热电偶和热电阻的知识.docx

1、热电偶和热电阻的知识 热电偶温度计 热电现象和关于热电偶的基本定律热电偶温度计由热电偶、电测仪表和连接导线组成。它被广泛用于测量-2001300范围内的温度。在特殊情况下，可测至2800的高温或4K的低温。热电偶能把温度信号转变为电信号，便于信号的远传和多点切换测量，具有结构简单、制作方便、准确度高、热惯性小等优点。 1. 热电偶测温原理由两种不同的导体或半导体A或B组成的闭合回路，如果使两个接点处于不同的温度t0、t，则回路中就有电动势出现，称为热电势，这一现象称为热电效应。热电势是温度t0和t的函数，恒定接点温度t0，则热电势是温度t的单值函数，只要测得热电势的大小，便可得到被测温度t。

2、热电势由温差电势与接触电势组成。温差电势：是指一根导体上因两端温度不同而产生的热电动势。同一导体两端温度不同时，高温端（测量端、工作端、热端）电子的运动速度大于低温端电子（参比端、自由端、冷端）的运动速度，单位时间内高温端失电子带正电，低温端得电子带负电，高、低温端之间形成一个从高温端指向低温端的静电场。该电场阻止高温端电子向低温端的动；加大低温端电子向高温端的运动速度，当运动达到动态平衡时，导体两端产生相应的电位差，该电位差称为温差电势。温差电势的方向：由低温端指向高温端。热电偶回路的总电势温差电势的大小：，式中k为波尔兹曼常数；e为电子电量为导体内的电子密度，是温度的函数；t、to是导体两

3、端的温度。可见温差电势的大小与导体的性质和导体两端温度有关，而与导体长度、截面大小以及沿导体长度方向的温度分布无关。接触电势：是在两种不同材料A和B的接触点产生的。A、B材料有不同的电子密度，设导体A的电子密度nA大于导体B的电子密度nB，则从A扩散到B的电子数要比从B扩散到A的多，A因失电子而带正电荷，B因得电子而带负电荷，于是在A、B的接触面上便形成一从A到B的静电场。这个静电场将阻碍电子的扩散运动，诱发电子的漂移运动，当扩散与漂移达到动态平衡时，在A、B接触面上便形成了电位差，即接触电势。接触电势的方向：由电子密度小的导体指向电子密度大的导体；接触电势的大小：或，式中：k为波尔兹曼常数，

4、e为电子电量。温度越高，接触电势越大，两种导体电子密度比值越大，接触电势也越大。可见接触电势与两导体的性质有关与接触点的温度有关，而与导体长度、截面大小、沿导体长度方向的温度分布无关。热电偶回路的总电势为：即热电势是高温端温度及低温端温度的函数，若恒定低温端温度，则热电势是高温端温度的单值函数。通过测量热电势的大小可以得到被测（高温端）温度的数值。2. 热电偶回路的基本定律1）均质导体定律由一种均质导体或半导体组成的闭合回路，不论导体的长度、截面积如何以及沿长度方向的温度分布如何，回路中都不可能产生热电势。证明：已知：因是均质导体，电子密度相同，所以又因为，所以回路总电势等于0。结论（1）热电

5、偶必须由两种不同性质的材料构成；（2）由一种材料组成的闭合回路存在温差时，若回路中有热电势产生，则说明该材料是不均质的。用于电极材料的均匀性检测。2）中间导体定律C在热电偶回路中接入第三种、第四种、均质导体，只要保证各导体的两接入点的温度相同，则这些导体的接入不会影响回路中的热电势。证明：以在热电偶回路中接入第三种均质导体C为例。保证两接入点的温度都为t0，如图所示：回路电势为：其中：故：即C导体的加入不影响回路中的热电势。结论（1）可以在热电偶回路中接入连接导线和测量仪表；（2）可以方便热电偶电极的选配；（3）可以进行表面温度和液体介质温度的开路测量。3）中间温度定律接点温度为t1和t3的热

