热电偶及校准(Fluke)

J
铜 - 铜镍 热 线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均 T 型热电偶的正极铜在高 -200~350℃ 电偶 匀性较好，价格便宜等 , 特别在 -200~0℃温区内使用， 温下抗氧化性能差 T 稳定性更好，年稳定性可小于±3μV，经低温检定可 作为二等标准进行低温量值传递
Fluke Calibration 9
热电偶测温的特点
优点 测温范围宽 结实耐用 响应时间快 无须外部激励 制造容易，价格低 缺点 准确度不高 稳定性差 需要对冷端进行补偿
•热偶的应用场合 ―高温的测量场合 ―精度要求不高的场合
Fluke Calibration
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典型热电偶温度检定/校准系统
热偶检定炉
热电偶
测温仪表
计算机软件
冰点槽
• 校验仪按热电偶类型设置测量功能 • 打开校验仪的参考端温度自动补偿功能
• 设置标准电压源输出各校准温度值Ts所对应的电压值，读取校验仪温度 读数Td，计算出温度误差T 。
5522A
热电偶接头
多产品校准仪
补偿线
铜线
过程仪表校准仪（测量）
Fluke Calibration 24
国内一般校准方法的难点
―计算校准器设置输出 Vo=V(TS)-V(Tb) ―计算温度测量误差 T = Td-TS
标准温度计 Tb
5522A 多产品校准仪
热电偶接头
铜线 补偿线 754A过程仪表校准仪（测量）
Fluke Calibration
室温
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改进的校准方法二
• 校验仪由补偿导线连接至温度标准源（7526/55XX)的热电偶输出端 • 校验仪设置为热电偶测量功能 • 温度标准源设置为对应热电偶输出功能 • 校验仪和温度标准源的参考端温度自动补偿功能都需打开 • 设置温度标准源为各校准温度值TS，输出所对应的电压值，读取校验仪的 温度读数Td，温度误差为： T= Td-TS 754A过程仪表校准仪（测量） • 方便,快捷,计算量小！
J1
T2
0℃冰点槽 [V (0° C)+V (0° C)=0]
J2
VJ2(0° C)
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冰点的制作
• 外部冷端补偿，（0℃）检定温度计
• 冰水混合物=冰点？ • 制作冰点的要点：
―使用纯净的水制冰 ―不应用手直接接触冰或水 ―制冰容器和盛放冰点必须用纯净的水清洗 ―“绿豆大小”的冰粒比较理想 ―用水“洗冰”，使并表面“发乌” ―水不应过多，避免将冰浮起
―按用途和等级
* 工作用热电偶 • 用于测温 * 标准热电偶 • 作为标准
Fluke Calibration
5
热电偶的表达
• 热偶的表达 • 每种热偶都有其特定的数学表达式（温度与电势的输出关系） • 其表达式是非线性的 • 分度表-电压与温度的对应关系
• 检定规程附录
Fluke Calibration
―延伸型－与热偶相同的材料 ―补偿型－在常温用与热电偶温度特性相同的金属线， 不改变改热偶的热电关系
• 热电偶接头也是补偿导线的一部分
Fluke Calibration
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常见补偿导线和连接头
Fluke Calibration
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热电偶冷端温度补偿问题
•实际测得的温度是工作端（热端） V 和测量端（冷端）之差：T1-T2 V1 •只有测量端（冷端）为0度时，热 电偶测得的电压才能反映热端的温 度 •外部补偿：制作一个温度为0度的 V2 冷端（或者已知的温度） 0 •内部补偿：是用仪表测量实际参考 端温度，将最终的测量值进行相应 的温度补偿。
热电势率较小，灵敏读低， 高温下机械强度下降，对污 染非常敏感，贵金属材料昂 贵
长期最高使用温度为 1300℃，短期最高使 用温度为1600℃
R
铂铑13-铂 热电偶
R型热电偶的综合性能与S型热电偶相当;研 究表明：R型热电偶的稳定性和复现性比S型 同上 热电偶均好
长期最高使用温度为 1300℃，短期最高使 用温度为1600℃
• 不需要冰点恒温槽，只需要一个准确测温的保温水杯
―保温杯中的水只需要稳定于实验室环境温度条件 ―用标准温度计准确测量杯中水的来自度，不确定度应优于 0.05℃，
• 补偿导线无需校准修正
―由于补偿导线两端的温差很小，由补偿线所引入的误差更小
• 计算量稍大
―查表计算温度值与电压的对应值：V(TS)和 V(Tb)
3
热电偶的原理
• 热电偶测温原理
―Seebeck Effect 塞贝克效应
Copper 铜
原理图
