热电偶的基本原理和组成结构-子明

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，再通过各种变送器显示到电脑上。热电偶补偿导线热电偶补偿导线4-20mA通讯协议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。11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。12热电偶回路中总的热电势应是接触电势与温差电势之和（中间导体定律）：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。13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。14151617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(我厂主要用于化验室的马弗炉)。2）铂铑13－铂热电偶（分度号为R，也称为单铂铑热电偶，我厂主要用焙烧P04T1A/B和P03T1)同S型相比，它的热电动势率大15%左右，其它性能几乎相同。18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。194）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。(我厂主要用于锅炉和焙烧)5）铜－铜镍热电偶（分度号为T）价格便宜，使用温度是-200～350℃。206）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。2122热电偶分类表23材料1材料2分度号温度铂铑10铂-S1800℃铂铑13铂-R1600℃铂铑30铂铑6-B1600℃镍铬镍硅-K-200~1300℃镍铬康铜-E-200~900℃铁康铜-J0~750℃铜康铜-T-200~350℃热电偶24热电偶的结构形式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。25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”。262020/4/2627普通装配型热电偶的结构放大图接线盒引出线套管固定螺纹（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）不锈钢保护管保护管：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。282.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。29302020/4/26第四章非电量的电测技术31铠装型热电偶外形铠装型热电偶可长达上百米薄壁金属保护套管（铠体）BA绝缘材料铠装型热电偶横截面法兰2020/4/2632热电偶冷端温度补偿•热电效应的原理可知，热电偶产生的热电动势与两端温度有关。只有将冷端的温度恒定，热电动势才是热端温度的单值函数。必要性：1、用热电偶的分度表查毫伏数-温度时，必须满足t0=0C的条件。在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化，这样t0不但不是0C，而且也不恒定，因此将产生误差。2、一般情况下，冷端温度均高于0C，热电势总是偏小。应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失。2020/4/2633（一）补偿导线法•采用相对廉价的补偿导线，可延长热电偶的冷端，使之远离高温区；可节约大量贵金属；易弯曲，便于敷设。•所谓补偿导线：实际上是一对材料化学成分不同的导线，在0～100℃温度范围内与配接的热电偶有一致的热电特性，但价格相对要便宜。若利用补偿导线，将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所(如仪表室)，其实质是相当于将热电极延长。2020/4/2634补偿导线型号2020/4/2635补偿导线外形A’B’屏蔽层保护层2020/4/2636在使用延长线时的应注意以下几方面：•①各种延长线只能与相应型号的热电偶配用，而且必须在规定的温度范围内使用；•②注意极性，不能接反，否则会造成更大的误差；•③延长线与热电偶连接的两个结点，其温度必须相同。热电偶的安装要求3738•对热电偶的安装,应注意有利于测温准确，安全可靠及维修方便，而且不影响设备运行和生产操作。要满足以上要求，在选择对热电偶和热电阻的安装部位和插入深度时要注意以下几点：1、为了使热热电偶的测量端与被测介质之间有充分的热交换,应合理选择测点位置,尽量避免在阀门,弯头及管道和设备的死角附近装设热电偶或热电阻；2、如果不得以必须要在弯头处安装，也尽量顶部迎着流体方向安装，而不是顶部顺着流体方向•3带有保护套管的热电偶有传热和散热损失，为了减少测量误差，热电偶和热电阻热电偶应该有足够的插入深度:（1）对于测量管道中心流体温度的热电偶，一般都应将其测量端插入到管道中心处（垂直安装或倾斜安装）。如被测流体的管道直径是200毫米，那热电偶或热电阻插入深度应选择100毫米；39•（2）对于高温高压和高速流体的温度测量（如主蒸汽温度），为了减小保护套对流体的阻力和防止保护套在流体作用下发生断裂,。浅插式的热电偶保护套管，其插入主蒸汽管道的深度应不小于探杆直径的8～10倍。如我们常规的6mm的探杆，常常建议最小插入深度为50mm；（3）假如需要测量是烟道内烟气的温度，尽管烟道直径为4m,热电偶或热电阻插入深度1m即可；（4）当测量原件插入深度超过1m时，应尽可能垂直安装,或加装支撑架和保护套40•（2）对于高温高压和高速流体的温度测量（如主蒸汽温度），为了减小保护套对流体的阻力和防止保护套在流体作用下发生断裂,。浅插式的热电偶保护套管，其插入主蒸汽管道的深度应不小于探杆直径的8～10倍。如我们常规的6mm的探杆，常常建议最小插入深度为50mm；（3）假如需要测量是烟道内烟气的温度，尽管烟道直径为4m,热电偶或热电阻插入深度1m即可；（4）当测量原件插入深度超过1m时，应尽可能垂直安装,或加装支撑架和保护套41热电偶常见故障421.热电势比实际值小（显示仪表指示值偏低）可能原因处理方法热电极短路找出短路原因，如因潮湿所致，则需进行干燥；如因绝缘子损坏所致，则需更换绝缘子热电偶的接线柱处积灰，造成短路清扫积灰补偿导线线间短路找出短路点，加强绝缘或更换补偿导线热电偶热电极变质在长度允许的发问下，剪去变质段重新焊接，或更换新热电偶补偿导线与热电偶极性接反重新接正确补偿导线与热电偶不配套更换相配套的补偿导线热电偶安装位置不对或插入深度不符合要求重新按规定安装热电偶冷端温度补偿不符合要求调整冷端补偿器热电偶与显示仪表不配套更换热电偶或显示仪表使之相配套2.热电势比实际值大（显示仪表指示值偏高）可能原因处理方法热电偶与显示仪表不配套更换热电偶或显示仪表使之相配套补偿导线与热电偶不配套更换补偿导线使之相配套有直流干扰信号进入排除直流干扰3.热电势输出不稳定可能原因处理方法热电偶接线柱与热电极接触不良将接线柱螺丝拧紧热电偶测量线路绝缘破损，引起断续短路或接地找出故障点，修复绝缘热电偶安装不牢或外部震动紧固热电偶，消除震动或采取减震措施热电极将断未断修复或更换热电偶外界干扰（交流漏电，电磁场感应等）查出干扰源，采用屏蔽措施4.热电偶热电势误差大可能原因处理方法热电极变质更换热电极热电偶安装位置不当改变安装位置保护管表面积灰清除积灰最常见的故障46断管、断线精度降低热电偶的校验47