第3章1热电偶

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1、第第3 3章章 接触式温度检测及仪表接触式温度检测及仪表主要内容主要内容 v3.1 温度测量的基本知识温度测量的基本知识v3.2 热电偶温度传感器热电偶温度传感器v3.3 热电阻温度传感器热电阻温度传感器 v3.4 新型新型温度传感器温度传感器 温度是国际单位制（温度是国际单位制（SISI）七个基本物理）七个基本物理量之一，也是四大热工当量之一。温度一般量之一，也是四大热工当量之一。温度一般占全部过程参数的占全部过程参数的50%50%左右。因而，准确测左右。因而，准确测量和控制温度，对于获得正确的科研数据和量和控制温度，对于获得正确的科研数据和保证产品质量都十分重要。例如，在金属冶保证产品质量

2、都十分重要。例如，在金属冶炼过程中，若温度得以准确的测量和控制，炼过程中，若温度得以准确的测量和控制，则耗能可降低则耗能可降低17%17%，生产率可提高，生产率可提高18%18%，产量，产量可增加可增加15%15%。3.1 3.1 温度测量的基本知识温度测量的基本知识温度检测方法温度检测方法 特点：不能直接测量，只能通过热交换或热辐射间接测量。特点：不能直接测量，只能通过热交换或热辐射间接测量。 测温仪表的分类：测温仪表的分类：按测温范围分：高温计（按测温范围分：高温计（600600）、温度计（）、温度计（ 600600）按用途分：标准仪表、实用仪表按用途分：标准仪表、实用仪表按工作原理分：按

3、工作原理分： 膨胀式温度计膨胀式温度计利用物体的热膨胀来测温。利用物体的热膨胀来测温。 压力式温度计压力式温度计利用密闭容器中物质受热后体积膨胀而压利用密闭容器中物质受热后体积膨胀而压力升高的原理来测温的。力升高的原理来测温的。 热电偶温度计热电偶温度计利用导体的热电效应来测温的。利用导体的热电效应来测温的。 热电阻温度计热电阻温度计利用电阻随温度的变化特性来测温的。利用电阻随温度的变化特性来测温的。 辐射式高温计辐射式高温计利用物体表面辐射与温度的关系来测温的。利用物体表面辐射与温度的关系来测温的。按测量方式分：接触式温度计、非接触式温度计按测量方式分：接触式温度计、非接触式温度计常用温度计

4、的种类及优缺点见常用温度计的种类及优缺点见 表表3-13-1一、一、 温度定义：度量系统热平衡状态的物理量。温度定义：度量系统热平衡状态的物理量。它反映物体冷热程度，是物体分子运动平均动它反映物体冷热程度，是物体分子运动平均动能大小的标志。能大小的标志。二、二、 温标温标概念：用来量度物体温度高低的标尺，它是温度的数值表示方法。一个温标主要包括两个方面的内容：一是给出温度数值化的一套规则和方法，例如规定温度的读数起点(零点)；二是给出温度的测量单位。 最早的测温装置是伽利略在最早的测温装置是伽利略在1592-1603年发明的年发明的建立温标必须具备三个条件：建立温标必须具备三个条件：(1)固定

5、的温度点（基准点） (2)测温仪器（确定测温质和测温量 ） (3)温标方程（内插公式）111212tyyyyttt常用温标：常用温标：q经验温标，热力学温标，国际实用温标经验温标，热力学温标，国际实用温标1 1、经验温标：借助于某一种物质的物理量与温度变、经验温标：借助于某一种物质的物理量与温度变化的关系，用实验方法或经验公式所确定的温标。化的关系，用实验方法或经验公式所确定的温标。如根据液体如根据液体( (水银水银) )受热后体积膨胀的性质确定温标。受热后体积膨胀的性质确定温标。v华氏温标华氏温标-1714-1714年，荷兰人华伦海特把一年，荷兰人华伦海特把一定浓度的盐水凝固时的温度定为定浓

6、度的盐水凝固时的温度定为0 0度度, ,在标准大气在标准大气压下水的冰点为压下水的冰点为3232度，水的沸点为度，水的沸点为212212度，中间度，中间划分为划分为180180等分，每一等分为一华氏度。等分，每一等分为一华氏度。v摄氏温标摄氏温标：17421742年，由瑞典摄尔休提出。标准年，由瑞典摄尔休提出。标准大气压下水的冰点定位零度，把水的沸点定位大气压下水的冰点定位零度，把水的沸点定位100100度。度。v=(9/5) +32=(9/5) +32。 经验温标的缺点：经验温标的缺点：1 1）局限性：适用于某一温度计，应用范围）局限性：适用于某一温度计，应用范围有限。有限。2 2）随意性：

7、）随意性：2 2、热力学温标（开尔文温标）、热力学温标（开尔文温标） K K：1919世纪世纪中叶，英国人开尔文提出，符号为中叶，英国人开尔文提出，符号为T T，单位，单位为开尔文（符号为为开尔文（符号为K K）。已由）。已由19271927年国际计年国际计量大会采纳作为国际统一的基本温标。它有量大会采纳作为国际统一的基本温标。它有一个绝对零度，低于零度的温度不可能存在。一个绝对零度，低于零度的温度不可能存在。绝对零度时的温度定义为绝对零度时的温度定义为0K0K。t=T-273.15t=T-273.15 热力学温标的局限性：热力学温标的局限性： 特点：不与某一特定的温度计相联系，并与测温物质的

8、性特点：不与某一特定的温度计相联系，并与测温物质的性质无关，是由卡诺定理推导出来的，所以用热力学温标所质无关，是由卡诺定理推导出来的，所以用热力学温标所表示的热力学温度被认为是最理想的温度数值。表示的热力学温度被认为是最理想的温度数值。 热力学中的卡诺热机是一种理想的机器，实际上并不存在，热力学中的卡诺热机是一种理想的机器，实际上并不存在，因此热力学温标是一种纯理论的理想温标，无法直接实现。因此热力学温标是一种纯理论的理想温标，无法直接实现。三温标关系：三温标关系：水在标准大气压下结冰的温度，即摄氏温水在标准大气压下结冰的温度，即摄氏温标标0，或华氏温标，或华氏温标32 ，相当于热力学温，相当

