1、4.3.2 热电偶的结构形式热电偶的结构形式及材料及材料v1.热电偶的基本结构形式热电偶的基本结构形式v为了适应不同生产对象的测温要求和条件为了适应不同生产对象的测温要求和条件,热电热电偶的结构形式有普通型热电偶、铠装型热电偶和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由金属热电极、绝缘子、保护套管及接线装置等部分组成。部分组成。v(1)普通型热电偶普通型热电偶(2)铠装热电偶铠装热电偶(3)薄膜热电偶薄膜热电偶 2.热电偶材料(1)对热电极材料的一般要求对热电极材料的
2、一般要求 v 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；的线性关系；v 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；的化学及物理性能的变化；v 电阻温度系数小，电导率高；电阻温度系数小，电导率高；v 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。一定的韧性，焊接性能好，以利于制作。v(2)电极材料的分类电极材料
3、的分类v 一般金属一般金属 如镍铬如镍铬镍硅，铜镍硅，铜镍铜，镍铬镍铜，镍铬镍铝，镍铬镍铝，镍铬考铜等。考铜等。v 贵金属贵金属 这类热电偶材料主要是由铂、铱、铑、钌、锇及其合金组这类热电偶材料主要是由铂、铱、铑、钌、锇及其合金组成，如铂铹成，如铂铹铂、铱铑铂、铱铑铱等。铱等。v 难熔金属难熔金属 这类热电偶材料系由钨、钼、铌、铼、锆等难熔金属及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，如钨铼其合金组成，如钨铼钨铼、铂铑钨铼、铂铑铂铑等热电偶。铂铑等热电偶。(3)绝缘材料v热电偶测温时，除测量端以外，热电极之间和连热电偶测温时，除测量端以外，热电极之间和连接导线之间均要求有良
4、好的电绝缘，否则会有热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。电势损耗而产生测量误差，甚至无法测量。v有机绝缘材料有机绝缘材料 这类材料具有良好的电气性能，这类材料具有良好的电气性能，物理及化学性能和工艺性，但耐高温、高频和稳物理及化学性能和工艺性，但耐高温、高频和稳定性较差。定性较差。v无机绝缘材料无机绝缘材料 有较好的耐热性，常制成圆形有较好的耐热性，常制成圆形或椭圆形的绝缘管，有单孔、双孔、四孔及其它或椭圆形的绝缘管，有单孔、双孔、四孔及其它特殊规格。特殊规格。(4)保护管材料v对保护材料的要求是：对保护材料的要求是：v气密性好，可有效地防止有害介
5、质深入而腐蚀气密性好，可有效地防止有害介质深入而腐蚀结点和热电极；结点和热电极；v应有足够地强度及刚度，耐振、耐热冲击；应有足够地强度及刚度，耐振、耐热冲击；v物理化学性能稳定，在长时间工作中不至于介物理化学性能稳定，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；电极有害的气体；v导热性能好，使结点与被测介质有良好的热接导热性能好，使结点与被测介质有良好的热接触。触。3.常用热电偶常用热电偶v(1)标准型热电偶标准型热电偶(2)非标准型热电偶非标准型热电偶v 铱和铱合金热电偶铱和铱合金热电偶v 如铱如铱50铑铑铱铱10
6、钌、铱铑钌、铱铑40-铱、铱铑铱、铱铑60-铱热电偶。它能在氧化铱热电偶。它能在氧化环境中测量高达环境中测量高达2100的高温，且热电动势与温度关系线性好。的高温，且热电动势与温度关系线性好。v 钨铼热电偶钨铼热电偶v 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。惰性气体介质或氢气介质中，但高温抗氧能力差。v 国产钨铼国产钨铼3-钨铼钨铼25、钨铼、钨铼-钨铼钨铼20热电偶使用温度范围在热电偶使用温度范围在3002000，分度精度为，分度精度为1。主要用于钢水连续测温、反应堆测温
