第二章-热电偶原理讲解

热电偶的发展（1）
• 1821～第一次世界大战 • 采用的配对法：将感兴趣的待试材料直接配成热
电偶，实验测定该热电偶的热电势特性。多年来 实测了近300种热电材料组合的热电特性。 • 热电温度计制造厂生产的二次仪表也开始建立了 统一的分度表 • 对材料提出了控制质量，符合一定规范的要求， 引起对材料性能研究的重视。
补偿导线区误差
• 注意在低温区补偿导线的热电特性须和热电偶的 热电特性接近
• 热电极与补偿导线合金丝之间的接点应尽量保持 在等温区以避免由于接插件引起的附加误差。
• 补偿导线的极性不要接反，否则会引起重大误差。
参考端区误差
• 假如想从测得的热电势来知道热点温度，则参考端温度很重要 而且必须知道。
• 镍铬－铜镍（康铜）热电偶(E型热电偶)
– 热电偶电动势最大，灵敏度最高，可制成热电堆，测 量微小的温度变化。
热电偶种类（3）
• 铁－铜镍（康铜）热电偶(J型热电偶)
– 不仅可适用与氧化和惰性气氛，还可适用于还原气氛
• 铜－铜镍（康铜）热电偶(T型热电偶)
– 最佳的测量低温的廉金属热电偶，－200～350度 – 在－200～0区间内稳定性很好
– 与S型热电偶性能相当 – 测温上限高，可达1600/1800. 参考端通常不用补偿导
线补偿
热电偶种类（2）
• 镍铬－镍硅热电偶(K型热电偶)
– 价格便宜，用量最大，其用量为其他热电偶的总和 – 线性度好、热电势大、灵敏度高，稳定性和均匀性较
好
• 镍铬硅－镍硅热电偶(N型热电偶)
– 与K型性能相当，某些方面由于K型
热电偶的发展（3）
• 60年代至今 • 对材料热电性能和测试方法十分重视，在发展新型热电偶
材料方面取得了不少成绩．铠装热电偶材料得到普遍推广 使用，产品规格和性能试验多已标准化． • 分析法：以现代热电理论为指导，综合冶金、物理、化学 的理论与经验规律来进行热电偶合金的性能研究和综合设 计。 • 国际比对试验结果：Pt Rh－Pt标准热电偶复现温标的精度 远低于高温铂电阻．故在1990年修订国际实用温标时，热 电偶不再被当作温标的标推仪器使用，代之以标推高温铂 电阻温度计。
热电偶的特点
• 可将温度直接转换成电信号，测量调节控制放大和变换都 很容易进行，既有利于远距离传送，便于集中管理，又很 适合就地自动控制和电子计算机处理。
• 价格低廉，国际标准化的产品容易获得，结构简单，使用 方便，安装、维修、保养都很方便。
• 测温精度较高，经单支分度可达0.1℃。工业月S型和R型 热电偶的精度可达0.1%t(t为校测温度)。
热电偶测温技术
课程纲要
• 温度测定方法概述 • 热电偶的背景及特点 • 热电偶三大定律 • 热电偶种类及结构 • 热电偶的补偿导线及二次仪表 • 热电偶使用时误差 • 热电偶的具体应用
ITS-90国际实用温标
• 温度单位热力学温度（符号为T）的单位为开尔文（符 号为K），定义为水三相点的热力学温度的1/273.16
温度梯度区误差
• 热电势是产生在这一区域。 • 因偶丝遭受严重污染或发生不可逆效应从而使其
热电特性与其原始的标准分度特性严重偏离所引 起的测温误差，称为“蜕变”误差或“飘移”。 • 不同种类的标准化热电偶，不仅其标准分度特性 不一样，而且在抗沾污能力、抗时效、耐高温等 方面也有不同．因此，选择热电偶的型号就成为 一个很重要的事情．
Seebeck效应
部分用Cu部分用Bi的电路来研究奥斯特的实验 没加电流时磁针偏转 热磁效应 热电效应－奥斯特
热电偶的由来（2）
• 由A.C. Becquerel 于1823年把热电效应应用于测温实 践，“相加定律”
• Pouillet研制了Pt-Fe热电偶 • Le Chatelier开发了真正适用的高温计PtRh 10-Pt
• 减小温度计套管导热系数，不采用高导热系数 的材料作套管？？？
• 增加套管的外圆周长和截面积之比，在强度许 可的条件下，应采用薄壁和小直径套管。
热电偶测量高温烟气误差
• 热电偶实测的温度壁烟气的真实温度低 • 热接点的平衡温度
– 热电偶与与周围气体的对流换热 – 热电偶与气体、悬浮粒子及炉壁的辐射换热 – 热电偶丝的导热 – 气体的动能在热接点边界层内转化为热能
热电偶的发展（2）
• 第一次世界大战后40年 • 对材料热电性能的研究的重视，对金属和合金热