6、电偶，它的热电势等于接点温度分别为t1、t2和t2、t3的两支同性质热电偶的热电势的代数和，即热电偶的热电势只与高温端和低温端的接点温度有关，而与中间温度无关。结论：（1）可以对热电偶的冷端温度进行计算修正；（2）允许在热电偶回路中接入补偿导线。 标准化与非标准化热电偶1. 热电极材料及其性质热电极材料应满足下述要求：1）热电势及热电势率（灵敏度）大，热电势与温度间呈线性关系；2）电导率高，电阻温度系数小；3）物理、化学性能稳定（长期使用时，可保证热电特性稳定）；4）复制性好（可批量生产），便于互换；5）机械加工性好，便于安装6）价格便宜。2. 标准化热电偶标准化热电偶：是制造工艺较成熟、应用

7、广泛、能批量生产、性能优良而稳定并已列入专业或国家工业标准化文件中的热电偶。标准化文件对同一型号的标准化热电偶规定了统一的热电极材料及其化学成分、热电性质和允许偏差，也就是说，标准化热电偶具有统一的分度表。分度表是以表格的形式反映电势温度之间的关系，需注意的是：该电势温度关系是在冷端温度为0时得出的，使用应特别注意。同一型号的标准化热电偶具有互换性，使用十分方便。目前，国际上已有8种标准化热电偶，这些热电偶的型号（有时也称分度号）、电极材料、可测的温度范围以及使用特点见下表。注：电极材料的前者为正极，后者为负极，紧跟的数字为该材料的百分含量。温度测量范围是热电偶在良好的使用环境下测温的极限值，

8、实际使用时，特别是长时间使用，一般允许的测温上限是极限值的60%80%。分度号材料温度范围（）使用特点S铂铑10-铂-501768金属易提纯，复制准确度和测温准确度较高，物化性能稳定，1300以下的氧化或中性介质长期使用。价格昂贵，热电势小，热电特性非线性较大，不能在还原气氛及含有金属或非金属蒸气的气氛中使用。300以上最准确的热电偶。R铂铑13-铂-501768基本性能和使用条件与S分度号热电偶相同，只是热电势略大，欧美国家使用较多。B铂铑30-铂铑601820可在1600以下的氧化、中性环境中长期使用，不能在还原气氛及含有金属或非金属蒸气的气氛中使用。热电势及热电势率较S分度号热电偶小，冷

9、端温度低于50时，不必进行冷端温度补偿。K镍铬-镍硅-2701372贱金属热电偶，直径3.2mm的热电偶可在1200的高温下长期使用。在500以下的还原性、中性和氧化性气氛中可靠工作。500以上，只能在还原性、中性的气氛中工作。热电势率比S分度号热电偶大45倍，且温度电势关系接近线性。N镍铬硅-镍硅-2701300E镍铬-铜镍合金（康铜）-2701000金属热电偶，直径3.2mm的热电偶可在750的高温下长期使用，也适合于低温（0以下）、潮湿环境测温。是热电势率最高的标准化热电偶。J铁-铜镍合金（康铜）-2101200适合于氧化、还原性气氛，亦可在真空、中性气氛中使用，不能在538以上的含硫气

10、氛中使用。稳定性好、灵敏度高、价格低廉。正极铁易锈蚀。T铜-铜镍合金（康铜）-270400适合于氧化、还原、真空、中性气氛中使用，具有潮湿气氛抗腐蚀性，特别适合于0以下的测温。主要特点：稳定性好、低温灵敏度高、价格低廉，100200测温准确度最高。3.非标准化热电偶普通工业用热电偶1-补偿导线；2-出线孔；3-金属链；4-盒盖固定螺钉、5-接线柱；6-盒盖；7-接线盒；8-接线柱；9-保护套管；10-绝缘管；11-热电极非标准化热电偶无论在使用范围或数量上均不及标准化热电偶。但在某些特殊场合，如：高温、低温、超低温、高真空和有核辐射的被测对象中，这些热电偶具有某些特别良好的性能。非标准化热电偶

11、没有统一的分度表。非标准化热电偶有钨铼系热电偶（钨的熔点为3387，铼的熔点为3180，用于测量高达2760的温度）；铱铑系热电偶，能在弱还原性介质中测量2000高温，适用于航天技术；双铂钼热电偶有较低的中子俘获面积，专用于核反应堆测温；非金属热电偶如碳化物、硼化物、氮化物，使得不用贵金属也能在氧化性气氛中测高温。由于非金属热电偶复制性差，机械强度差，在使用中受到较大的限制。 热电偶的构造1.普通工业用热电偶普通工业用热电偶通常由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒构成，如图所示。（1）热电极 热电极的直径大小由材料的价格、机械强度、电导率、热电偶的用途及测温范围决定。贵金属电极的直径为0.30.

