热电偶原理及应用
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平衡。这样,导体两端便产生了电势,
我们称为温差电动势。
eA (T、T0)
T
T0 AdT
12
热电偶的电势
设导体A、B组成热电偶的两结点温度分
别为T和T0,热电偶回路所产生的总电
动势,
EAB(T、T0) eAB(T) eAB(T0) eA (T、T0) eB(T、T0)
在热电偶回路中接触电动势远远大于温差电动势, 所以温差电动势可以忽略不计
在热电偶中接入第3种均质导体,只要第 3种导体的两结点温度相同,则热电偶的 热电势不变。
第3种导体接入热电偶回路
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推论
热电偶的这种性质在实用上有很重要的 意义,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测量。
(3)难熔金属,这类热电偶材料系由钨、 钼、铌、铼、锆等难熔金属及其合金组 成,如钨铼-钨铼、铂铑-铂铑等热电偶。
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绝缘材料
热电偶测温时,除测量端以外,热电极 之间和连接导线之间均要求有良好的电 绝缘,否则会有热电势损耗而产生测量 误差,甚至无法测量
(1)有机绝缘材料。 (2)无机绝缘材料。
一部分是两种导体的接触电势,另一部 分是单一导体的温差电势。
7
接触电势
当A和B两种不同材料的导体接触时,由于两 者内部单位体积的自由电子数目不同(即电子 密度不同),因此,电子在两个方向上扩散的 速率就不一样。
。假设导体A的自由电子密度大于导体B的自 由电子密度,则导体A扩散到导体B的电子数 要比导体B扩散到导体A的电子数大。所以导 体A失去电子带正电荷,导体B得到电子带负 电荷。于是,在A、B两导体的接触界面上便 形成一个由A到B的电场 。
8
热电动势示意图
9
形成机理
该电场的方向与扩散进行的方向相反,它将引 起反方向的电子转移,阻碍扩散作用的继续进 行。当扩散作用与阻碍扩散作用相等时,即自 导体A扩散到导体B的自由电子数与在电场作 用下自导体B到导体A的自由电子数相等时, 便处于一种动态平衡状态。在这种状态下,A 与B两导体的接触处产生了电位差,称为接触 电势。接触电势的大小与导体材料、结点的温 度有关,与导体的直径、长度及几何形状无关。
常用热电偶
热电偶可分为标准化热电偶和非标准化热电偶 2种类型。
标准化热电偶是指国家已经定型批量生产的热 电偶;
非标准化热电偶是指特殊用途试生产的热电偶, 非标准型热电偶包括铂铑系、铱铑系及钨铼系 热电偶等。
目前工业上常用的有4种标准化热电偶,即铂 铑30-铂铑6,铂铑10-铂,镍铬-镍硅和镍铬-铜 镍(我国通常称为镍铬-康铜)热电偶。
(3)电阻温度系数小,电导率高。 (4)易于复制,工艺性与互换性好,便于制
定统一的分度表,材料要有一定的韧性,焊接 性能好,以利于制作。
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电极材料的分类
(1)一般金属,如镍铬-镍硅,铜-镍铜, 镍铬-镍铝,镍铬-考铜等。
(2)贵金属,这类热电偶材料主要是由 铂、铱、铑、钌、锇及其合金组成,如 铂铹-铂、铱铑-铱等。
三种导体分别组成的热电偶
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例1
已知铂铑30-铂热电偶的EAC(1 084.5,0)
=13.937(mV),铂铑6-铂热电偶的
EBC(1 084.5,0)=8.354(mV)。求
铂铑30-铂铑6在相同温度条件下的热电动 势。
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解:
由标准电极定律可知,
EAB(1 084.5,0)=EAC(1 084.5,0) −EBC(1 084.5,0)
=13.937−8.354=5.583(mV)
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中间温度定律
热电偶在两结点温度分别为T、T0时的热 电势等于该热电偶在结点温度为T、Tn和 Tn、T0相应热电势的代数和,
EAB(T,T0 ) EAB(T,Tn ) EAB(Tn ,T0 )
定律是参考端温度计算修正法的理论依 据
热电偶中间温度定律示意图
热电偶传感器及应用
1
引言
热电偶是工程上应用最广泛的温度传感 器。
它构造简单,使用方便,具有较高的准 确度、稳定性及复现性,温度测量范围 宽,在温度测量中占有重要的地位。
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主要内容
热电偶工作原理 热电偶的结构形式及材料 热电偶实用测温线路和温度补偿 热电偶传感器的应用实例
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热电偶工作原理
工作原理 热电偶的基本定律
4
工作原理
热电效应 将两种不同成分的导体组成一个闭合回
路,当闭合回路的两个结点分别置于不 同的温度场中时,回路中将产生一个电 势,这种现象称为“热电效应”。 1821年由Seeback发现的,故又称为赛 贝克效应。
5
源自文库
热电偶回路原理
6
热电势由两部分组成
两种导体组成的回路称为“热电偶”, 这两种导体称为“热电极”,产生的电 势则称为“热电势”,热电偶的两个结 点,一个称为测量端(工作端或热端), 另一个称为参考端(自由端或冷端)。
铠装型热电偶又称套管热电偶。它是由 热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经 拉伸加工而成的坚实组合体 .