热端 Iron 铁
冷端
T1
A
T2
C
冷端
等效图
热端 B
V C
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Fluke Calibration
常见热电偶类型及特点
•热偶的分类
―按材质： * 贵金属热偶 • S/R/B * 廉金属热偶 • K/J/E/N/T/…
―热电偶测输出功能的校准
Fluke Calibration
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校准温度校准仪的热电偶功能
•温度校准仪可以测量热电偶，显示对应的温度
• 此时，它相当于一个热电偶测温仪
―其热电偶测温不确定度一般为 0.5C ~ 2.5C ―温度校准仪的参考端温度补偿功能必须校准
•温度校准仪也可以按设定的温度输出热电偶毫伏值 • 此时，温度校准仪相当于一个工作的热电偶
测温仪
热电偶负端
Fluke Calibration
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热电偶检定系统
• 福禄克检定系统
全套专用测温设别，全部自动控制
每个都是独立系统，可分可合
热偶炉独立控温 卓越温场性能
• 传统检定系统的构成
多为多个厂家产拼凑合构成的系统
采用数字表加多路开关模式
热偶炉无法独立控温 温场稳定性差
T1


T2 T1
T
A
T2
铜 V
工作端
B
Fluke Calibration
铜
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外部冷端补偿
•外部冷端补偿原理
―原理：保证 T2＝0 ―应用：使用冰点槽或其他已有准确温度值的外部热源
•外部冷端补偿特点
―准确度高 ―需外部设备
+
VTC(TTC) +
-
Vo=VTC(TTC)
T1
0° C VJ1(0° C)
5522A
热电偶接头
e/Si
多产品校准仪 铜线
754A过程仪表
校准仪（测量） 补偿线
Fluke Calibration 25
改进的校准方法一
• 标准电压源由铜导线连接至有标准温度计（读数Tb）的保温水杯，再经补 偿导线连接至校验仪 • 校验仪按热电偶类型设置模拟热电偶输出功能
―校验仪的参考端温度自动补偿功能需打开
6
热电偶特性曲线
Fluke Calibration
7
贵金属热电偶
型 号 名称 优点 缺点 测温范围
S
铂铑10-铂 热电偶,俗 称单铂铑 热电偶
在热电偶系列中具有准确度最高，稳定性最 好，测温温区宽，使用寿命长等优点。它的 物理，化学性能良好，热电势稳定性及在高 温下抗氧化性能好，适用于氧化性和惰性气 氛中, 不需用补偿导线进行补偿
X
√
Fluke Calibration
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内部冷端补偿
• 被测物体的实际温度为T1，热电偶冷端温度为T2 V
V1
• 若V1是热偶冷端温度为零，T1时的电压， V2是热偶冷端温度为零，T2时的电压 • 当热偶冷端温度为T2, 实际测量电压 Va ＝V1–V2 （1）
• 保证测量准确的方法：加上冷端补偿电压V2 V1=（V1-V2）+ V2 = Va + V2 =实际测量电压 + 冷端补偿电压
B
铂铑30-铂 在热电偶系列中具有准确度最高，稳定性最 铑6热电偶； 好，测温温区宽，使用寿命长，测温上限高 双铂铑热 等优点。适用于氧化性和惰性气氛中，也可 电偶 短期用于真空中，不需用补偿导线进行补偿
不适用于还原性气氛或含有 金属或非金属蒸气气氛，热 电势率较小，灵敏读低，高 温下机械强度下降，对污染 非常敏感，贵金属材料昂贵
• 需要高性能的冰点恒温槽
―冰点槽的制作、维护都很麻烦
• 补偿导线须根据工作温度经过校准修正，得各点电压修正值 e
―补偿导线的校准修正工作量很大
• 计算量大
―查表或计算热电偶被校温度点的塞贝克系数 Si
―计算热电偶补偿导线的电压修正值的温度对应值 ―计算测量温度误差： T = Td – （Ts + e/Si ）
Fluke Calibration
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热电偶测温以及检定中的常见问题
• 补偿导线及连接
―正确选择和使用
• 冷端补偿
―选择合适的冷端补偿
• 冰点的制作
―要点
• 热电偶检定系统
―热偶炉的操作 ―热偶炉温场性能
Fluke Calibration
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补偿导线及连接
•补偿导线的作用
―延长测量距离
•补偿导线的分类
―一般的过程仪表校验热电偶测温仪可以用5502/5522校准 ―性能好的过程仪表校验仪电阻热电偶测温仪可以用7526校准
7526A多功能热工校准器 5522A多功能校准器