9、于热力学温标标273.16K。绝对零度绝对零度0K，相当于摄氏，相当于摄氏-273.16度。度。名称名称符号符号单位单位绝对零点绝对零点冰融点冰融点水沸点水沸点人体体温人体体温华氏华氏F -459.6732212100摄氏摄氏C-273.15010037.5开氏开氏TK0273.15373.153 3、国际实用温标、国际实用温标该温标选择一些固定点温度作为温标基准点；规该温标选择一些固定点温度作为温标基准点；规定了不同温度范围内的基准仪器；固定点温度间定了不同温度范围内的基准仪器；固定点温度间采用内插公式，这些公式建立了标准仪器示值与采用内插公式，这些公式建立了标准仪器示值与国际温标数值间的关

10、系。国际温标数值间的关系。随着科学技术的发展，固定点温度的数值和基准随着科学技术的发展，固定点温度的数值和基准仪器的准确度会越来越高，内插公式的精度也会仪器的准确度会越来越高，内插公式的精度也会不断提高，因此国际温标准确度会不断提高，并不断提高，因此国际温标准确度会不断提高，并尽可能接近热力学温标。尽可能接近热力学温标。第一个国际温标是第一个国际温标是1927年建立的，记为年建立的，记为ITS-27。1948年、年、1968年和年和1990年进行了几次较大修改，年进行了几次较大修改， ITS-48、 ITS-68和和 ITS-90。目前我国已开始采用。目前我国已开始采用ITS-90 见表见表3

11、-3三、温度检测的主要方法和分类三、温度检测的主要方法和分类 接触式与非接触式两大类：接触式与非接触式两大类：接触式检测方法主要包括膨胀式温度检测接触式检测方法主要包括膨胀式温度检测仪表；基于导体或半导体电阻值随温度变仪表；基于导体或半导体电阻值随温度变化的热电阻温度检测仪表；基于热电效应化的热电阻温度检测仪表；基于热电效应的热电偶温度检测仪表。的热电偶温度检测仪表。非接触式检测方法是利用物体的热辐射特非接触式检测方法是利用物体的热辐射特性与温度之间的对应关系对物体的温度进性与温度之间的对应关系对物体的温度进行检测，见表行检测，见表3-1测温仪表按使用范围分按测量方式分接触式接触式测温仪表测温

12、仪表非接触式非接触式测温仪表测温仪表高温计温度计按测温原理分膨胀式温度计压力式温度计热电偶温度计热电阻温度计半导体温度计辐射式温度计1 1、膨胀式温度计膨胀式温度计: :基于物体受热时产生膨胀的原基于物体受热时产生膨胀的原理。理。液体膨胀式、固体膨胀式和气体膨胀式三类。液体膨胀式、固体膨胀式和气体膨胀式三类。 1 1）玻璃液体温度计：水银温度计、酒）玻璃液体温度计：水银温度计、酒精温度计精温度计 玻璃液体温度计的结构基本上是玻璃液体温度计的结构基本上是由装有感温液由装有感温液( (或称测温介质或称测温介质) )的感温的感温泡、玻璃毛细管和刻度标尺三部分组泡、玻璃毛细管和刻度标尺三部分组成。感温

13、泡位于温度计的下端，是玻成。感温泡位于温度计的下端，是玻璃液体温度计感温的部分，可容纳绝璃液体温度计感温的部分，可容纳绝大部分的感温液，所以也称为贮液泡。大部分的感温液，所以也称为贮液泡。常用的有水银以及甲苯、乙醇和煤常用的有水银以及甲苯、乙醇和煤油等有机液体。玻璃毛细管是连接在油等有机液体。玻璃毛细管是连接在感温泡上的中心细玻璃管，感温液体感温泡上的中心细玻璃管，感温液体随温度的变化在里面移动。标尺是将随温度的变化在里面移动。标尺是将分度线直接刻在毛细管表面，同时标分度线直接刻在毛细管表面，同时标尺上标有数字和温度单位符号，用来尺上标有数字和温度单位符号，用来表明所测温度的高低。表明所测温度

14、的高低。 2)2)双金属温度计：其感温元件是用两片线膨胀系数不同的金双金属温度计：其感温元件是用两片线膨胀系数不同的金属片叠焊在一起而制成的，由于两片金属片的膨胀长度不同属片叠焊在一起而制成的，由于两片金属片的膨胀长度不同而产生弯曲，温度越高产生的线膨胀长度差就越大，因而引而产生弯曲，温度越高产生的线膨胀长度差就越大，因而引起弯曲的角度就越大。如图起弯曲的角度就越大。如图 3-1 3-1 。利用双金属片还可做成温。利用双金属片还可做成温度控制器，如图度控制器，如图3-23-2图图 3-1 3-1 双金属片双金属片 图图3-2 温度控制器温度控制器双金属式温度计-用两种膨胀系数不同的金属片叠焊在

15、一起制成螺旋形。温度越高，产生的膨胀长度差越大，引起的弯曲角度越大。 温包：感受温度的变化温包：感受温度的变化毛细管：传递压力的变化毛细管：传递压力的变化（D D0 0=1.2=1.25mm5mm，D D i i= 0.15 = 0.15 0.5mm0.5mm）弹簧管：压力表的弹性元件弹簧管：压力表的弹性元件2、 压力式温度计：基于物体压力式温度计：基于物体受热时产生膨胀后引起密封容受热时产生膨胀后引起密封容器中的压力变化来指示温度。器中的压力变化来指示温度。工作介质不同分为：气体、液工作介质不同分为：气体、液体和蒸汽式压力温度计。体和蒸汽式压力温度计。先看一个实验先看一个实验热电偶工作原理演