电性理论的研究在出现了空前的热潮。 • 比较法：选择一种热电性能稳定，化学性能好的
材料作标准电极．各种被试材料分别与标准电极 组成热电偶，测定这些热电偶的热电势－温度特 性曲线。 • 1958年，美国标准局正式推荐用此法作为热电偶 材料试验的标准方法。
反应性气 体进口
电加热片 加热炉外罩 样品温度传感器
炉温传感器
测试炉样品室 开关电动机
清洁气体或 抽真空口
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热电偶的缺点
• 热电偶受测温现场环境气氛的限制 • 测温精度难于达到土0.1％以上 • 参考端温度要恒定(如在0℃)，若偏离参考温度，必须
进行补偿，或使用补偿导线，从而增加经费． • 在高温下使用或长期工作时，由于热电势不稳定，将
• 非接触式测温
– 光学辐射式高温计 – 红外辐射仪，适于测量较低温度
温度计的选择原则
• 使用温度范围、准确度等级及测量误差是否能达 到要求
• 响应速度、互换性及可取性如何 • 读数、记录、控制、报警等操作是否方便 • 使用寿命，耐热、耐蚀、抗震性能如何 • 价格高低
热电偶的由来（1）
• 1819年哥本哈根的H.C. Oersted电变磁现象 • 法拉第在其后用了十年时间发现了磁变电现象 • 热电效应由德国医生T. J. Seebeck于1821年发现
– 银凝固点(961.78℃)以上的温区, 按普朗克辐射定律来定义的,复 现仪器为光学高温计
温度测定方法的分类
• 接触式测温
– 膨胀式温度计，测温范围为-200～600 ℃，就地测量 – 压力表式温度计，测温范围为-0～600 ℃，近距离 – 热电阻温度计，测温范围为-200~960℃，远距离 – 热电偶温度计，测温范围宽，远距离
如何减少管内流体温度测量误差
• 把管道和套管外露部分一起进行保温，即用保 温材料包起来，使套管外露部分的温度接近管 道温度。
• 增加温度计插入深度，减少外露部分，具体做 法是将温度计在管道弯头处插入或斜向插入。
• 使温度计迎着气流方向插入，感温元件头部放 在管道中心线上，以得到最大的对流换热系数。
• 测温范围广，如E型等热电偶可测-200~700℃，而S、R型 热电偶可测从0~1600℃．
• 可以测量小物体的温度分布甚至点温。可以测量表面温度、 高速过程的瞬变温度，其最大特点是可以测量温差。
气体出口 (偶联接口)
反应性气
体出口
石英炉套
隔热挡板
恒温天平室
天平室保护性气体进口
样品盘
平行支架超微量或微量天平
装配式热电偶
• 绝缘热电偶外面加保护套管－装配式热电偶 • 稳定、安装简便、操作容易 • 尺寸较大，滞后时间长
接线盒类型
铠装热电偶
• 由金属套管、绝缘材料（一般为氧化镁粉）和热 电偶线三者组合而成的坚实体。
• 按测量端：绝缘型、接壳型、露端型和分离式绝 缘型；按固定装置：无、卡套式、螺纹、法兰等
• 在一定温度范围内，具有与所匹配的热电偶的热 电动势标称值相同的一对带绝缘包覆的导线叫补 偿导线，用它们将热电偶与测量装置联接，以补 偿热电偶连接处的温度变化所产生的误差
补偿导线特点
• 补偿导线合金丝、绝缘层、护套、屏蔽层 • 改善热电偶测温线路的物理性能和机械性能，采
用多股线芯或小直径补偿导线可提高线路的挠性， 使接线方便，也可调节线路电阻或屏蔽外界干挠； • 降低测量线路成本，当热电偶与测量装置距离很 远．使用补偿导线可以节省大量的热电偶材料， 特别是使用贵金属热电偶时，经济效益更为明显。
热电偶种类（1）
• 铂铑10－铂热电偶(s型热电偶)
– 准确度最高,稳定性最好,测温温区宽,使用寿命长， 1300/1600
– 热电势率较小，灵敏度低，抗污染性差，价格昂贵
• 铂铑13－铂热电偶(R型热电偶)
– 与S型热电偶性能相当 – 主要用于进口设备上测温
• 铂铑30－铂铑6电偶(B型热电偶)
• 国际温标ITS-90的通则 ITS-90由0.65K向上到普朗克辐 射定律使用单色辐射实际可测量的最高温度
• 四个温区
– 第一温区为0.65K到5.00K之间, 由3He和4He的蒸气压与温度的 关系式来定义。
– 第二温区为3.0K到氖三相点(24.5661K)之间，用氦气体温度计 来定义.