它可以做得很细很长,使用中随需要能 任意弯曲。铠装型热电偶的主要优点是 测温端热容量小,动态响应快,机械强 度高,挠性好,可安装在结构复杂的装 置上,因此被广泛用在许多工业部门中。
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铠装型热电偶结构
其结构有片状、针状和把热电极材料直接蒸镀 在被测表面上等3种。所用的电极类型有铁-康 铜、铁镍、铜-康铜、镍铬-镍硅等。测温范围 为−200~300℃。
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铁-镍薄膜热电偶结构
1—测量接点 2—铁膜 3—铁丝 4—镍丝 5—接头夹具 6—镍膜 7—衬架
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表面热电偶
表面热电偶是用来测量各种状态的固体 表面温度的,如测量轧辊、金属块、炉 壁、橡胶筒和涡轮叶片等表面温度。
此外还有测量气流温度的热电偶、浸入 式热电偶等。
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热电偶材料
对热电极材料的一般要求 电极材料的分类 绝缘材料 保护管材料
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对热电极材料的一般要求
(1)配对的热电偶应有较大的热电势,并且 热电势对温度尽可能有良好的线性关系。
(2)能在较宽的温度范围内应用,并且在长 时间工作后,不会发生明显的化学及物理性能 的变化。
推论:在热电偶中接入第4、5……种导 体,只要保证插入导体的两结点温度相 同,且是均质导体,则热电偶的热电势 仍不变。
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标准电极定律
已知热电极A、B分别与标准电极C组成
热电偶在结点温度为(T,T0)时的热
电动势分别为和,则在相同温度下,由A、 B两种热电极配对后的热电动势为
EAB (T,T0 ) EAC (T,T0 ) EBC (T,T0 )
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热电偶实用测温线路和温度补偿 测量某点温度的基本电路 测量温度之和—热电偶串联测量线路 测量平均温度—热电偶并联测量线路 测量两点之间的温度差
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测量某点温度的基本电路
基本测量电路包括热电偶、补偿导线、 冷端补偿器、连接用铜线、动圈式显示 仪表。
热电偶基本测量电路
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测量温度之和—热电偶串联测量 线路
被测介质的实际温度。
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热电偶的结构形式及材料
热电偶的基本结构形式 热电偶材料 常用热电偶
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热电偶的基本结构形式
热电偶的结构形式有普通型热电偶、铠 装型热电偶和薄膜热电偶等。
热电偶的种类虽然很多,但通常由金属 热电极、绝缘子、保护套管及接线装置 等部分组成。
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普通型热电偶
普通型结构热电偶工业上使用最多,它 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。
普通型热电偶结构图
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普通装配型热电偶的 外形
安装 螺纹
安装 法兰
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接线 盒
普通装配型热 电偶的 结构放大图
引出线套管
不锈钢保护管
固定螺纹
(出厂时用塑料包裹)
热电偶工作端(热端)
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铠装型热电偶
EAB (T、T0 ) eAB (T ) eAB (T0 )
kT e
ln nA nB
- kT0ln nA e nB
k e
(T
-Τ0
)
ln
nA nB
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结论
(1)如果热电偶两材料相同,则无论结点处 的温度如何,总电势为0。
(2)如果两结点处的温度相同,尽管A、B材 料不同,总热电势为0。
(3)热电偶热电势的大小,只与组成热电偶 的材料和两结点的温度有关,而与热电偶的形 状尺寸无关,当热电偶两电极材料固定后,热 电势便是两结点电势差。
1—接线盒 2—金属套管 3—固定装置 4—绝缘材料 5—热电极
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铠装型热电偶外形
铠装型热电偶可 长达上百米
绝缘 材料
AB
薄壁金属 保护套管 (铠体)
铠装型热电偶 横截面
法兰
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薄膜热电偶
