热电偶工作原理.docx

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热电偶工作原理

热电偶工作原理

两种不同成份的导体两端接合成回路时，当两接合点温度不同时，就会在回路内产生热电势。

如果热电偶的测量端（感受被测温度的端叫测量端）与参比端（处于已知温度的端叫参比端或叫冷端）存有温差时，显示仪表将会显示出热电偶产生的热电势所对应的温度值。

热电偶的热电势将随着测量端温度的升高而增加，热电势的大小只和热电偶导体材质和两端的温度有关，与热电极的长度、直径无关。

热电偶测温是基于热电效应这一物理现象实现的。

用两种不同的金属导线A、B焊接而成的闭合回路称为“热电偶”。

当它的两个接点1、2的温度t1、t2不同时，回路中将产生热电动势，简称热电势，这种现象称为“热点效应”。

热电势的大小与两接点的温度差（t2—t1）和组成回路的导线材料有关。

对于给定的热电偶，则只与两接点的温差有关。

如果保持t1不变（t1=0℃），那么热电势只与t2有关。

t2越大，热电势越大，且有确定的关系。

只要用电位差计G测出回路中的热电势，就可以通过热电势与温度的关系球出被测温度t2。

理论上，任何两种不同的金属导线均可组成热电偶，但实际上为了使热电偶回路有较大的热电势，能耐高温，而且热电势与温度基本上呈线性关系，通常采用下列金属或合金导线配对组成热电偶（见表1—1）

表1—1

材料名称

使用温度范围

热电势（mv/100℃）

极性

铜—康铜

—20—400℃

4.15

+――

镍铬—考铜

—20—400℃

6.95

镍铬—镍铝

—50—900℃

4.10

+――

铂铑—铂

—20—1300℃

0.64

+――

热电偶的电极A、B两接点通常用电弧焊、电熔焊、锡焊等焊接在一起。

焊点要求圆滑、直径小、接触好、牢固，增强热电偶的灵敏度和耐用性。

测温时，接点1放在盛有冰水混合物的冰瓶中，维持接点1的温度恒为零摄氏度，称为参比端（或冷端）。

接点2置于待测温度场中，或焊接在被测物体的表面上，称为测量端（或热端）。

回路中接入测量热电势的仪表G（通常使用电位差计或数字电压表），测出电路中的热电势，再由热电势与温度的关系曲线或表格查出被测温度。

  热电偶测温线路有两种接法，如图1—2所示。

t1为冷端，t2为热端，A、B为热电偶的正负极，热电偶电极的极性由每种热电偶电极的材料决定，表1—1中给出了每种热电偶电极的极性。

C为第三种仪表导线，测温度时要求仪表导线与热电偶电极的两接点温度相同，否则会影响热电势的数值。

  热电偶回路的几个性质：

（1）用两种相同材料组成的热电偶，无论两个接点温度如何，热电偶回路中电势均为零。

（2）热电偶两接点温度相同时，无论热电偶电极材料是否相同，热电偶回路中电势均为零。

（3）热电偶所产生的热电势的大小与热电偶电极的几何形状（如长短、粗细等）无关，与热电极中间温度分布无关。

四、热电偶测温线路

热电偶测温线路可根据需要做多种设计。

这里介绍几种常用的测温线路。

1．单点测温线路

单点测温线路由一个热电偶组成（如图1—2所示），冷端放在冰瓶里，保持t1为0摄氏度，热端置于被测介质中或物体表面上，测出的热电势即反映了物体的实际温度。

2．  差测温线路

如图1—2所示，若把热电偶的冷端和热端分别置于两种不同温度的介质中，测出的热电势反映了两种介质的温差。

3．  点测温线路

用切换开关可实现一台电位差计测量多点的温度。

测试方法是，通过切换开关把每一个热电偶的热端与公用的冰点热偶线连接起来，组成一个单点测温线路，这样用一个冰点可以组成多个测温线路，既节省了热偶线和测温仪表，又提高了测试速度，是一种经常使用的测温线路。