16、示热电偶工作原理演示 结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。上述结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。上述现象称为热电现象，现象称为热电现象，18211821年赛贝克发现的，也称赛贝克效应年赛贝克发现的，也称赛贝克效应 热电极热电极A A右端称为：右端称为：自由端自由端（参考端、（参考端、冷端）冷端） 3.2 热电偶温度计热电偶温度计左端称为：左端称为：测量端测量端（工作端、（工作端、热端）热端） 热电极热电极B B热电势热电势A AB B热电偶的工作原理热电偶的工作原理一、热电偶的测温原理及基本定律一、热电偶的测温原理及基本定律热电偶：热电偶：两种不同材料的导体（或半

17、导体）两种不同材料的导体（或半导体）A A和和B B组成闭合回路。组成闭合回路。A A、B B是热偶丝，也叫热电极。是热偶丝，也叫热电极。热电势：热电势：热电偶热电偶放在被测对象中，两端温度不同放在被测对象中，两端温度不同时，会产生的电动势。时，会产生的电动势。 热电流：热电流：回路中通过的电流回路中通过的电流热端（工作端）、冷端（自由端）热端（工作端）、冷端（自由端）：感受温度变：感受温度变化的那端称为或热端，另一端称为或冷端。化的那端称为或热端，另一端称为或冷端。这种物理现象称为这种物理现象称为热电现象热电现象。热电偶：范围热电偶：范围-20013000C, 温度信号变成电信号，远温度信号

18、变成电信号，远传。传。1.热电偶的测温原理热电偶的测温原理:是根据热电效应的原理来测量温度是根据热电效应的原理来测量温度的的.热电势热电势由单一导体由单一导体温差电势温差电势和两种导体和两种导体接触电势接触电势组成：组成：1）、温差电势：）、温差电势：一根导体两端温度不同产生的热电一根导体两端温度不同产生的热电动势动势.原因：原因：同一根导体中电子从高温端向低温端迁移而同一根导体中电子从高温端向低温端迁移而引起的电动势。引起的电动势。 eA)()(),(00tttteAAA2）、接触电势：）、接触电势：两种不同导两种不同导A、B接触时产生接触时产生.原原因因:两种不同导体的电子密度不同，从而在

19、接触点处发生两种不同导体的电子密度不同，从而在接触点处发生电子扩散而形成的电动势电子扩散而形成的电动势.设设NANB( )ABt 接触电势的大小与接触点的温度高低及导体电子接触电势的大小与接触点的温度高低及导体电子密度有关密度有关.3)3)回路总电动势：回路总电动势：A A的电子密度大于的电子密度大于B B，tttt0 0，则，则回路中存在着回路中存在着四个电势四个电势, , )(tf -(t)f)()(- )(t)(- )(t)()(- )(t)()(t)t(t,e)(t- )t(t,e(t)t(t,E0ABAB00B0ABBAB00AB0BBAB0A0AB0BAB0ABttttttttAA

20、AA热电偶的热电特性-当热电偶材质确定且冷端温度恒定时，热端温度与热电动势之间呈单值函数关系在实际使用中，只要保持冷端温度为t0，根据仪表测得的热电动势EAB(t,t0)，就计算出被测温度t或者通过分度表查出所对应的被测温度t。 C-(t)f)(tf-(t)f)t(t,EAB0ABAB0AB二、热电偶的三条基本定律二、热电偶的三条基本定律均匀导体定律、均匀导体定律、 中间导体定律、中间导体定律、 中间温度定律中间温度定律1. 1. 均匀导体定律均匀导体定律 1 1）定律内容：）定律内容：由一种均匀导体（或半导体）组由一种均匀导体（或半导体）组成的闭合回路，不论温度如何分布，都不能产成的闭合回路

21、，不论温度如何分布，都不能产生电动势。生电动势。 2 2）定律推论）定律推论v（1)1)热电偶必须由两种不同材料组成热电偶必须由两种不同材料组成. .v（2)2)由一种材料组成的闭合回路存在温差时，由一种材料组成的闭合回路存在温差时，如回路有热电势，则材料不均匀如回路有热电势，则材料不均匀. .0t),(te)t(t,e)t(t,E0A0A0AA2. 中间导体定律中间导体定律1）定律内容：）定律内容：不同材料组成的闭合回路中，若不同材料组成的闭合回路中，若各各种材料接触点的温度种材料接触点的温度都都相同相同，则回路中热电势，则回路中热电势的总和等于零。的总和等于零。0(t)e(t)e(t)e(

22、t)et)(t,EABABBAABAB热电势产生的条件：热电势产生的条件： 热电极必须是热电极必须是A A、B B两种不同的材料。两种不同的材料。 热电极的两接点温度不相等。热电极的两接点温度不相等。 构成闭合回路。构成闭合回路。推论推论1用途用途: 连接显示仪表的两个连接显示仪表的两个接点温度相同，接点温度相同， 则不则不影响热电偶电势影响热电偶电势 也可以将热电偶的两端也可以将热电偶的两端不焊接而直接插入液态金不焊接而直接插入液态金属中或直接焊在金属表面属中或直接焊在金属表面进行温度测量。进行温度测量。2）定律推论）定律推论推论推论1：在热电偶回路接入第三种导体，若第：在热电偶回路接入第三

23、种导体，若第三种导体的两接点温度相同，对回路中总热三种导体的两接点温度相同，对回路中总热电势无影响。电势无影响。推论推论1 1证明：证明： t0EABC(t,t1,t0)=eAB(t)+ eBC(t1) + eCB(t1)+ eBA(t0) = eAB(t)eAB (t0) = EAB(t,t0)tA BBC(a)t1t1推论推论2 2：如果两种导体如果两种导体A,B对另一种导体对另一种导体C的热电势已知，则这两种导体组成热电的热电势已知，则这两种导体组成热电势是它们对参考导体热电势的代数和。势是它们对参考导体热电势的代数和。)t(t,E)t(t,E0AC0AB+ +A At tt t0 0B