7、等。主要用于钢水连续测温、反应堆测温等场合。场合。v 金铁金铁镍铬热电偶镍铬热电偶 主要用在低温测量，可在主要用在低温测量，可在2273K范围内使用，范围内使用，灵敏度约为灵敏度约为10V。v 钯钯铂铱铂铱15热电偶热电偶v 是一种高输出性能的热电偶，在是一种高输出性能的热电偶，在1398时的热电势为时的热电势为47.255mV，比铂铑比铂铑10铂热电偶在同样温度下的热电势高出铂热电偶在同样温度下的热电势高出3倍，因而可配用灵倍，因而可配用灵敏度较低的指示仪表，常应用于航空工业。敏度较低的指示仪表，常应用于航空工业。4.3.3 热电偶冷端延长热电偶冷端延长v1.补偿导线的概念补偿导线的概念v补
8、偿导线（补偿导线（A,B）是两种不同材料的、相对比）是两种不同材料的、相对比较便宜的金属（多为铜与铜的合金）导体。它们较便宜的金属（多为铜与铜的合金）导体。它们的自由电子密度比和所配接型号的热电偶的自由的自由电子密度比和所配接型号的热电偶的自由电子密度比相等，所以补偿导线在一定的环境温电子密度比相等，所以补偿导线在一定的环境温度范围内度范围内如：（如：（0100）与所配接的热电与所配接的热电偶具有相同的温度偶具有相同的温度热电动势关系，即：热电动势关系，即：2.常用补偿导线常用补偿导线4.3.4 热电偶实用测温线热电偶实用测温线路和温度补偿路和温度补偿v1.热电偶实用测温线路热电偶实用测温线路
9、v合理安排热电偶测温线路，对提高测温精度和维合理安排热电偶测温线路，对提高测温精度和维修等方面都有十分重要的意义。修等方面都有十分重要的意义。v(1)测量某点温度的基本电路测量某点温度的基本电路 v基本测量电路包括热电偶、补偿导线、冷端补偿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。如图器、连接用铜线、动圈式显示仪表。如图4-26所示是一支热电偶配一台仪表的测量线路。所示是一支热电偶配一台仪表的测量线路。(2)测量温度之和测量温度之和热电偶热电偶串联测量线路串联测量线路(3)测量平均温度测量平均温度热电偶热电偶并联测量线路并联测量线路(4)测量两点之间的温度差测量
10、两点之间的温度差 2.热电偶的温度补偿热电偶的温度补偿v(1)冷端恒温法冷端恒温法v0恒温法恒温法 在实验室及精密测量中在实验室及精密测量中,通常把参通常把参考端放入装满冰水混合物的容器中考端放入装满冰水混合物的容器中,以便参考端以便参考端温度保持温度保持0,这种方法又称冰浴法。这种方法又称冰浴法。v其它恒温法其它恒温法 将热电偶的冷端置于各种恒温器将热电偶的冷端置于各种恒温器内，使之保持恒定温度，避免由于环境温度的波内，使之保持恒定温度，避免由于环境温度的波动而引入误差。这类恒温器可以是盛有变压器油动而引入误差。这类恒温器可以是盛有变压器油的容器，利用变压器油的热惰性恒温，也可以是的容器，利
11、用变压器油的热惰性恒温，也可以是电加热的恒温器，这类恒温器的温度不为电加热的恒温器，这类恒温器的温度不为0，故最后还需对热电偶进行冷端修正。故最后还需对热电偶进行冷端修正。(2)计算修正法计算修正法),(),(),(00TTETTETTEnABnABAB例4-3】用镍铬-镍硅热电偶测某一水池内水的温度，测出的热电动势为2.436mV。再用温度计测出环境温度为30(且恒定)，求池水的真实温度。解：由镍铬-镍硅热电偶分度表查出E(30，0)=1.203mV所以：E(T，0)=E(T，30)+E(30，0)=2.436mV+1.203mV=3.639mV查分度表知其对应的实际温度为T=88。即池水的
12、真实温度是88。(3)电桥补偿法电桥补偿法(4)仪表机械零点调整法v仪表机械零点调整法是当热电偶与动圈式仪表配仪表机械零点调整法是当热电偶与动圈式仪表配套使用时，若热电偶的冷端温度比较恒定，对测套使用时，若热电偶的冷端温度比较恒定，对测量精度要求又不太高时，可将动圈式仪表的机械量精度要求又不太高时，可将动圈式仪表的机械零点调整至热电偶冷端所处的温度零点调整至热电偶冷端所处的温度T0处，这相当处，这相当于在输入热电偶的热电动势之前就给仪表输入一于在输入热电偶的热电动势之前就给仪表输入一个热电动势个热电动势E（T0，0）。这样，仪表在使用）。这样，仪表在使用时所指示的值约为时所指示的值约为v E（