– 第三温区为平衡氢三相点(13.8033K)到银的凝固点(961.78℃)之 间, 由铂电阻温度计来定义.
• 两根热电极的参考端温度必须一致，否则会产生误差。铜导线 应选取高质量、表面不涂锡的以避免产生其他误差源．
• 在某些情况下，比如从热接点到电测仪表的距离相当长时，则 可用普通铜电缆来代替合金热电极或补偿导线，以达到节约目 的。
电测仪表区误差
• 当使用高质量的电位差计进行测量热电动势时测量误差是 很小的，但用较高速的如模拟－数字转换器或计算机进行 测量时，常常会引进约10℃的测量误差。
• 测量范围大和反应速度快 • 安装使用方便 • 使用寿命长，机械强度和耐压性能好 • 从0.25mm~12mm直径范围，最大长度可到500m
铠装热电偶测量端
响应时间举例
压簧固定式热电偶
炉壁表面热电偶
多点式热电偶
补偿导线
• 为了使热电偶的冷端温度保持恒定(最好为0℃)， 可把热电偶做得很长这种方法一方面安装使用不 方便，另一方面也要多耗费许多贵重的金属。
• 热电偶本身精度所导致的误差 • 测量过程由于测量方法也容易引起误差
热区误差
• 影响热电偶测量结果的误差源是“热分流” • 热电偶的理想安装方法，应当避免产生热分流误
差，还应当保证接近热电偶测量端的热电极(具有 足够长度)与被测物体温度相等． • 为了使热电偶的测量端与被测物体温度一致，通 常采用5倍到10倍热电偶直径的长度作为热电偶测 温时的“最小浸没深度”．如果热电仍直径很粗， 或者是良导体，浸没深度为10倍直径也许还不够。
产生示值漂移，需要进行定期检定或修正
均质回路定律
用一种均匀的金属导体构成的回路，单靠局部加热或冷 却或改变其横截面积的方法绝不能在其中保持电流
中间金属定律
如果回路的所有部分都处于同一均匀的温度，则由任何 多种不同导体构成的回路中的热电动势之代数和为零
百度文库
参考电极定律
中间温度定律
为制定热电偶的热电势－温度关系分度表奠定理论基础 为工业测温中应用补偿导线提供了理论依据
美安捷伦公司生产的HP 34970A
可配置成20至120个通道，0.004%基本 直流精度，250通道/秒扫描速率，50000 个读数存贮
直接测量热电偶、电阻温度检测器、热敏 电阻、直流电压、交流电压、电阻、直流电 流、交流电流、频率和周期。
标准HP-IB和RS232接口，实现远传
热电偶使用时的误差
热电偶测量高温烟气的导热误差
w Aw
d 2T dx2
cu(Tg
T)
Tg Tm
1
cosh
Ra
(Tg Ten)
Rr
1
Ra w Aw
Rr

1
cul
热电偶测量高温烟气的辐射误差
• 热接点受到气体的对流加热及烟气中的三原子气体和 灰粒子的辐射加热
• 热接点同时对水冷壁辐射加热
c (Tg Tm ) r (Tm Tw )
r a0(Tm2 Tw2)(Tm Tw)
减少热电偶测量气流温度的误差
• 尽可能增加热电偶插入被测气流的长度以减少导 热误差。
• 采用细直径热电偶，可以减少导热误差，提高气 流对热电偶接点前放热系数。
– 一个121mm直径的铂丝探头，在1300k的气流温度辐射 修正量为5K，在2100K时会上升到60K，对于501mm直 径的探头，相应的数值则为35K和200K
• 钨铼热电偶（WRe3-WRe25/ WRe5-WRe26)
– 综合性能与S型相当，但价格便宜，在钢厂使用很多 – 最高温度2300度，能在还原气氛下使用，不适用于氧
化气氛
热电偶线径和温度关系
热电偶结构
• 裸露热电偶 • 装配式热电偶 • 铠装热电偶
裸露热电偶
• 两根成分不同的裸热电极焊在一起，构成测量接点 • 未考虑热电极的电绝缘问题 • 套以绝缘管（瓷管）－绝缘热电偶