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国内一般常采用的校准方法
• 标准电压源由铜导线连接至冰点恒温槽，再经补偿导线连接至校验仪
―补偿导线须根据工作温度经过校准修正
―其热电偶输出不确定度一般为 0.4C ~ 2.5C ―输出毫伏值与参考端温度有关
Fluke Calibration
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校准校验仪的热电偶测量功能
校验仪可以测量热电偶，显示对应的温度 • 此时，校验仪相当于一个热电偶测温仪 • 需要向一个既对应热电偶参考端（过程仪表校验仪接线端），又对应 热电偶工作端温度的标准毫伏值 • 国内一般常采用的校准方法比较复杂 • 可以用7526或5502/5522作为标准，直接校准过程仪表校验仪
长期最高使用温度为 1600℃，短期最高使 用温度为1800℃
Fluke Calibration
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廉金属热电偶
型 号 名称 优点 缺点 测温范围 镍 铬 - 镍 硅 线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀 不能直接在高温下用于硫， -200~1300℃ 热电偶 性较好，抗氧化性能强，价格便宜等，能用于氧化性 还原性或还原，氧化交替 K 惰性气氛中 的气氛中和真空中，也不 推荐用于弱氧化气氛中 镍 铬硅 - 镍 线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均 不能直接在高温下用于硫， -200~1300℃ 硅热电偶 匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜，不受短程有序 还原性或还原，氧化交替 N 化影响等优点 , 其综合性能优于 K型热电偶 , 是一种很 的气氛中和真空中，也不 有发展前途的热电偶 推荐用于弱氧化气氛中 镍 铬 - 铜 镍 热电动势之大，灵敏度之高属所有热电偶之最，宜制 不能直接在高温下用于硫， -200~900℃ 热电偶 成热电堆，测量微小的温度变化。对于高湿度气氛的 还原性气氛中，热电势均 腐蚀不甚灵敏，宜用于湿度较高的环境。E热电偶还 匀性较差 E 具有稳定性好，抗氧化性能优于铜-康铜，铁-康铜热 电偶，价格便宜等优点，能用于氧化性和惰性气氛中 铁 - 铜镍 热 线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均 正极铁在高温下氧化较快， -200~1200 电偶 匀性较好，价格便宜等, 可用于真空，氧化，还原和 故使用温度受到限制，也 通常使用的温度 惰性气氛中 不能直接无保护地在高温 范围为0~750℃ 下用于硫化气氛中

V2

T2 T1
0
T
（2）
Fluke Calibration
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内部冷端补偿
•内部冷端补偿原理
―原理： V1 = Va + V2 = 实际测量电压 + 冷端补偿电压 ―冷端温度由测温仪内置的测温元件测出 ―冷端补偿电压由计算机算出。
测温元件T2
热电偶正端
•内部冷端补偿特点
―方便， 不需外部设备 ―准确度降低 T1 测量温度的误差 测温点与连接点温度不易一致
高温漏电问题
Fluke Calibration
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温度校验仪表——热电偶部分
• JJF 1309-2011《温度校准仪校准规范》
―规程适用于各种温度校准仪
―也可以是多功能校准仪中的一部分 ―实际上主要是过程仪表校验仪中的温度部分
•规定了有关温度的校准方法
―热电阻测量功能的校准 ―热电阻输出功能的校准 ―热电偶测量功能的校准
热电偶的特点及校准过程
李欣 市场技术部
福禄克公司计量校准部(中国)
2013-4-25
Fluke Calibration 1
主题
•热电偶的原理及特点
•典型校准方法
―热电偶测温元件的校准 ―热电偶温度校准仪的校准
Fluke Calibration
2
赛贝克电流
金属１
T1
电流
T2
金属２
Fluke Calibration
• 设置标准电压源输出各校准温度值T1所对应的电压值 Vo Vo=V(TS)-V(Tb)
• 读取校验仪的温度读数 Td，计算出温度误差：
T = Td-Ts
5522A
标准温度计 Tb
热电偶接头
多产品校准仪
铜线 补偿线
754A过程仪表校准仪（测量）
Fluke Calibration
室温
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改进校准方法一的优点