12、65mm，普通金属电极的直径为0.33.2mm。热电极的长度有多种规格，主要由安装条件和插入深度来决定，一般为3002000mm。热电偶热端采用焊接方式连接，接头形状有点焊、对焊和绞接点焊。焊点的直径应不超过热电极直径的两倍。（2）绝缘管 为了防止热电极间的电势短路，在热电极上套装绝缘管。绝缘管有单孔、双孔、四孔等多种形式。绝缘管材料的选择根据材料允许的工作温度进行，低温下可用橡胶、塑料、聚乙烯等材料；高温下可用普通陶瓷（1000以下）、高纯氧化铝（1300以下）、刚玉（1600以下）等。常用绝缘子材料及其使用温度范围材料名称使用温度范围（）材料名称使用温度范围（）橡皮、塑料6080石英管01

13、300丝、干漆0130瓷管1400氟塑料0250再结晶氧化铝管1500玻璃丝、玻璃管500以下纯氧化铝管16001700（3）保护套管 为了防止热电极遭受机械损伤和化学腐蚀，通常将热电极和绝缘管装入不透气的保护套管内。套管的材料和形式由被测介质的特性、安装方式和时间常数等决定。常见的材料有黄铜、#20钢、不锈钢、高温耐热钢、纯氧化铝、刚玉、金属陶瓷等，测量更高温度时还可使用氧化铍和氧化钍，可达2200。安装时可采用螺纹连接和法兰连接两种形式。常用保护管材料及其适用的温度范围材料名称长期使用（）短期使用（）材料名称长期使用（）短期使用（）铜或铜合金400高级耐火瓷管1400160020#碳钢管6

14、00再结晶氧化铝管150017001Cr18Ni9Ti不锈钢90010001250高纯氧化铝管1600180028Cr铁（高铬铸铁）1100硼化锆18002100石英管13001600普通工业用热电偶测温时间常数随保护套管的材料及直径而变化（一般为10240s），当采用金属保护套管，外径为12mm时，时间常数为45s，外径为16mm时，时间常数为90s，而耐高压的金属热电偶的时间常数为2.5min。（4）接线盒 接线盒内有接线柱作为热电极和补偿导线或导线的连接装置。根据用途的不同，有普通式、防溅式、防水式、隔爆式和插座式等结构形式。2.铠装热电偶铠装热电偶是由热电极、绝缘材料和金属套管三者经拉

15、伸加工而成的坚实组合体。它可以做得很细、很长，在使用中可以根据需要进行弯曲。套管材料有铜、不锈钢和镍基高温合金等。套管与热电极之间填满了绝缘粉末，常用的绝缘材料有氧化镁、氧化铝等。套管中的热电极有单芯、双芯和四芯的，彼此之间互相绝缘。目前生产的铠装热电偶，其壁厚0.120.6mm，热电极直径0.0251.3mm，外径一般为16mm，长度为120m，外径最细的有0.2mm，长度最长的超过100m。铠装热电偶的测量端有露端形（0.010.1s）、接壳形（0.012.5s）、绝缘形（0.28.0s）、扁变截面形和圆变截面形等。铠装热电偶的主要特点是测量端热容量小，动态响应快（时间常数小于10s），机