用真空蒸镀(或真空溅射)、化学涂层等工艺, 将热电极材料沉积在绝缘基板上形成的一层金 属薄膜。热电偶测量端既小又薄(厚度可达 0.01~0.1m),因而热惯性小,反应快, 可用于测量瞬变的表面温度和微小面积上的温 度。
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标准型热电偶
从1988年1月1日起,我国热电偶和热 电阻的生产全部按国际电工委员会 (IEC)的标准,并指定S、B、E、K、 R、J、T,7种标准化热电偶为我国统一 设计型热电偶。
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非标准型热电偶
(1)铱和铱合金热电偶 如铱50铑-铱10钌、铱铑40-铱、铱铑60-铱热电偶。
它能在氧化环境中测量高达2 100℃的高温,且热电 动势与温度关系线性好。 (2)钨铼热电偶 60年代发展起来的,是目前一种较好的高温热电偶, 可使用在真空惰性气体介质或氢气介质中,但高温抗 氧能力差。 国产钨铼3-钨铼25、钨铼-钨铼20热电偶使用温度范 围在300~2 000℃,分度精度为1%。主要用于钢水 连续测温、反应堆测温等场合。 (3)金铁-镍铬热电偶主要用在低温测量,可在2~ 273K范围内使用,灵敏度约为10V/℃。 (4)钯-铂铱15热电偶
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测量平均温度—热电偶并联测量 线路
将N支相同型号热电偶的正负极分别连
在一起,如图5-11所示。
如果N支热电偶的电阻值相等,则并联 电路总热电势等于N支热电偶的平均值,
即
=(E1+E2+E3+…+EN)/N
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热电偶并联测量线路
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测量两点之间的温度差
实际工作中常需要测量两处的温差,可 选用两种方法测温差,一种是两支热电 偶分别测量两处的温度,然后求算温差; 另一种是将两支同型号的热电偶反串联 接,直接测量温差电势,然后求算温差。 前一种测量较后一种测量精度差,对于 要求精确的小温差测量,应采用后一种 测量方法。
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例2
镍铬-镍硅热电偶,工作时其自由端温度 为30℃,测得热电势为39.17mV,求被 测介质的实际温度。
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解:
由t0=0℃,查镍铬-镍硅热电偶分度表, E(30,0)=1.2mV,又知E(t,30)
=39.17mV
所以E(t,0)= E(30,0)+E(t,
30)=1.2mV+39.17mV=40.37mV。 再用40.37mV反查分度表得977℃,即
10
接触电势大小
eAB (T
)
kT e
ln
nA nB
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温差电动势
将某一导体两端分别置于不同的温度场T、
T0中,在导体内部,热端自由电子具有
较大的动能,向冷端移动,从而使热端
失去电子带正电荷,冷端得到电子带负
电荷。这样,导体两端便产生了一个由
热端指向冷端的静电场,该静电场阻止
电子从热端向冷端移动,最后达到动态
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保护管材料要求
(1)气密性好,可有效地防止有害介质 深入而腐蚀结点和热电极。
(2)应有足够的强度及刚度,耐振、耐 热冲击。
(3)物理化学性能稳定,在长时间工作 中不至于介质、绝缘材料和热电极互相 作用,也不产生对热电极有害的气体。
(4)导热性能好,使结点与被测介质有 良好的热接触。
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(4)如果使冷端温度T0保持不变,则热电动 势便成为热端温度T的单一函数。
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热电偶的基本定律
均质导体定律 中间导体定律 标准电极定律 中间温度定律
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均质导体定律
由一种均质导体组成的闭合回路中,不 论导体的截面和长度如何以及各处的温 度分布如何,都不能产生热电势。
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中间导体定律
将N支相同型号的热电偶正负极依次相
联接
若N支热电偶的各热电势分别为E1、E2、 E3、…EN,则总电势为
=E1+ E2+ E3+…+ EN= NE 串联线路的总热电势为E的N倍,所对应
的温度可由—t关系求得,也可根据平均 热电势E在相应的分度表上查对。
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热电偶串联测量线路
串联线路的主要优点是热电势大,精度比 单支高;主要缺点是只要有一支热电偶断开, 整个线路就不能工作,个别短路会引起示值 显著偏低。