（如图1—4所示）图中t0为冷端温度，t1、t2为待测温度。

4．  它测温线路

工程中常用的测温线路还有串联和并联测温线路（如图1—5，图1—6所示）。

串联测温线路是把n个热电偶的正极-正极相接，负极-负极相接。

串联测温线路测出的热电势是n个热电偶的电势之和。

若n个热电偶的热端均放在待测的同一温度的物质中，冷端均放在冰瓶内，则测出的热电势是单个热电偶所测电势的n倍。

因此，串联测温线路可以起到放大电势的作用，常在温差较小的场合中使用，以减少测量误差。

并联测温线路测得的电势是n个热电偶所测电势的平均值，常在测量一个区域的平均温度时使用。

串联测温线路测出的热电势应先除以热电偶的个数n后，再由温度—电势表查出温度。

热电偶技术指标

1、热电偶公称压力

一般是指在工作温度下保护管所能承受的静态外压而不破裂。

允许的工作压力不仅与保护管材料、直径、壁厚有关，还与其结构形式、安装方法、插入深度以及被测介质的流速与种类有关。

2、热电偶最小插入深度

热电偶的最小插入深度应不小于其保护管外径的8～10倍（特殊产品例外）。

3、热电偶绝缘电阻

常温绝缘电阻的试验电压为直流500V±50V，测量常温绝缘电阻的大气条件为温度15～35℃，相对湿度45%～75%，大气压力86～106kPa（放置时间不小于2小时）。