16、械强度高，挠性好，耐高压、强烈震动和冲击，可安装在结构复杂的装置上。3.快速反应的薄膜热电偶薄膜热电偶薄膜热电偶是用真空蒸镀的方法使两种热电极材料蒸镀到绝缘基板上，二者牢固地结合在一起，形成薄膜状测量端，上面再蒸镀一层二氧化硅薄膜作为绝缘和保护层。薄膜热电偶的特点是，测量端是非常薄的薄膜（可薄到0.010.1m），尺寸也很小，故测量端的热容量小，时间常数非常小（可达几毫秒），用于测量变化快的温度。由于粘接剂的耐热限制，只能用于-200300范围。若将电极材料直接蒸镀到被测对象表面，时间常数可达微秒级。热电极有：镍铬-镍硅、铜-康铜、铁-镍等。右图为铁镍薄膜热电偶的示意图，其尺寸为60mm，6m

17、m，0.2mm，金属薄膜厚度在36um之间，时间常数小于0.01s，测温范围0300。 热电偶冷端温度补偿由热电偶的测温原理可知，热电势是热端温度与冷端温度的函数，在冷端温度恒定的条件下，热电势是热端温度的函数。而在实际应用时，热电偶的冷端放置在距热端很近的大气中，受高温设备和环境温度波动的影响较大，因此冷端温度不恒定。要想消除冷端温度波动对测温的影响，必须进行冷端温度补偿。常用的冷端温度补偿方法有：计算修正法、冷端恒温法、显示仪表机械零点调整法、补偿电桥（冷端温度补偿器）法、补偿导线法、辅助热电偶法、PN结补偿法等。1.计算修正法热电偶的分度关系是在冷端温度为0的情况下得到的，若热电偶的冷端

18、温度为t0，不是0，则不能用测量热电偶的热电势去查分度表，必须进行热电势修正，而后，查分度表得出被测的热端温度，修正电势为。即： 总电势=测量热电偶输出电势+修正电势适用场合：实验室测温，现场使用的直读仪表测温。前提条件是冷端温度可测且基本恒定。缺点：不便于连续测温。2.冷端恒温法将热电偶的冷端温度恒定，从而便于补偿和修正。一般选择冰点槽（0）或工业恒温箱（50）进行恒温。1 工业恒温箱冰点槽法将热电偶的冷端放于冰水混合物中，热电偶输出电势即以0为冷端温度的总电势，可直接查表或送显示仪表显示热端温度。恒温箱法恒温箱法是将热电偶的冷端置于自动恒温箱中。自动恒温箱常以蒸汽或电能作为热源。这里以工业

19、恒温箱为例作简单说明。工业恒温箱原理如图所示。需要注意：该法热电偶送出的电势e（t,50），不能用于最终温度显示，通常应调整仪表的机械零位进行修正。3.显示仪表机械零点调整法当送入显示仪表的电势为e（t,t0），而t0已知且恒定时，在断开热电偶的情况下将仪表的机械零点调整至t0温度对应的刻度。这样相当于在显示仪表内部提前施加了电势e（t0,0），接入热电偶后，则用于温度显示的总电势为e（t,0），由于所有显示仪表的刻度均按照分度表进行刻度，所以仪表正确显示被测的热端温度数值。4.补偿电桥（冷端温度补偿器）法如果能得到一个随温度而变化的附加电势，并将该电势串联在热电偶回路中，使其抵偿热电偶热电势

20、因冷端温度变化而产生的变化，则可保证显示仪表中的电势不受冷端温度变化的影响，达到自动补偿的目的。常用的冷端温度补偿器b基于图所示的不平衡电桥原理工作。由图可见，热电偶（及补偿导线）输出的热电势与不平衡电桥的不平衡电压相加后送至温度显示仪表。冷端温度补偿器的结构及工作原理简述如下：图中R1，R2，R3是3个锰铜丝绕制的1定值电阻；Rs是限流电阻；Rcu在20时，阻值1；电桥的供电电压为4V。当热电偶（补偿导线）的冷端温度为20时，补偿电桥处于初始平衡状态，不平衡电压Uab=0，热电偶送出电势e（t,20）给显示仪表。当热电偶的冷端温度升高而高于20时，热电势将因冷端温度升高而降低，此时Rcu的阻

