热电偶基本原理和使用方法Word下载.docx

1、 冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。热电偶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，对于热电偶的热电 势，应注意如下几个问题：（1） 热电偶的热电势是热电偶两端温度函数的差，而不是热电偶两端温度差的函数；（2） 热电偶所产生的热电势的大小，当热电偶的材料是均匀时，与热电偶的长度和直径无关，只与热电 偶材料的成份和两端的温差有关；（3） 当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后，热电偶热电势的大小，只与热电偶的温度差有关；若热 电偶冷端的温度保持一定，这进热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。热电偶的基本构造：工业测温用的热电偶，其基本构

2、造包括热电偶丝材、绝缘管、保护管和接线盒等。一、常用热电偶丝材及其性能1、铂铑10 铂热电偶（分度号为S，也称为单铂铑热电偶）该热电偶的正极成份为含铑 10%的铂铑合金，负极为纯铂；它的特点是：（1） 热电性能稳定、抗氧化性强、宜在氧化性气氛中连续使用、长期使用温度可达 1300C，超达1400C时，即使在空气中、纯铂丝也将会再结晶，使晶粒粗大而断裂；（2） 精度高，它是在所有热电偶中，准确度等级最高的，通常用作标准或测量较高的温度；（3） 使用范围较广，均匀性及互换性好；（4） 主要缺点有：微分热电势较小，因而灵敏度较低；价格较贵，机械强度低，不适宜在还原性气氛或 有金属蒸汽的条件下使用。2

3、、 铂铑13 铂热电偶（分度号为R，也称为单铂铑热电偶）该热电偶的正极为含13%的铂铑合金，负极为纯铂，同 S型相比，它的电势率大 15%左右，其它性能几乎相 同，该种热电偶在日本产业界，作为高温热电偶用得最多，而在中国，则用得较少；3、 铂铑30 铂铑6热电偶（分度号为E，也称为双铂铑热电偶）该热电偶的正极是含铑 30%的铂铑合金，负极为含铑 6%的铂铑合金，在室温下，其热电势很小，故在测量 时一般不用补偿导线，可忽略冷端温度变化的影响；长期使用温度为 1600C，短期为1800C，因热电势较小，故需配用灵敏度较高的显示仪表。E型热电偶适宜在氧化性或中性气氛中使用，也可以在真空气氛中的短期使

4、用；即使在还原气氛下，其寿 命也是R或S型的1020倍；由于其电极均由铂 铑合金制成，故不存在铂铑一铂热电偶负极上所有的缺 点、在高温时很少有大结晶化的趋势，且具有较大的机械强度；同时由于它对于杂质的吸收或铑的迁移的 影响 较少，因此经过长期使用后其热电势变化并不严重、缺点价格昂贵（相对于单铂铑而言）。4、 镍铬镍硅（镍铝）热电偶（分度号为K）该热电偶的正极为含铬 10%的镍铬合金，负极为含硅 3%的镍硅合金（有些国家的产品负极为纯镍）。可测 量01300C的介质温度， 适宜在氧化性及 惰性气体中连续使用， 短期使用温度为1200C，长期使用温度 为1000C，其热电势与温度的关系近似线性，价

5、格便宜，是目前用量最大的热电偶。K型热电偶是抗氧化性较强的贱金属热电偶，不适宜在真空、含硫、含碳气氛及氧化还原交替的气氛下裸 丝使用；当氧分压较低时，镍铬极中的铬将择优氧化，使热电势发生很大变化，但金属气体对其影响较小， 因此，多采用金属制保护管。K型热电偶的缺点：（1 ）热电势的高温稳定性较N型热电偶及贵重金属热电偶差，在较高温度下（例如超过 1000C）往往因氧化而损坏；（2） 在250500C范围内短期热循环稳定性不好，即在同一温度点，在升温降温过程中，其热电势示值 不一样，其差值可达 2 3C;（3） 其负极在150200C范围内要发生磁性转变， 致使在室温至230C范围内分度值往往偏

6、离分度表，尤 其是在磁场中使用时往往出现与时间无关的热电势干扰；（4）长期处于高通量中系统辐照环境下，由于负极中的锰（M n）、钻（C o）等元素发生蜕变，使其稳定性欠佳，致使热电势发生较大变化。5、 镍铬硅镍硅热电偶（分度号为N）该热电偶的主要特点是：在 1300C以下调温抗氧化能力强，长期稳定性及短期热循环复现性好，耐核辐射 及耐低温性能好，另外，在 4001300C范围内，N型热电偶的热电特性的线性比K型偶要好；但在低温 范围内（-200400C）的非线性误差较大，同时，材料较硬难于加工。6、 铜铜镍热电偶（分度号为T）T型热电电偶，该热电偶的正极为纯铜， 负极为铜镍合金（也称康铜），其

7、主要特点是：在贱金属热电偶中， 它的准确度最高、热电极的均匀性好；它的使用 温度是-200350C，因铜热电极易氧化，并且氧化膜易脱落，故在氧化性气氛中使用时，一般不能超过 300C，在-200300C范围内，它们灵敏 度比较高，铜康铜热电偶还有一个特点是价格便宜，是常用几种定型产品中最便宜的一种。7、 铁康铜热电偶（分度号为J）J 型热电偶 ， 该热电偶的正极为纯铁，负极为康铜（铜镍合金），具特点是价格便宜 ， 适用于真空氧化的还原或惰性气氛中，温度范围从 -200800C，但常用温度只是 500C以下，因为超过这个温度后，铁热电 极的氧化速率加快，如采用粗线径的丝材，尚可在高温中使用且有较

