热电偶温度计的测温原理选型及其应用.docx
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热电偶温度计的测温原理选型及其应用
《自动检测技术及仪表》
课程设计报告
热电偶温度计的测温原理、选型及其应用
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学号：
一摘要……………………………………………………………………………………3
二热电偶温度计的测温原理……………………………………………………………3
2.1热电偶的测温原理……………………………………………………………3
2.2接触电势…………………………………………………………………………4
2.3温差电势…………………………………………………………………………4
2.4热电偶温度计闭合回路的总热电势……………………………………………4
三热电偶温度计的组成结构及其作用和特……………………………………………5
3.1热电偶温度计的组成结构……………………………………………………5
3.2热电偶温度计的作用及特点…………………………………………………6
四热电偶温度计测温技术中涉及到的定则……………………………………………7
4.1均质导体定则…………………………………………………………………7
4.2中间导体定则…………………………………………………………………7
4.3连接导体和中间温度定则……………………………………………………8
五热电偶温度计的误差分析及选型……………………………………………………8
5.1影响测量误差的主要因素……………………………………………………8
5.1.1插入深度…………………………………………………………………8
5.1.2响应时间…………………………………………………………………9
5.1.3热辐射………………………………………………………………10
5.1.4冷端温度………………………………………………………………11
5.2热电偶温度计的选型………………………………………………………11
六现场安装及其注意事项………………………………………………………………13
七总结……………………………………………………………………………………13
八参考文献………………………………………………………………………………15
一、摘要
热电偶温度计是一种最简单﹑最普通，测温范围最广的温度传感器，是科研﹑生产最常用的温度传感器。
在使用时不注意，也会引起较大测量误差。
针对当前存在的问题，详细探讨影响测量误差的主要因素：
热电偶插入深度﹑响应时间﹑热辐射及冷端温度等因素对测量的影响；在使用时应该怎样选择热电偶温度计，以及使用时的一些安装注意事项，这对提高测量精度，延长热电偶寿命，都有一定的意义。
二、热电偶温度计的测温原理
热电偶温度计是一种感温元件,把温度信号转换成热电动势信号,通过电气仪表转换成被测介质的温度。
热电偶测温的基本原理是两种不同成份的均质导体组成闭合回路,当两端温度不同时,回路中就会产生电势，这种现象称为热电效应（或者塞贝克效应）。
两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。
根据热电动势与温度的函数关系,制成热电偶分度表；分度表是自由端温度在0°C时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。
在热电偶回路中接入第三种金属材料时,只要该材料两个接点的温度相同,热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。
因此,在热电偶测温时,可接入测量仪表,测得热电动势后,即可知道被测介质的温度。
热电偶温度计测温原理图如图所示：
其中，T是热端、工作端或者测量端，
称为冷端、自由端或者参比端。
A和B称为热电极，热电势
的大小由接触电势和温差电势决定。
（1）接触电势：
也叫珀尔电势，其大小表示为：
其中：
——导体A和B在温度为T时的接触电势，A和B的顺序代表电动势的方向；k——玻尔兹曼常数；T——接触处的绝对温度；
e——单位电荷量；
、