a、对于长度超过1米的热电偶，它的常温绝缘电阻值与其长度的乘积不小于100MΩ·m,即

Rr·L≥100MΩL＞1m

式中Rr--热电偶的常温绝缘电阻值MΩ

L--热电偶的长度m

b、对于长度等于或不足1米的热电偶，它的常温绝缘电阻值应不小于100MΩ。

4、上限温度绝缘电阻工业热电偶技术条件

Specificationforindustrialthermocoupleassemblies代替ZBY026-81

本标准适用于分度表符合ZBY300-85《工业热电偶分度表及允差》的可拆卸的工业热电偶。

对于其他形式的工业热电偶，可以参照采用本标准的部分或全部条款。

1术语及定义

ZBY300规定的术语及定义和以下术语及定义适用于本标准。

1.1可拆卸的工业热电偶（industrialthermocouleassembly）

热电极组件可以从保护管中取出的工业热电偶（以下简称"热电偶"）。

1.1.1热电极组件（thermocouleelement）

由一对或多对热电极与绝缘物组成的组件。

1.1.2绝缘物（insulationmaterial）

用来防止热电极之间和（或）热电极与保护管之间短路的零件或材料。

1.1.3保护管（protectivetube）

用来保护热电极组件免受环境有害影响的管状物。

1.2补偿导线（extensionorcompensatingcables）

一对与热电偶配用的导线。

若与所配用的热电偶正确连接，就把热电偶的参比端移至这对导线的输出端。

1.3检验温度点（temperaturepointsforverification）

为了检验热电偶是否符合允差要求而选择的试验温度。

1.4极限温度（limitingtemperature）

热电偶的最高适用温度和最低适用温度。

其中最高适用温度称为上限温度，最低适用温度称为下限温度。

1.5绝缘电阻（insulationresistance）

对于具有一对热电极的热电偶，指热电极与保护管之间的电阻值；对于具有多对热电极的热电偶，还指各对热电极之间的电阻值。

1.6热响应时间（thermalresponsetime）

在温度出现阶跃变化时，热电偶的输出变化至相当于该阶跃变化的某个规定百分数所需的时间，通常以τ表示。

2技术要求

2.1装配质量和外观

热电偶的装配质量和外观应符合下列要求：

a.热电极测量端的焊接应光滑、牢固、无气孔和夹灰等缺陷，无残留助焊剂等污物；

b.各部分的装配正确，连接可*，零件无损、缺；

c.无断路、短路；

d.保护管内无残留污物及金属废屑；

e.在恰当部位正确地标明极性；

f.外表涂层均匀、牢固；

g.无显著锈蚀和凹痕、划痕。

2.2允差

热电偶的允差应符合ZBY300的规定。

注：

①允差等级为Ⅰ级的S型和T型热电偶，其热电极参比端温度为0℃。

②对于带有不可拆卸的补偿导线的热电偶，其热电极一补偿导线组件应符合本条规定。

2.3绝缘电阻

2.3.1常温绝缘电阻

热电偶的常温绝缘电阻应符合以下规定：

a.对于长度超过1m的热电偶，它的常温绝缘电阻值与其长度的乘积应不小100MΩ·m即

Rr·L≥100MΩ·mL＞1m

（1）

式中：

Rr--热电偶的常温绝缘电阻值，MΩ；

L--热电偶的长度，m。

b.对于长度等于不足1m的热电偶，它的常温绝缘电阻值应不小于100MΩ。

2.3.2上限温度绝缘电阻

2.4热电动热稳定性

热电偶（允差等级为Ⅲ级的T、E、K型除外）应置于制造厂规定的上限温度维持250小时，试验前后最高检验温度点热电动势的变化量（换算成温度的变化量）应不超过表2规定。

热电偶应能经受ZBY002-81《仪器仪表运输、运输贮存基本环境条件及试验方法》规定的连续冲击和自由跌落试验。

2.6热响应时间

热电偶的热响应时间应符合制造厂在使用说明书中提供的数值。

3试验方法

3.1装配质量和外观

装配质量和外观的检查用目视和适当的仪表、设备进行。

3.2允差

3.2.1检验温度点

应按表3规定选取检验温度点，必要时可以补充其他合适的检验温度点。

3.2.2检验设备

3.2.2.1标准温度计

标准温度计的不确定度应不超过被检验热电偶允差的三分之一。

推荐使用下述标准温度计：

a.标准铂电阻温度计，使用温度范围-196～630.74℃；

b.标准铂铑10-铂热电偶，使用温度范围300～1200℃；

c.标准铂铑30-铂铑6热电偶，使用温度范围1200～1600℃；

3.2.2.2恒温装置

用比较法进行允差检验时，使用的恒温装置为：

a.精密恒温装置：

沿插管方向100mm工作区域内各插管任意两点的温度差不超过0.1℃；

b.管形炉：

炉长不小于600mm，在炉中心附近不短于60mm的工作区域内温度差不超过1℃；

管形炉只与标准热电偶配合使用。

精密恒温装置的温度在指定时间内的变化不超过0.1℃；管形炉的温度在指定时间内的变化应不超过1℃；

指定时间取下列三种时间中最大值：

标准温度计的热响应时间τ0..5的5倍。

被试热电极组件（或热电偶）的热响应时间τ0..5的5倍。

在一个检验温度点测试所需的时间。

3.2.2.30℃恒温器

0℃恒温器插管的长度应不短于160mm，工作区域的温度为-0.1~+0.1℃。

3.2.3检验方法和要求

允差检验一般对热电极组件进行。

检验时，一般采用比较法，在-195.806℃、-78.476℃、100℃、419.58℃、630.755℃、1084.88℃等温度点的检验也可以采用定点法。

3.3绝缘电阻

3.3.1检验要求

a.热电偶应按出厂时原有的装配方式进行绝缘电阻试验。

b.测量绝缘电阻所用仪表的精确度不低于±20%。

c.施加试验电压的时间到达60秒，记录绝缘电阻值。

d.应变换所加试验电压的方向，并分别记录测量结果，取其中较小值为被试热电偶的绝缘电阻值。

3.3.2常温绝缘电阻

常温绝缘电阻的试验电压为直流500±50V。

测量常温绝缘电阻的大气条件为：

温度15～35℃，相对湿度45%，大气压力86～106kPa。

测试前被试热电偶应在这样的大气条件放置至少2小时。

3.3.3上限温度绝缘电阻

上限温度绝缘电阻的试验电压为直流10±1V。

被试热电偶在试验温度停留的时间应不短于其热响应时间τ0..5的5倍。

试验温度对于上限温度的偏离范围为±10℃。

热电偶被加热的长度为300mm或其总长度的百分之五十（