8、长的寿命； 该热电偶能耐氢气（H 2）及一氧化碳（CO）气体腐蚀，但不能在高温（例如 500C）含硫（S）的气氛中使用。8、 镍铬铜镍（康铜）热电偶（分度号为E）E型热电偶是一种较新的产品，它的正极是镍铬合金，负极是铜镍合金（康铜），其最大特点是在常用的 热电偶中，其热电势最大，即灵敏度最高；它的应用 范围虽不及K型偶广泛，但在要求灵敏度高、热导率低、可容许大电阻的条件下，常常被选用；使用中的限制条件与K型相同，但对于含有较高湿度气氛的腐 蚀不很 敏感。除了以上 8种常用的热电偶外，作为非标准化的热电偶还有钨铼热电偶，铂铑系热电偶，铱锗系热电偶， 铂钼系热电偶和非金属材料热电偶等。二、绝缘管该

9、热电偶的工作端被牢固地焊接在一起，热电极之间需要用绝缘管保护。热电偶的绝缘材料很多，大体上 可分为有机和无机绝缘两类，处于高温端的绝缘物必须采用无机物，通常在 1000以下选用粘土质绝缘管，在 1300 以下选用高铝管，在 1600以下选用刚玉管。三、保护管 保护管的作用在于使用热电偶电极不直接与被测介质接触，它不仅可延长热电偶的寿命，还可起到支撑和 固定热电极增加其强度的作用；因此，热电偶保护管及绝缘选择是否合适，将直接影响到热电偶的使用寿 命和测量的准确度，被采用做保护管的材料主要分金属和非金属两大类。热电偶冷端补偿 摘要：温度测量应用中，热电偶因其坚固性、可靠性以及较快的响应速度得到了普

10、遍应用。本应用笔记讨 论了热电偶的基本工作原理，包括参考端 （冷端） 的定义和功能。本文还给出了按照具体应用选择冷端温度 测量器件的注意事项，并给出了三个设计范例。概述温度测量应用中有多种类型的变送器，热电偶是最常用的一种，可广泛用于汽车、家庭等领域。与 RTD 、电热调节器、温度检测集成电路 （IC） 相比，热电偶能够检测更宽的温度范围，具有较高的性价比。另外， 热电偶的牢固、可靠性和快速响应时间使其成为各种工作环境下的首要选择。当然，热电偶在温度测量中也存在一些缺陷，例如，线性特性较差。虽然它们与 RTD 、温度传感器 IC 相比可以测量更宽的温度范围，但线性度却大打折扣。除此之外， RT

11、D 和温度传感器 IC 可以提供更高的灵 敏度和精度，可理想用于精确测量系统。热电偶信号电平很低，常常需要放大或高分辨率数据转换器进行 处理。如果排除上述问题，热电偶的低价位、易使用、宽温度范围使其得到广泛使用。热电偶基础热电偶是差分温度测量器件，由两段不同的金属 /合金线构成，一段用作正端，另一段用作负端。 表 1 列出了四种最常用的热电偶类型、所用金属以及对应的温度测量范围。每种热电偶在其规定的温度范围内具有 独特的热电特性。表1.常用的热电偶类型类型正 端金属 / 合金负端金属 /合金温度范围 （c）T铜镍铜合金-200 至 +350J铁0 至 +750K镍铬合金镍基热电偶合金-200

12、至+1250E-200 至 +900两种不同类型的金属接 （焊接）在一起后形成两个结点，如 图 1a 所示，环路电压是两个结点温差的函数。这 种现象称为 Seebeck 效应，用于解释热能转换为电能的过程。 Seebeck 效应相对于 Peltier 效应， Peltier 效应用于解释电能转换成热能的过程， 典型应用有电热致冷器。 图1a所示，测量电压Vout是检测端（热端）结电压与参考端（冷端）结电压之差。因为 Vh和Vc是由两个结的温度差产生的， Vout也是温差的函数。定标因数，a对应于电压差与温差之比，称为 Seebeck系数。MEASUFUhlGtHOTREFEREMCE （COL

13、D）UMCHONJUNCTION厂 11 :NETALft!1X i如X 1X p/ -j X- !F| *ME1ALB ; -Th Vrsur； 9:vnc = a（TH-TcMEASURING HOTUNCTION图1a.环路电压由热电偶两个结点之间的温差产生，是Seebeck效应的结果图1b.常见的热电偶配置由两条线连接在一端，每条线的开路端与铜恒温线连接。图1b所示是一种最常见的热电偶应用。 该配置中引入了第三种金属（中间金属）和两个额外的节点。本例中,每个开路端与铜线电气连接，这些连线为系统增加了两个额外节点，只要这两个节点温度相同，中间金属（铜）不会影响输出电压。这种配置允许热电偶在没有独立参考结点的条件下使用。 Vout仍然是热端与冷端温度之差的函数，与 Seebeck系数有关。然而，由于热电偶测量的是温度差，为了确定热端的实际温度，冷端温度必须是已知的。冷端温度为0C （冰点）时是一种最简单的情况，如果 Tc = 0 ，则Vout = Vh。这种情况下，热端测量电 压是结点温度的直接转换值。美国国家标准局 （NBS）提供了各