24、 B+ +A At tt t0 0C C+ +C Ct tt t0 0B BE EACACE ECBCBE EABAB)t(t,E0CB推论推论2的用途：的用途：（1）已知热电极与标准）已知热电极与标准铂电极配对的热电势，铂电极配对的热电势，任何两种热电极配对任何两种热电极配对的热电势可知。的热电势可知。举例：举例：t tB BA AC Ct tE EACACE ECBCBC C0 0t t0 0t t0 0t tEAC(t, t0) ECB(t, t0) =eAC(t)+ eCB(t) + eBA(t0)+ + + 因为因为eAC(t)+ eCB(t) + eBA(t)0所以所以EAC(t,

25、 t0) ECB(t, t0) =eAB(t)+ eBA(t0)= EAB(t, t0) 推论推论2的证明的证明3 3、 中间温度定律中间温度定律1 1）定律内容：）定律内容： 热电偶在两接点温度热电偶在两接点温度t t1 1、t t3 3时的热电时的热电动势等于接点温度分别为动势等于接点温度分别为t t1 1、t t2 2和和t t2 2、t t3 3 的两支同的两支同性质热电偶的热电动势的代数和。性质热电偶的热电动势的代数和。+ +A At t1 1t t2 2B BE E1 1+ +A At t3 3B BE E2 2EAB(t1, t2) EAB(t2, t3) = eAB(t1)+

26、eBA(t2)+ eAB(t2) + eBA(t3)= eAB(t1) + eBA(t3)= EAB(t1, t3)+ +A At t1 1t t3 3B BE E3 3=E=E1 1+E+E2 22)定律的应用：定律的应用：1）为热电偶）为热电偶热电势温度关系分度热电势温度关系分度奠定了理论基础。奠定了理论基础。 已知热电偶在某一给定冷端温度下电压对应的温已知热电偶在某一给定冷端温度下电压对应的温度值，另外冷端温度下，电压应对应什么温度？度值，另外冷端温度下，电压应对应什么温度？（修正解决）（修正解决） 0EE0E0AB0ABAB，tttt上式说明：只要上式说明：只要A、B组成的热电偶在冷端

27、温度组成的热电偶在冷端温度为零时的为零时的“热电动势热电动势 温度温度”关系已知，则它关系已知，则它在冷端温度不为零时的热电动势即可知。在冷端温度不为零时的热电动势即可知。举例：举例：例：例：S S型热电偶在工作时自由端温度型热电偶在工作时自由端温度t t0 03030，现，现测得热电偶的电势为测得热电偶的电势为7.5mv7.5mv，求被测介质实际温度。，求被测介质实际温度。热电偶测得的电势热电偶测得的电势为为 E(t,30)E(t,30)7.5mv 7.5mv E(30,0)E(30,0)由分度表可查得由分度表可查得 E(30,0)=0.173mv,E(30,0)=0.173mv,再由分度表

28、中查出与其对应的实际温度为再由分度表中查出与其对应的实际温度为830830。( ,0)( ,30)(30,0)7.50.1737.673E tE tEmV2 2）为工业测温中）为工业测温中应用补偿导线应用补偿导线提供了理论依据。提供了理论依据。3.2.2 3.2.2 热电偶的构造热电偶的构造及及标准化热电偶标准化热电偶一、一、热电偶的构造热电偶的构造二、二、热电极材料及性质热电极材料及性质三三、标准化热电偶标准化热电偶四四、非标准化热电偶非标准化热电偶一、一、 热电偶的构造热电偶的构造 要求：要求：1 1、热电偶需要良好的电绝缘；、热电偶需要良好的电绝缘； 2 2、需用保护套管将其与被测介质相

29、隔离。、需用保护套管将其与被测介质相隔离。1、普通型热电偶（装配式装配式结构）组成：热电极、绝缘管、保护套管、接线盒。特点：热惯性大，响应慢。图 普通型热电偶的结构普通普通装配型装配型热热电偶的电偶的结构结构放大放大图图 接线接线盒盒引出线套管引出线套管 固定螺纹固定螺纹 （出厂时用塑料包裹）（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）热电偶工作端（热端） 不锈钢不锈钢保护管保护管 常用的热电偶由热电极、绝缘材料和保护套管常用的热电偶由热电极、绝缘材料和保护套管等部分构成。等部分构成。2 2、 铠装型热电偶铠装型热电偶 将热电偶丝、绝缘材料和金属保护套管三将热电偶丝、绝缘材料和金属保护套管三者组合

30、装配后，经拉伸加工而成的一种坚实的者组合装配后，经拉伸加工而成的一种坚实的组合体。组合体。特点：热惯性小，响应块，可弯特点：热惯性小，响应块，可弯曲（最长可达曲（最长可达100m）,柔性好，柔性好，可安装在狭窄或结构复杂的测量可安装在狭窄或结构复杂的测量场合。场合。铠装型热电偶外形法兰铠装型热电偶可铠装型热电偶可 长达上百米长达上百米薄壁金属薄壁金属 保护套管保护套管（铠体）（铠体） BA绝缘绝缘 材料材料铠装型热电偶铠装型热电偶横截面横截面3 3、 薄膜热电偶薄膜热电偶 由两种金属薄膜连接而成。由两种金属薄膜连接而成。 1 1）特点：）特点： 微小面积上的温度测量；动态响应快，微小面积上的温

31、度测量；动态响应快，可测瞬变的表面温度。可测瞬变的表面温度。 2)2)应用：应用： (1)(1)如将热电极材料直接蒸镀到被测表面，可测微如将热电极材料直接蒸镀到被测表面，可测微秒级变化的温度。秒级变化的温度。 (2)(2)如制成针状，针尖为热端，可测量点的温度。如制成针状，针尖为热端，可测量点的温度。热电极材料及性质：热电极材料及性质：1）物理性质稳定，其热电性质不随时间变）物理性质稳定，其热电性质不随时间变化。化。2）化学性质稳定，不易被氧化和腐蚀。）化学性质稳定，不易被氧化和腐蚀。3）灵敏度和线性度好。）灵敏度和线性度好。4）电导率高，电阻温度系数小。）电导率高，电阻温度系数小。5）复制性