21、值增加，不平衡电桥的输出电压增加，即Uab0；当热电偶的冷端温度降低而低于20时，热电势将因冷端温度降低而升高，此时Rcu的阻值减小，不平衡电桥的输出电压减小，即Uab0，可见，补偿电桥的不平衡电压的变化方向恰与热电势的变化方向相反，可起到补偿作用。若不平衡电压的增加量恰好等于热电势的减少量，则实现了完全补偿，送显示仪表的电势不受冷端温度变化的影响。由于热电偶的热电特性与电桥的温度输出特性不完全一致，故冷端温度补偿器并不能在补偿范围内各点处实现完全补偿。一般而言，完全补偿点为：初始平衡温度和补偿范围上限温度两点。另外，不同分度号热电偶的热电特性不同，要求的补偿电压不同，即补偿器信号不同，通常补

22、偿器的区别仅为限流电阻的阻值不同。需要注意的是，若补偿电桥的初始平衡温度不是0，则送给显示仪表的电势还需要修正，通常采取显示仪表机械零点调整的方法。5.补偿导线法由中间温度定律可知，当接点温度低于100时，可用热电特性相同的一对导线代替测量用热电偶，也就是使用补偿导线。补偿导线虽不能改变冷端温度，但可以迁移热电偶的冷端位置，即将冷端从温度波动剧烈的地点迁移至相对稳定的地点，便于与其他温度补偿方法配合实现温度的正确指示。例如：测量炉膛温度的热电偶的冷端通常在炉膛外部不远的就地，该处温度受高温设备及环境温度变化的影响，波动较剧烈，同时该处的温度一般高于冷端温度补偿器的补偿温度，因此不能采用前述温度

23、补偿方法。使用补偿导线将热电偶的冷端迁移至集控室后的电子间，当该处温度稳定时，可采用显示仪表机械调零等预置电势法；当该处温度不很稳定时，由于温度处于冷端温度补偿器的补偿范围，所以可使用冷端温度补偿器进行补偿。型号配用热电偶电桥平衡时温度（）补偿范围（）电源（V）内阻（）补偿误差WBC-01铂铑10-铂2005022010.045mVWBC-02镍铬-镍硅0.16mVWBC-03镍铬-考铜0.18mVWBC-57-S铂铑10-铂20040241(0.0150.0015t)WBC-57-K镍铬-镍硅(0.040.004t)WBC-57-EA镍铬-考铜(0.0050.0065t)常用补偿导线补偿导线

24、型号配用热电偶分度号补偿导线合金丝绝缘层着色100时允差（）200时允差（）正极负极正极负极普通级精密级普通级精密级SCSSPC（铜）SNC（铜 镍）红绿+5+3+5KCKKPC（铜）KNC（镍硅）红蓝+2.5+1.5KXKKPX（镍铬）KNX（铜镍）红黑+2.5+1.5+2.5+1.5EXEEPX（镍 铬）ENX（铜镍）红棕+2.5+1.5+2.5+1.5JXJJPX（铁）JNX（铜镍）红紫+2.5+1.5+2.5+1.5TXTTPX（铜）TNX（铜镍）红白+2.5+1.5+2.5+1.5 热电偶的检定l.热电偶的检定热电偶在使用前应预先进行校验或检定，标准热电偶必须进行个别分度。热电偶经一

25、段时间使用后，由于热电偶的高温挥发、氧化、外来腐蚀和污染、晶粒组织变化等原因，使热电偶的热电特性逐渐发生变化，使用中会产生测量误差，有时此测量误差会超出允许范围。为了保证热电偶的测量精度，必须定期进行检定。热电偶的检定方法有两种，比较法和定点法。工业上多采用比较法，因此，这里只介绍比较法。用被校热电偶和标准热电偶同时测量同一对象的温度，然后比较两者示值，以确定被检热电偶的基本误差等质量指标，这种方法称为比较法。用比较法检定热电偶的基本要求，是要造成一个均匀的温度场使标准热电偶和被检热电偶的测量端感受到相同的温度。均匀的温度场沿热电极必须有足够的长度，以使沿热电极的导热误差可以忽略。工业和实验室