——分别为金属A和B的自由电子密度。
由接触电势的公式可知：
接触电势的数值取决于导体材料的性质和接触点的温度；接触点的温度越高，接触电势越大；两种导体电子密度的比值越大，接触电势也越大。
（2）温差电势：
是基于汤姆逊效应产生的，即同一导体的两端因其温度不同而产生的电动势。
其大小表示为：
其中：
Δa、δB——分别为导体A和B的汤姆逊系数；
eA（T，
）、eB（T，
）——分别为导体A和B两端温度在T和
（T>
）时的温差电势；K——玻尔兹曼常数；T——接触处的绝对温度；e——单位电荷量；
温差电势的大小与导体材料的性质及两端的温度差有关，温差越大，温差电势也越大，当T=T0时，温差电势为零。
（3）热电偶温度计闭合回路的总热电势
如图所示，热电偶闭合回路中，回路总电势由4个部分组成，2个温差电势：
（T，
）和
（T，
），2个接触电势
（T）和
（
），其大小和方向如图中所示，则总电势为
由上面的式子可知，热电偶总电势与两接点温度有关。
若使冷端温度
固定，即ƒ（
）=C（常数），则对确定的热电偶材料，其总电势
只与热端温度T有关，即
所以，热电偶所产生的热电势
只和热端温度T有关，因此测得热电势的大小，就可求得热端温度T，这就是用热电偶测量温度的工作原理。
三、热电偶温度计的组成结构及其作用和特点
1、热电偶温度计的组成结构
从结构形式上看，热电偶可以分为：
普通型、铠装型、薄膜型三种。
热电偶的基本结构是热电极，绝缘材料和保护管；并与显示仪表、记录仪表或计算机等配套使用。
在现场使用中根据环境，被测介质等多种因素研制成适合各种环境的热电偶。
热电偶简单分为装配式热电偶，铠装式热电偶和特殊形式热电偶；按使用环境细分有耐高温热电偶，耐磨热电偶，耐腐热电偶，耐高压热电偶，隔爆热电偶，铝液测温用热电偶，循环硫化床用热电偶，水泥回转窑炉用热电偶，阳极焙烧炉用热电偶，高温热风炉用热电偶，汽化炉用热电偶，渗碳炉用热电偶，高温盐浴炉用热电偶，铜、铁及钢水用热电偶，抗氧化钨铼热电偶，真空炉用热电偶，铂铑热电偶等
为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下：
（1）组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；
（2）两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；
（3）补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；
（4）保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。
2、热电偶温度计的作用和特点
（1）作用：
热电偶温度计实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度。
用于测量各种温度物体，测量范围极大，远远大于酒精、水银温度计。
它适用于炼钢炉、炼焦炉等高温地区，也可测量液态氢、液态氮等低温物体。
（2）特点：
①测量精度高：
热电偶与被测对象直接接触，把温度信号直接转换成直流电势信号，便于信号的传递与显示，不受中间介质的影响；
②动态响应时间快：
热电偶对温度变化反应灵敏，可以远传4-20mA电信号，便于自动控制和集中控制；
③测量范围广：
可达-200~2000℃以上，是应用最广的测温传感器；
④结构简单、体积小、易加工，性能可靠，机械强度好；
⑤使用寿命长，安装方便。
四、热电偶温度计测温技术中涉及到的定则
1、均质导体定则
由均质材料（指电子密度处处相同）构成的热电偶，热电势仅与组成热电偶的材料、热端和冷端的温度有关，而与热电偶的几何形状、尺寸大小和沿电极温度分布无关。
结论：
（1）热电偶必须由两种不同性质的材料组成，且热电偶两接点温度不同。
（2）由一种材料组成的闭合回路存在温差时，回路如果产生热电势，便说明该材料是不均匀的。
这也是检查热电极材料均匀性的一种方法。
2、中间导体定则
在热电偶回路的任何地方插入第三种均质导体，只要保证插入的第三种导体两端温度相同，则插入第三种导体后，对热电偶回路中的总电势没有影响。
如图所示：
作用：
为在热电偶回路中连接仪表、连接导线等提供理论依据。