32、好复制性好，以便交换。，以便交换。6）价格便宜。）价格便宜。目前材料无法满足全部要求，不同条件下使目前材料无法满足全部要求，不同条件下使用不同的热电极材料。用不同的热电极材料。 二、标准化热电偶二、标准化热电偶 标准化热电偶：是指制造工业较成熟，标准化热电偶：是指制造工业较成熟，应用广泛，能成批生产、性能优良而稳定应用广泛，能成批生产、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并已列入专业或国家工业标准化文件中的那些热电偶那些热电偶标准化热电偶具有互换性。标准化热电偶具有互换性。 从从19881988年年1 1月月1 1日起，我国热电偶和热电阻日起，我国热电偶和热电阻的生产全部按国际电

33、工委员会（的生产全部按国际电工委员会（IECIEC）的标准，）的标准，并指定并指定S S、B B、E E、K K、R R、J J、T T七种标准化热电偶七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。但其中的为我国统一设计型热电偶。但其中的R R型（铂铑型（铂铑1313- -铂）热电偶，因其温度范围与铂）热电偶，因其温度范围与S S型（铂铑型（铂铑1010- -铂）重合铂）重合, ,我国没有生产和使用。我国没有生产和使用。 这些热电偶的型号这些热电偶的型号( (分度号分度号) )、热电极的材料、热电极的材料以及可测的温度范围见表以及可测的温度范围见表3-43-4。一般允许测量的。一般允许测量的温度上限

34、是极限值的温度上限是极限值的60608080。 注意：不同分度号的热电偶必须与其相对应的注意：不同分度号的热电偶必须与其相对应的显示仪表配套使用。显示仪表配套使用。常用工业热电偶类型 热电偶名称热电偶名称分度号分度号测温范围（测温范围（）特点特点适用场合适用场合铂铑铂铑10-铂铂S01700热电性能稳定，抗氧化性强，测温范围热电性能稳定，抗氧化性强，测温范围广，测量精度高，线性差，价格高广，测量精度高，线性差，价格高精密测量；有氧化性、精密测量；有氧化性、惰性气体环境惰性气体环境铂铑铂铑30-铂铑铂铑6B01700测温上限高，稳定性好，抗氧化性强，测温上限高，稳定性好，抗氧化性强，线性较差，价

35、格高线性较差，价格高高温测量；不适用于还高温测量；不适用于还原性气体环境原性气体环境镍铬镍铬-镍硅镍硅K-200+1300测温范围宽、线性好、热电动势大，价测温范围宽、线性好、热电动势大，价格低，但稳定性较格低，但稳定性较B型或型或S型热电偶差型热电偶差 中高温测量中高温测量镍铬镍铬-康铜康铜E-200+1000热电动势较大，耐磨蚀，价格低，中低热电动势较大，耐磨蚀，价格低，中低温测量稳定性好温测量稳定性好中低温测量；有氧化性、中低温测量；有氧化性、惰性气体环境惰性气体环境铁铁-康铜康铜J-200+1300价格便宜，热电动势较大价格便宜，热电动势较大化工过程温度测量化工过程温度测量铜铜-康铜康

36、铜T-200+400精度高，价格低，但铜易氧化精度高，价格低，但铜易氧化低温测量低温测量 镍铬硅镍铬硅-镍硅镍硅N-200+1300在相同条件下，尤其在在相同条件下，尤其在11001300的高的高温条件下，高温稳定性及使用寿命较温条件下，高温稳定性及使用寿命较K型热电偶好，性能与型热电偶好，性能与S型热电偶近似，但型热电偶近似，但价格较小价格较小在测温范围内，有全面在测温范围内，有全面代替廉价金属热电偶和代替廉价金属热电偶和部分部分S型热电偶的趋势型热电偶的趋势铂铑铂铑13-铂铂R01700与与S型热电偶性能相似，热电动势较大型热电偶性能相似，热电动势较大S型热电偶相似环境型热电偶相似环境 铂

37、铑铂铑10-10-铂热电偶（分度号铂热电偶（分度号S S） 铂铑铂铑13-13-铂热电偶（分度铂热电偶（分度号号R R） 铂铑铂铑30-30-铂铑铂铑6 6热电偶（分度热电偶（分度号号B B） 镍铬一镍硅（镍铬一镍铝）热电偶（镍铬一镍硅（镍铬一镍铝）热电偶（分分度号度号K K） 镍铬一康铜热电偶（分度镍铬一康铜热电偶（分度号号E E） 铁一康铜热电偶（分度铁一康铜热电偶（分度号号J J） 铜一康铜热电偶（分度号铜一康铜热电偶（分度号T T） 镍铬一金铁热电偶镍铬一金铁热电偶（分度号（分度号NiCrNiCrAuFe0.07AuFe0.07）及铜一金铁热电偶（分度）及铜一金铁热电偶（分度号号CuC

38、uAuFe0.07AuFe0.07）1. 几种标准化热电偶的性能和特点几种标准化热电偶的性能和特点1）铂铑铂铑1010- -铂热电偶铂热电偶 分度号为分度号为“S”S”，贵金属热电偶。，贵金属热电偶。 常用直径常用直径0.5m m0.5m m。正极：铂铑丝。正极：铂铑丝( (铂铂90%90%，铑，铑l0%)l0%)，负极：纯铂丝。，负极：纯铂丝。 长期使用最高温度达长期使用最高温度达1300 1300 ，短期使用可达，短期使用可达16001600。特点：热电性能稳定，精度高，抗氧化性强，特点：热电性能稳定，精度高，抗氧化性强，宜在氧化性、惰性气氛中工作，在无合适的非宜在氧化性、惰性气氛中工作，

