热电偶原理及应用..

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热电偶回路原理
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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）。 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。
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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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4．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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热电动势示意图
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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。
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接触电势大小
kT nA eAB (T ) ln e nB
（5-1）
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3．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 平衡。这样，导体两端便产生了电势， 我们称为温差电动势。 T e ( T 、 T ) d T A 0 A 2018/9/4 12

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。 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。
T0
4．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
EAB (T 、T0 ) eAB (T ) eAB (T0 ) n n kT nA kT k ln - ０ ln A (T -Τ 0 ) ln A e nB e nB e nB
第5章热电偶传感器及应用
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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


5.1热电偶工作原理 5.2热电偶的结构形式及材料 5.3热电偶实用测温线路和温度补偿 5.4热电偶传感器的应用实例
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铠装型热电偶结构
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
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A
B
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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3．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。 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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3．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。
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4．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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5.1热电偶工作原理

5.1.1 工作原理 5.1.2 热电偶的基本定律
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5.1.1 工作原理


1．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。
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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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5.2热电偶的结构形式及材料

5.2.1热电偶的基本结构形式 5.2.2热电偶材料 5.2.3常用热电偶
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5.2.1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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2．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 。
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普通装配型热 电偶的 结构放大图
接线 盒
引出线套管
不锈钢保护管 固定螺纹
（出厂时用塑料包裹）
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热电偶工作端（热端）
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2．铠装型热电偶


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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1．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。
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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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5.2.2热电偶材料


1．对热电极材料的一般要求 2．电极材料的分类 3．绝缘材料 4．保护管材料
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1．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。 （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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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 被测介质的实际温度。
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1．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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2．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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3．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
E AB (T , T0 ) E AC (T , T0 ) EBC (T , T0 )
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三种导体分别组成的热电偶
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2．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。 （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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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。 （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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5.2.3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。
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5.1.2 热电偶的基本定律


1．均质导体定律 2．中间导体定律 3．标准电极定律 4．中间温度定律
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1．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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2．中间导体定律
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4．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