即只要保证连接导线、仪表等接入时两端温度相同，则不影响回路热电势。
3、连接导体和中间温度定则
在热电偶回路中，若热电极A、B分别与导体A’、B’相连，接点温度分别为T，
和
时，则回路总电势为热电偶的热电势EAB（T，
）与连接导体热电势EA’B’（
，
）的代数和—连接导体定律。
作用：
在热电偶回路中应用补偿导线提供了理论依据；为制定和使用热电偶分度表奠定了基础。
五、热电偶温度计的误差分析及选型
1、影响测量误差的主要因素
（1）插入深度
其中包括：
a.测温点的选择:
热电偶的安装位置，即测温点的选择是最重要的。
测温点的位置，对于生产工艺过程而言，一定要具有典型性、代表性，否则将失去测量与控制的意义。
b.插入深度:
由热传导而引起的误差，与插入深度有关。
而插入深度又与保护管材质有关。
金属保护管因其导热性能好，其插入深度应该深一些（约为直径的15—20倍），陶瓷材料绝热性能好，可插入浅一些（约为直径的10-15倍）。
（2）响应时间:
接触法测温的基本原理是测温元件要与被测对象达到热平衡。
因此，在测温时需要保持一定时间，才能使两者达到热平衡。
而保持时间的长短，同测温元件的热响应时间有关。
而热响应时间主要取决于传感器的结构及测量条件，差别极大。
对于气体介质，尤其是静止气体，至少应保持30min以上才能达到平衡；对于液体而言，最快也要在5min以上。
对于温度不断变化的被测场所，尤其是瞬间变化过程，全过程仅1秒钟，则要求传感器的响应时间在毫秒级。
因此，普通的温度传感器不仅跟不上被测对象的温度变化速度出现滞后，而且也会因达不到热平衡而产生测量误差。
最好选择响应快的传感器。
对热电偶而言除保护管影响外，热电偶的测量端直径也是其主要因素，即偶丝越细，测量端直径越小，其热响应时间越短。
测温元件热响应误差可通过下式确定[1]。
Δθ=Δθ0exp（-t/τ）⑴
其中t—测量时间S，
Δθ—在t时刻，测温元件引起的误差，K或℃
Δθ0—“t=0”时刻，测温元件引起的误差，K或℃
τ—时间常数Se——自然对数的底（2.718）
因此，当t=τ时，则Δθ=Δθ0/e即为0.368，
如果当t=2τ时,则Δθ=Δθ0/e2即为0.135。
当被测对象的温度,以一定的速度α（k/s或℃/s）上升或下降时,经过足够的时间后,所产生的响应误差可用下式表示：
Δθ∞=-ατ⑵
其中Δθ∞—经过足够时间后，测温元件引起的误差。
由式⑵式可以看出，响应误差与时间常数（τ）成正比。
（3）热辐射
插入炉内用于测温的热电偶，将被高温物体发出的热辐射加热。
假定炉内气体是透明的，而且，热电偶与炉壁的温差较大时，将因能量交换而产生测温误差。
在单位时间内，两者交换的辐射能为P，可用下式表示：
P=σε（Tw4-Tt4）（2—3）
其中σ—斯忒藩—波尔兹常数ε—发射率
Tt—热电偶的温度,KTw—炉壁的温度,K
在单位时间内,热电偶同周围的气体（温度为T）,通过对流及热传导也将发生热量交换的能量为P′
P′=αA（T-Tt）（2—4）
其中α—热导率，A—热电偶的表面积
在正常状态下，P=P′，其误差为：
Tt-T=σε（Tt4-Tw4）/αА（2—5）
对于单位面积而言其误差为
Tt-T=σε（Tt4-Tw4）/α（2—6）
因此，为了减少热辐射误差，应增大热传导，并使炉壁温度Tw，尽可能接近热电偶的温度Tt。
另外，在安装时还应注意：
热电偶安装位置，应尽可能避开从固体发出的热辐射，使其不能辐射到热电偶表面；热电偶最好带有热辐射遮蔽套；热阻抗增加的影响。
（4）冷端温度：
在热电偶测温的过程中，要求热电偶冷端温度必须保持在0°，但是在实际测量过程中，热电偶的热端与冷端离得很近；冷端又暴露在空间；受到设备温度和环境温度的影响，等种种原因使冷端温度偏离0℃，因此测量结果就产生了偏差。
所以要用分度表对热电偶进行标定，实现对温度的准确测量。
具体措施是对冷端温度的变化所引起的冷端温度误差予以补偿。
方法：
a、补偿导线法；b、冷端恒温法；c、计算修正法；d、模拟补偿法；e、数字补偿法。
2、热电偶温度计的选型
在熟悉被测对象、掌握各种热电偶特性的基础上，根据使用气氛、温度的高低正确地选择热电偶。
一般按照下面几个原则来选择：
（1）按使用温度选择