26、用热电偶都把管状炉作为检定的基本装置。为了保证管状炉内有足够长的等温区域。要求管状炉内腔长度与直径之比至少为加20：1。为使被检热电偶和标准热电偶的热端处于同一温度环境中，可在管状炉的恒温区放置一个镍块，在镍块上钻有孔，以便把各支热电偶的热端插人其中，进行比较测量。用比较法在管状炉中检定热电偶的系统，如图所示，主要装置有管状电炉、冰点槽、转换开关、手动直流电位差计和标准热电偶。检定时取等时间间隔，按照标准、被检l、被检2、被检n，被检n、被检2、被检1、标准的循环顺序读数，一个循环后标准与被检各有两个读数，一般进行两个循环的测量，得到四次读教。最后进行数据处理和误差分析，求得它们的算术平均值，

27、比较标准与被检的测量结果。如果各个检定点被检热电偶的允许误差都在规定范围之内，则认为它们是合格的。各种常用热电偶的允许误差热电偶材料校验温度（）热电偶允许偏差温度（）偏差（）温度（）偏差（）铂铑-铂600;800;1000;120006002.4600占所测热电势的0.4%镍铬-镍硅400;600;800;100004004400占所测热电势的0.75%镍铬-考铜200;400;60003004300占所测热电势的1% 热电偶的使用与安装对热电偶进行分度和检定时是不带保护套管的，且要满足在均匀温度场的炉腔内插入足够深度的条件。各种温度计在工业应用时，会遇到各种各样的情况，为了避免产生较大的误差

28、，在安装与使用中要采取备种措施以保证测温的准确性。1热电偶的使用注意事项1）为减小测量误差，热电偶应与被测对象充分接触，使两者处于相同温度。2）保护管应有足够的机械强度，并可承受被测介质腐蚀，保护管的外径越粗，耐热、耐蚀性越好，但热惰性也越大。3）当保护管表面附着灰尘等物质时，将因热阻增加，使指示温度低于真实温度而产生误差。4）如在最高使用温度下长期工作，将因热电偶材质发生变化而引起误差。5）因测量线路绝缘电阻下降而引起误差。设法提高绝缘电阻，或将热电偶的外壳做接地处理。6）冷端温度的补偿与修正。热电偶冷端最好应保持0，而在现场条件下使用的仪表则难以实现，必须采用补偿方法准确修正。7）电磁感应

29、的影响。热电偶的信号传输线，在布线时应尽量避开强电区（如大功率的电机、变压器等），更不能与电力线近距离平行敷设。如果实在避不开，也要采取屏蔽措施。2.热电偶的安装原则安装热电偶时，应遵循下列原则；1）热电偶应与被测介质形成逆流，亦即安装时热电偶应迎着被测介质的流向插入。至少亦须与被侧介质成正交。如图所示。2）热电偶工作端应处于管道中流速最大的地方，热电偶保护管的末端应超过管道中心线约5-10mm。3）热电偶要有足够的插入深度。实践证明，在最大的允许插入深度条件下，随着插入深度的增加，测温误差减小，将测温元件斜插或沿管道轴线方向安装便可达到要求。4）管道直径过小，如直径小于80mm。往往因插人深

30、度不够而引起测量误差安装热电偶时应接扩大管，选择适宜部位，可以减小或消除此项误差。5）含大量粉尘气体的温度测量。由于气体内含大量粉尘，对保护管的磨损严重，因此可采用端部切开的保护管，或采用铠装热电偶。采用铠装热电偶，不仅响应快，而且寿命长。6）热电偶安装在负压管道中，必须保证其密封性，以防外界冷空气吸入，使测量值偏低。7）热电偶按线盒的盖子应朝上以免雨水或其他液体的浸入，影响测量的准确性。 热电阻温度计我们知道，在测量6001300温度范围内，热电偶是比较理想的，但是对于中低温的测量，热电偶则有一定的局限性，这是因为热电偶在中低温区域输出热电势很小，对配用的仪表质量要求较高，如铂铑-铂热电偶在10O温度时的热电势仅为0.64mV，这样小的热电势对电子电位差计的放大器和抗干扰要求都很高，仪表的维修也困难，此外，热电偶冷端温度补偿