39、在无合适的非金属保护套管时，不能在还原性气氛及含有金金属保护套管时，不能在还原性气氛及含有金属或非金属蒸汽中使用。属或非金属蒸汽中使用。 缺点：高温下长期，铂电极易断，对污染缺点：高温下长期，铂电极易断，对污染敏感，导致热电势下降。它的热电势较小，敏感，导致热电势下降。它的热电势较小，灵敏度较低；价格昂贵。灵敏度较低；价格昂贵。 故国际温标中规定它为故国际温标中规定它为630.74630.741064.431064.43温度范围内复现温标的标准仪器。分度值温度范围内复现温标的标准仪器。分度值见附录见附录1 12.2. 常用作标准热电偶或用于高温测量常用作标准热电偶或用于高温测量, ,价格价格贵

40、，精度高，灵敏度低贵，精度高，灵敏度低。2 2）镍铬）镍铬- -镍硅（镍铬镍硅（镍铬- -镍铝）热电偶镍铝）热电偶 分度号为分度号为“K”K”，贱金属热电偶。常用直径，贱金属热电偶。常用直径0.30.30.32m m0.32m m。正极：镍铬合金。正极：镍铬合金( (镍镍90.5%90.5%，铬，铬9.5%)9.5%)，负极：镍硅，负极：镍硅( (镍镍97.5%97.5%，硅，硅2.5%)2.5%)。长期。长期使用最高温度可达使用最高温度可达1200 1200 ，短期使用可达，短期使用可达13001300。在。在500 500 以下可在还原性、中性、氧以下可在还原性、中性、氧性气氛中可靠的工作

41、，在性气氛中可靠的工作，在500 500 以上只能中性、以上只能中性、氧性气氛中工作。此热电偶可用于温度很低的氧性气氛中工作。此热电偶可用于温度很低的含氢或氨的气氛中，而不能用于氧化还原交替含氢或氨的气氛中，而不能用于氧化还原交替的气氛中，也不能用于含硫的气氛中，真空中的气氛中，也不能用于含硫的气氛中，真空中只能短期使用。其热电势比只能短期使用。其热电势比铂铑铂铑1010- -铂铂热电偶大热电偶大4 45 5倍，且线性好。分度值见附录倍，且线性好。分度值见附录1 15 5测温测温12001200以下，贱金属，线性度好，灵敏以下，贱金属，线性度好，灵敏度大。度大。3 3） 镍铬镍铬- -康铜热电

42、偶康铜热电偶 分度号为分度号为“E”E”。是一种贱金属热电偶，。是一种贱金属热电偶，测温范围为测温范围为-200-200900900，常用直径，常用直径0.30.33.2m m3.2m m。它的正极是镍铬合金，负极是铜。它的正极是镍铬合金，负极是铜镍合金镍合金( (铜铜55%55%，镍，镍45%)45%)。长期使用最高温。长期使用最高温度可达度可达750 750 ，短期使用可达，短期使用可达900900。适。适合在中性、氧性气氛中工作，其它气氛中合在中性、氧性气氛中工作，其它气氛中使用所受的限制镍铬使用所受的限制镍铬- -镍硅热电偶相同。镍硅热电偶相同。适合在适合在0 0以下测温度，在高湿性气

43、氛中不以下测温度，在高湿性气氛中不易腐蚀。其特点是每摄氏度下对应热电动易腐蚀。其特点是每摄氏度下对应热电动势最高，因此经常被使用。分度值见附录势最高，因此经常被使用。分度值见附录1 16 6三三 、非标准化热电偶、非标准化热电偶 在某些特殊场合：高温、低温、超低温、在某些特殊场合：高温、低温、超低温、高真空和有核辐射等被测对象中使用高真空和有核辐射等被测对象中使用1 钨莱系热电偶钨莱系热电偶2 铱佬系热电偶铱佬系热电偶3 铂钼铂钼5铂钼铂钼0.1热电偶热电偶4 非金属热电偶非金属热电偶特点：不具有互换性，没有统一分度特点：不具有互换性，没有统一分度名称名称热电极材料热电极材料使用温度使用温度范

44、围范围()()过热使用温过热使用温度度范围范围()()特征特征正极正极负极负极钨铼系WRe5、WRe3WRe26、WRe25023003000适用于还原性、H2及惰性气体。质脆铂铑系PtRh20、PtRh40PtRh5、PtRh2030015001100160018001800在高温下使用，热电动势小，其它性能与R型相同铱铑系Ir、Ir、IrIrRh40、IrRh50、IrRh60110020002100适用于真空、惰性气体及微氧化性气氛。质脆镍钼系NiNiMo1801280/可用于还原性气氛，热电动势大钯铂系Pd、Pt及Au合金Au、Pd合金011001300耐磨性能强，热电动势的大小基本上

45、与K型相同镍铬、金铁以Ni-Cr为主的合金含0.07mo1%Fe的合金0300K/20K以下热电动势比较大，热电动势的线性好银金、金铁含Au为0.37mo1%的合金含0.03mo1%Fe的Au-Fe合金140K/热电动势小，受磁场影响3.2.3 3.2.3 热电偶冷端处理方法热电偶冷端处理方法热电偶的电势大小不但与热端温度有关，热电偶的电势大小不但与热端温度有关，且与冷端温度有关，冷端应恒定。且与冷端温度有关，冷端应恒定。通常热电偶冷端放在距热端很近的大气中，通常热电偶冷端放在距热端很近的大气中，受热端和大气环境的影响，有波动。受热端和大气环境的影响，有波动。为消除冷端温度变化对测量的影响，可

46、采为消除冷端温度变化对测量的影响，可采用冷端温度补偿方法。用冷端温度补偿方法。热电偶冷端温度的补偿方法：热电偶冷端温度的补偿方法：一、计算一、计算法法二、冰点槽法二、冰点槽法三、补偿导线法三、补偿导线法四、仪表机械调零法四、仪表机械调零法五、补偿电桥法（冷端补偿器）五、补偿电桥法（冷端补偿器） 由于工业上的常用的各种热电偶的温度由于工业上的常用的各种热电偶的温度热电势关系曲线热电势关系曲线是在冷端温度保持是在冷端温度保持0的情况下得到的，而且与其配套使用仪表的情况下得到的，而且与其配套使用仪表也是根据这仪关系曲线进行刻度的。而实践测量时，冷端温度也是根据这仪关系曲线进行刻度的。而实践测量时，冷