13、T0，0）+E(T,T0)(5)软件处理法v对于计算机系统，不必全靠硬件进行热电偶冷端对于计算机系统，不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。例如冷端温度恒定但不为处理。例如冷端温度恒定但不为0的情况，只的情况，只需在采样后加一个与冷端温度对应的常数即可。需在采样后加一个与冷端温度对应的常数即可。对于经常波动的情况，可利用热敏电阻或其他传对于经常波动的情况，可利用热敏电阻或其他传感器把信号输入计算机，按照运算公式设计一些感器把信号输入计算机，按照运算公式设计一些程序，便能自动修正。程序，便能自动修正。4.3.5 热电偶传感器应用热电偶传感器应用实例实例v1.热电偶测量炉温系统热电偶测量炉温系统2.工业
14、现场利用热电偶测工业现场利用热电偶测量炉温的误差分析量炉温的误差分析 v（1）安装不当引入的误差）安装不当引入的误差v（2）绝缘变差而引入的误差）绝缘变差而引入的误差v（3）热惰性引入的误差）热惰性引入的误差v（4）热阻误差）热阻误差本章小结本章小结v温度是表征物体或系统的冷热程度的物理量，它温度是表征物体或系统的冷热程度的物理量，它是国际单位制中七个基本单位之一。从能量角度是国际单位制中七个基本单位之一。从能量角度看，温度是描述系统不同自由度间能量分配状况看，温度是描述系统不同自由度间能量分配状况的物理量；从热平衡观点看，温度是描述热平衡的物理量；从热平衡观点看，温度是描述热平衡系统冷热程度
15、的物理量；从分子物理学角度看，系统冷热程度的物理量；从分子物理学角度看，温度反映了物体内部分子无规则运动的剧烈程度。温度反映了物体内部分子无规则运动的剧烈程度。国际上规定的温标有：摄氏温标、华氏温标、热国际上规定的温标有：摄氏温标、华氏温标、热力学温标等。力学温标等。v热电阻传感器是利用电阻随温度变化的特性而制热电阻传感器是利用电阻随温度变化的特性而制成的，它在工业上被广泛用来对温度和温度有关成的，它在工业上被广泛用来对温度和温度有关参数的检测。按热电阻性质的不同，热电阻传感参数的检测。按热电阻性质的不同，热电阻传感器可分为金属热电阻和半导体热电阻两大类。当器可分为金属热电阻和半导体热电阻两大
16、类。当被测温度变化时，导体的电阻随温度变化而变化，被测温度变化时，导体的电阻随温度变化而变化，通过测量电阻值变化的大小而得出温度变化的情通过测量电阻值变化的大小而得出温度变化的情况及数值大小。热敏电阻按温度系数不同可分为况及数值大小。热敏电阻按温度系数不同可分为正温度系数（正温度系数（PTC）和负温度系数（）和负温度系数（NTC）两种。）两种。v 热电偶传感器工作原理是基于热电效应。热电势由两部分热电偶传感器工作原理是基于热电效应。热电势由两部分组成，一部分是接触电势，另一部分是温差电势，热电偶组成，一部分是接触电势，另一部分是温差电势，热电偶回路中接触电动势远远大于温差电动势，所以热电势大小
17、回路中接触电动势远远大于温差电动势，所以热电势大小主要由接触电势决定；热电偶有四个重要的基本定律，即主要由接触电势决定；热电偶有四个重要的基本定律，即均质导体定律、中间导体定律、标准电极定律和中间温度均质导体定律、中间导体定律、标准电极定律和中间温度定律。它们有着重要的实际应用价值；热电偶的结构形式定律。它们有着重要的实际应用价值；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。根据工业标准化的情况，热电
18、管及接线装置等部分组成。根据工业标准化的情况，热电偶可分为标准化热电偶和非标准化热电偶两种类型；补偿偶可分为标准化热电偶和非标准化热电偶两种类型；补偿导线的作用是将热电偶的冷端延长到温度相对稳定的地方。导线的作用是将热电偶的冷端延长到温度相对稳定的地方。它是由两种不同材料的、相对比较便宜的金属导体组成。它是由两种不同材料的、相对比较便宜的金属导体组成。它们的自由电子密度比和所配接型号的热电偶的自由电子它们的自由电子密度比和所配接型号的热电偶的自由电子密度比相等。各种补偿导线必须在规定的温度范围内使用，密度比相等。各种补偿导线必须在规定的温度范围内使用，且只能与相应型号的热电偶配用。热电偶的温度补偿有冷且只能与相应型号的热电偶配用。热电偶的温度补偿有冷端恒温法、计算修正法、电桥补偿法、仪表机械零点调整端恒温法、计算修正法、电桥补偿法、仪表机械零点调整法和软件处理法等。法和软件处理法等。休 息 一 下
