂铑10－铂、铂铑30－铂铑6、镍铬－铜镍、镍铬－镍硅（我国通常称为镍铬－康铜）。组成热电偶的两种材料，写在前面的为正极，写在后面的为负极。1）铂铑10－铂热电偶（分度号为S，也称为单铂铑热电偶）特点是性能稳定，精度高，范围较大、抗氧化性强，长期使用温度可达1000℃，成本较高，热电动势较弱。2）铂铑13－铂热电偶（分度号为R，也称为单铂铑热电偶）同S型相比，它的热电动势率大15%左右，其它性能几乎相同。25标准化热电偶材料和种类3）铂铑30－铂铑6热电偶（分度号为B，也称为双铂铑热电偶）在室温下，其热电动势很小，故在测量时一般不用补偿导线，可忽略冷端温度变化的影响。长期使用温度为1600℃，短期为1800℃，因热电动势较小，故需配用灵敏度较高的显示仪表。即使在还原气氛下，其寿命也是R或S型的10～20倍。缺点是价格昂贵。264）镍铬－镍硅（镍铝）热电偶（分度号为K）是抗氧化性较强的贱金属热电偶，可测量0～1300℃温度。热电动势与温度的关系近似线性、价格便宜、热电动势大，是目前用量最大的热电偶。5）铜－铜镍热电偶（分度号为T）价格便宜，使用温度是-200～350℃。276）铁－铜镍热电偶（分度号为J）价格便宜，适用于真空、氧化或惰性气氛中，温度范围为-200～800℃。7）镍铬－铜镍热电偶（分度号为E）是一种较新的产品，裸露式结构无保护管，价格比较便宜，在常用的热电偶中，其热电动势最大。适用于0～600℃温度范围。282930热电偶的结构形式和标准化热电偶1.普通型热电偶普通型热电偶一般由热电极、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。31凡是在两个平面在周边使用螺栓连接同时封闭的连接零件，一般都称为“法兰”。3233绝缘套管：热电偶的工作端被焊接在一起，热电极之间需要用绝缘套管保护。通常测量温度在1000℃以下选用粘土质绝缘套管，在1300℃以下选用高铝绝缘套管，在1600℃以下选用刚玉绝缘套管。34保护管：保护管的作用是使热电偶电极不直接与被测介质接触。它不仅可延长热电偶的寿命，还可起到支撑和固定热电极，增加其强度的作用。材料主要有金属和非金属两类。352.铠装热电偶（缆式热电偶）铠装热电偶也称缆式热电偶，是将热电偶丝与电熔氧化镁绝缘物溶铸在一起，外表再套不锈钢管等构成。这种热电偶能弯曲、耐高压、反应时间短、坚固耐用。36371-热电极;2-绝缘材料;3-金属套管;4-接线盒;5-固定装置铠装热电偶示意图383.薄膜热电偶用真空镀膜技术或真空溅射等方法，将热电偶材料沉积在绝缘片表面而构成的热电偶称为薄膜热电偶。适用于对壁面温度的快速测量。薄膜热电偶示意图39（0.01～0.1μm）40热电偶选型依据热电偶选型依据热电偶型号如何选定及注意事项热电偶选型关注点通常为：型号、分度号、防爆等级、精度等级、装固定形式、保护管材质、长度或插入深度等，同时，在选型时应注意一下几个方面：（1）热电偶的测量精度和温度测量范围；（2）热电偶的耐久性及热响应时间；（3）热电偶的使用环境；（4）测量介质的情况；（5）参考相关技术标准要求进行选型；42（1）热电偶的测量精度和温度测量范围，测量温度高于1800℃时，通常选用钨铼热电偶；在1300~1800℃之间，要求精度又比较高时，一般选用B型热电偶；使用温度在1000~1300℃要求精度又比较高可用S型热电偶和N型热电偶；在1000℃以下一般用K型热电偶和N型热电偶；低于400℃一般用E型热电偶；0-250℃测量一般用T型电偶，在低温时T型热电偶稳定而且精度高。上述选型仅仅考虑了测量温度范围和测量精度，最终选型还应该综合考虑其他因素。43（2）热电偶的耐久性及热响应时间。通常线径大的热电偶耐久性好，但是热电偶热响就会长。对于热容量大的热电偶，响应较慢，测量梯度大的温度时；因而，作为温度控制应用时，控制响应速度较慢，控温效果较差。如果应用对耐久性和热响应时间有较高的要求，推荐选用铠装热电偶，它具有安装简单、精度高、测量范围大、经济效益好等很多优点。44（3）热电偶的使用环境。如果热电偶保护管密封性能比较好，当然就对这方面不太有要求。一般来说B型、S型、K型热电偶适合于强的氧化和弱的还原气氛中使用，J型和T型热电偶适合于弱氧化和还原气氛环境中相关的技术标准GB26786-2011《工业热电偶和热电阻隔爆技术条件》GB/T4990-2010《热电偶用补偿导线合金丝》GB/T2904-2010《镍铬-金铁、铜-金铁低温热电偶丝》GB/T2614-2010《镍铬-镍硅热电偶丝》GB/T4993-2010《镍铬-铜镍(康铜)热电偶丝》GB/T18034-2000《微型热电偶用铂铑细偶丝规范》GB/T17615-1998《镍铬硅-镍硅镁热电偶丝》GB/T2903-1998《铜-铜镍(康铜)热电偶丝》GB/T4994-1998《铁-铜镍(康铜)热电偶丝》GB/T16839.1-1997《热电偶第1部分:分度表》GB/T16839.2-1997《热电偶第2部分:允差》GB/T4989-1994《热电偶用补偿导线》JB/T9283-1993《工业热电偶技术条件》4647热电偶参数分析及选型（例）在陶瓷产品的烧制过程中，温度的控制极其重要。传统的陶瓷烧制，会有一个专门的掌火师傅负责整个陶瓷烧制过程温度的控制。这种掌火师傅往往需要几十年才能培养出一个，这不仅需要经验的积累，更需要天赋。现代，即使在景德镇，这种传统掌火师傅已经寥寥无几。现代工艺的陶瓷烧制都是靠先进的自动化设备来进行控温。这些设备通过测量外炉壁的温度来能判断炉内温度。陶瓷烧制炉外炉壁的表面温度大概为几十摄氏度到1000℃之间。（选择一款热电偶温度传感器测量陶瓷烧制外炉壁表面温度。）4950查阅相关资料，WRN-122镍铬-镍硅K型热电偶的测量温度范围0℃至1100℃，允许误差2.5℃或0.75%t，价格400元，适合于强的氧化和弱的还原气氛中使用，该热电偶性能特点符合陶瓷烧制炉外炉壁的测温要求，且价格便宜。所以确定选型的热电偶为WRN-122。51热电偶温度检测电路搭建52由于从热电偶输出的信号最多不过几十毫伏，因此这种电路放大就需要放大电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗，因此宜采用放大电路。热电偶温度检测电路分析5354在设计中，采用镍铬-镍铝合金线，补偿电阻采用镍铜测量温度范围0～250℃的加热炉炉温。从K型热电偶的温度表中得知，热电偶250℃时输出电压为10.151mV。计算可得：该K型热电偶在0℃到250℃输出电压变化为：v=10.151-0=10.151mV要求经过检测电路后输出电压为0V到2.5V：Δv=2.5-=2.5V则放大倍数：A=2.5V/10.151mV=24655R3=1KΩ、RG=20KΩ、R2=1KΩ、R1=123KΩ56