47、端温度往往高于往往高于0，且是不断变化的，从而使测量结果产生误差。所，且是不断变化的，从而使测量结果产生误差。所以使热电偶冷端的温度保持以使热电偶冷端的温度保持0，或进行一定的修正得到准确的，或进行一定的修正得到准确的测量结果的做法称为冷端温度补偿。测量结果的做法称为冷端温度补偿。一、计算法一、计算法1.问题提出问题提出 分度的冷端温度为分度的冷端温度为0 ，如测温时热电偶是，如测温时热电偶是t0，不为，不为0 ，不能，不能用测得用测得E(t, t0) 直接查分直接查分度表求度表求t。2 .计算公式计算公式 E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0) 用用E(t,0) 查表求查表求t 。测量

48、的热电动势查分度表求得 例：用镍铬例：用镍铬-镍硅镍硅(K(K型型) )热电偶测温，热电偶参比热电偶测温，热电偶参比端温度为端温度为3030。测得的热电势为。测得的热电势为28mV28mV，求热端温度。，求热端温度。mVE203. 1)0 ,30(mVTE28)30,(mVmVmVTE203.29203. 128)0 ,(反查K分度表 T=701.5适合实验适合实验 室或临时测量。改进方法：室或临时测量。改进方法：利用软件编程自动修正。利用软件编程自动修正。注意：由于热电势与温度之间的关系不是线性注意：由于热电势与温度之间的关系不是线性的，当自由端温度不是的，当自由端温度不是0时，将测得的热电

49、势对时，将测得的热电势对应的温度值加上自由端的温度值并不等于实际的应的温度值加上自由端的温度值并不等于实际的被测温度值。被测温度值。热电偶信号调理模块电路图热电偶信号调理模块电路图二、冰点槽法二、冰点槽法 冷端放入一个温度恒为冷端放入一个温度恒为0的冰点槽中的冰点槽中1.举例举例 将水与冰屑混合放入保温瓶，在瓶盖上插入盛将水与冰屑混合放入保温瓶，在瓶盖上插入盛变压器油的试管，热电偶的冷端插入到试管中。变压器油的试管，热电偶的冷端插入到试管中。三、补偿导线法三、补偿导线法1 ）测温时，其冷端温度要求恒定测温时，其冷端温度要求恒定（？），（？），如直接满足此条件，热电偶冷端直接延伸如直接满足此条件

50、，热电偶冷端直接延伸放到恒温的地方，热电偶很长，价格较高。放到恒温的地方，热电偶很长，价格较高。 2） 用补偿导线连接到热电偶的冷端，延伸用补偿导线连接到热电偶的冷端，延伸至恒定冷端温度，在达到冷端温度恒定要至恒定冷端温度，在达到冷端温度恒定要求的同时，降低造价。求的同时，降低造价。 为了使热电偶的冷端远离工作端，使冷端的温度保持恒定以保证热电偶测得的温度是被测温度的单值函数，常采用一种专用的将热电偶的冷端延伸出来的导线，叫补偿导线。补偿导线法补偿导线法 为了把热电偶延长并直接引到控制室且自由端温为了把热电偶延长并直接引到控制室且自由端温度稳定。用一对廉价的金属导线度稳定。用一对廉价的金属导线

51、“补偿导补偿导线线”(AB)(AB)把热电偶末端接至控制室。显然这把热电偶末端接至控制室。显然这对补偿导线的热电特性在对补偿导线的热电特性在t t0 0 t t0 0范围内要与热范围内要与热电偶相同或基本相同。电偶相同或基本相同。00000000( , )( , )( ,)( , )( , )A BABABABABEttEttEEt tEttEt t补偿导线补偿导线ABAB可视为热电偶电极可视为热电偶电极ABAB的延长，使热电偶的自的延长，使热电偶的自由端从由端从t0t0处移到处移到t0t0处，热电偶回路的热电势只与处，热电偶回路的热电势只与t t和和t0t0有关，有关， t0t0的变化不再影

52、响总电势。的变化不再影响总电势。注意：注意： 补偿导线只能在规定的温度范围内（一般为补偿导线只能在规定的温度范围内（一般为0 0100100）与）与热电偶的热电势相等或相近；热电偶的热电势相等或相近； 不同型号的热电偶有不同的补偿导线；不同型号的热电偶有不同的补偿导线； 热电偶与补偿导线连接的两个接点处要保持相同温度；热电偶与补偿导线连接的两个接点处要保持相同温度； 补偿导线有正负极之分，需分别与热电偶的正负极相连；补偿导线有正负极之分，需分别与热电偶的正负极相连； 补偿导线的作用补偿导线的作用热电偶的自由端，当自由端温度热电偶的自由端，当自由端温度t00t00时，还需要进行其他补偿与修正。时

53、，还需要进行其他补偿与修正。+ -补偿导线测量电路热电偶t1t0表表3-73-7常用热电偶的补偿导线常用热电偶的补偿导线 分为补偿型和延伸型分为补偿型和延伸型v 补偿型的材料与对应的热电偶不同，价格补偿型的材料与对应的热电偶不同，价格便宜，但在低温下热电性质相同。便宜，但在低温下热电性质相同。v延伸型的材料与对应的热电偶相同，但准延伸型的材料与对应的热电偶相同，但准确度要求略低。确度要求略低。4）使用补偿导线的注意事项）使用补偿导线的注意事项 （1）在一定的温度范围内使用。）在一定的温度范围内使用。 （2）补偿导线与热电偶极热电性质相同）补偿导线与热电偶极热电性质相同 （3）极性不能接反。）极