当T＜1000℃时，多选用廉金属热电偶，如K型热电偶。
特点：
使用温度范围宽，高温下性能较稳定；
当T＝－200~300℃时，最好选用T型热电偶，廉金属热电偶中准确度最高的；或者选择E型热电偶，廉金属金属中热电势变化率最大、灵敏度最高；
当T＝1000~1400℃时，多选用R、S型热电偶；
当T＜1300℃时，可选用N型或者K型热电偶；
当T＝1400~1800℃时，多选用B型热电偶。
当T＜1600℃时，短期可用S型或R型热电偶。
当T＞1800℃时，常选用钨铼热电偶。
（2）根据被测介质选择
①氧化性气氛：
当T＜1300℃时，多选用N型或K型热电偶，廉金属热电偶中抗氧化性最强；当T＞1300℃时，选用铂铑系热电偶。
②真空、还原性气氛：
当T＜950℃时，选用J型热电偶，既可以在氧化性气氛下工作，又可以在还原性气氛下工作工作；当T＞1600℃时，应选用钨铼热电偶。
（3）根据热电偶丝的直径与长度选择
热电极直径：
由材料的价格、机械强度、电导率、用途及测温范围等决定。
长度：
由插入深度及安装条件决定。
①对于快速反应，选用细直径的电极丝；
②细直径的电极测量端越小、越灵敏，但电阻也越大；
③粗直径的热电极丝，提高了测温范围和寿命，但要延长响应时间；
④热电偶丝的直径与长度，不影响热电势的大小，但与热电偶的使用寿命、动态响应特性及线路电阻有关。
六、现场安装及其注意事项
1、安装方向：
与被测介质形成逆流或正交。
如图所示：
2、安装位置：
工作端应处于管道中流速最大的地方；保护管的末端应越过管道中心线约5~10mm。
3、插入深度：
插入深度增加，测温误差将减小；斜插或沿管道轴线方向安装；在最大的允许插入深度条件下，尽可能深插。
4、细管道内（直径＜80mm）流体温度的测量
常因插入深度不够而引起测量误差；安装时应接扩大管，选择适宜部位，减小或消除该误差。
5、负压管道中流体温度的测量
必须保证其密封性，防外界冷空气吸入，使测量值偏低。
6、接线盒的安装：
穿管前检查导线及电缆等有无断头和绝缘性能；管内导线不得有接头或加接线盒；接线盒盖朝上以免雨水或其他流体的侵入。
7、如果被测物体很小安装时注意不要改变原来的热传导及对流条件。
七、总结
热电偶测温是应用最广泛的测温元件之一，应用热电偶测温，其测温范围广，在一定温度范围内使用精度高，性能稳定，结构简单，使用方便，动态特性好，把温度信号直接转换为直流电势信号进行测量。
热电偶温度计测温属于接触式测温，直接与被测对象接触，不受中间介质的影响，可以减小测量的误差，提高测量的精度。
但是因为测温元件与被测介质需要充分进行热交换,需要一定的时间才能到达热平衡,存在测温延迟现象,同时受耐高温材料的限制,不能应用于很高的温度测量。
通过这次的课程设计，我对自己所学的专业和方向有了更深的认识和了解，仪表的学习和使用对我们过程控制方向的同学是很重要的。
学习完《自动检测技术与仪表》这门课程以后，对课程的系统框架结构有了一个清晰地认识，但是要具体到哪一个传感器或者是哪一种检测仪表，我就有些模糊了，基本都是记忆的知识点，太多了，比较混乱。
但是通过这次课程设计以后，我对课程的知识点不再那么模糊，让我学到了许多关于热电偶测温系统方面的知识。
首先，对于热电偶的工作原理及用途有了更进一步的认识。
因为课程设计的任务，在我选定课题后，我必须熟悉这个课题有关的内容，才能完成我的课程设计。
期间，我也遇到了一些困难，对影响热电偶测温的因素不太明白，因为教材上没有更多的说明。
因为近期图书馆都没有开放，所以我只能请同学帮忙，还有上网查资料，在同学的帮助和自己的努力下，我很快就把这一知识点弄明白了。
只有通过自己的努力与实践，才能真正的掌握知识，通过这次课程设计，我才切身体会到“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”的学习态度。
八、参考文献
1、王俊杰《检测技术与仪表》第二版，武汉理工大学出版社
2、施仁《自动化仪表与过程控制》，电子工业出版社，1990
3、童敏明,唐守峰《检测与转换技术》，中国矿业大学出版社，2008
4、王魁汉，温度测量技术，东北工学院出版社，1992
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