54、性不能接反。 （4）接入点温度一致。）接入点温度一致。3 3）补偿导线的分类）补偿导线的分类四、仪表机械调零法四、仪表机械调零法 就是把仪表的指针调整到相当于室温的数值就是把仪表的指针调整到相当于室温的数值上。由于室温在不断变化，故适合于要求不太上。由于室温在不断变化，故适合于要求不太高的场合。高的场合。E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)五、补偿电桥法（冷端补偿器）五、补偿电桥法（冷端补偿器）1.1.原理：冷端波动热电势由不平衡电桥的输出补偿。原理：冷端波动热电势由不平衡电桥的输出补偿。2.2.具体方法具体方法: :1 1） 设计不平衡电桥设计不平衡电桥, ,电桥与热电偶冷端温度相同

55、。桥臂电阻电桥与热电偶冷端温度相同。桥臂电阻R R1 1=R=R2 2=R=R3 3=1=1 （锰铜丝绕制，其电阻不随温度而变化），（锰铜丝绕制，其电阻不随温度而变化），RcuRcu （铜丝绕制，其电阻随温度的变化而变化），（铜丝绕制，其电阻随温度的变化而变化），E(4v)E(4v)是桥路是桥路直流电源，直流电源，RsRs限流电阻，在限流电阻，在2020时组成平衡桥路。时组成平衡桥路。 + +- -ABa+ +b- -+ +ExcdR1R2R3RcuRsE桥臂铜电阻桥臂铜电阻 必须和热电偶的冷端处于必须和热电偶的冷端处于同一温度下。同一温度下。t0 0=20时，时，R R1 1=R=R2 2=

56、R=R3 3=R=Rcucu，电桥处于平衡状电桥处于平衡状态态 。t0 020时时，热电偶电势将减少，铜电阻增，热电偶电势将减少，铜电阻增大，电桥不平衡，出现大，电桥不平衡，出现 。起到了补偿作用，相当于把热电偶冷端置起到了补偿作用，相当于把热电偶冷端置于于 20，完成了热电偶冷端处理和补偿功，完成了热电偶冷端处理和补偿功能。能。 CuR0ABU=0A BUABUttEE),(0补偿原理可概括为：利用补偿器产生的不补偿原理可概括为：利用补偿器产生的不平衡电压正好补偿由于冷端温度变化引起平衡电压正好补偿由于冷端温度变化引起的热电势变化值，仪表便可指示正确的温的热电势变化值，仪表便可指示正确的温度

57、测量值。度测量值。注意：注意：1. 1. 由于电桥是在由于电桥是在2020平衡，此时要平衡，此时要把温度表示的机械零位调整到把温度表示的机械零位调整到2020处。处。2. 2. 不同型号规格的冷端补偿器与一定的热电不同型号规格的冷端补偿器与一定的热电偶配套。偶配套。2.2.具体方法具体方法Rs1 1） RsRs的作用：改变的作用：改变RsRs，改变桥臂电流，与不同，改变桥臂电流，与不同热电偶配合。热电偶配合。2 2）补偿电桥法补偿冷端到平衡温度。）补偿电桥法补偿冷端到平衡温度。 （1 1）如平衡电桥的温度为）如平衡电桥的温度为2020 ，则配接的动，则配接的动圈表机械零点应调到圈表机械零点应调

58、到2020 （2 2）与热电偶配接的温度变送器及电子电位差）与热电偶配接的温度变送器及电子电位差计中，它们可自动利用其内部温度补偿电路将计中，它们可自动利用其内部温度补偿电路将热电偶冷端温度补偿到热电偶冷端温度补偿到0 0。3. 3. 使用中注意问题使用中注意问题例：两个热电极的材料为镍铬例：两个热电极的材料为镍铬-镍硅，镍硅，L1,L2分别为配分别为配镍铬镍铬-镍硅热电偶的补偿导线，测量系统配用镍硅热电偶的补偿导线，测量系统配用K型型热电偶的温度显示仪表（带补偿导线）来显示被测热电偶的温度显示仪表（带补偿导线）来显示被测温度的大小。设温度的大小。设t300，tc50，t020，求如果补偿导线

59、为普通铜导线，则测量回路的总电求如果补偿导线为普通铜导线，则测量回路的总电势和温度的显示值为多少？势和温度的显示值为多少？解：解： 当补偿导线是普通铜导线时，因为是当补偿导线是普通铜导线时，因为是同一种导体铜，所以不产生电动势，同一种导体铜，所以不产生电动势，那么回路总电势为那么回路总电势为查查K型分度表，得到型分度表，得到 不正确的补偿导线接法会引起错误的结果。不正确的补偿导线接法会引起错误的结果。mVEEEKK984.10)0798. 0()023. 2209.12()0 ,20()05 ,300(3 .270显示t3.2.5 3.2.5 热电偶温度计的应用热电偶温度计的应用 1 1、串联

60、测量回路：检测微小温度变化。、串联测量回路：检测微小温度变化。特点：灵敏度高，平均温度等于总热电势除以特点：灵敏度高，平均温度等于总热电势除以热电偶的分热电偶的分支数。支数。注意两点：注意两点： 2 2、并联测量回路：总热电势等于所有、并联测量回路：总热电势等于所有热电偶的平均值。热电偶的平均值。求平均温度。求平均温度。 3 3、热电偶反接：热电偶反接：温差测量温差测量)t ,t (E)t ,t (E)t ,t (E)t ,t (E)t ,t (E)t ,t (E21o2o221o2o1 例：例：K型热电偶（镍铬型热电偶（镍铬-镍硅）工作时，在环境温度是镍硅）工作时，在环境温度是30时，测得热

61、电偶产生的热电势时，测得热电偶产生的热电势E为为38.505mV,求热电偶实际所测温度是多少？若采用两个求热电偶实际所测温度是多少？若采用两个K型热型热电偶串联的方式测介质温度，已知两个热电偶串联电偶串联的方式测介质温度，已知两个热电偶串联后产生热电势后产生热电势E为为78.528mV,则所测介质温度是多少？则所测介质温度是多少？解：解：E(T0,0)=E(30,0)=1.203mVE(T,T0)=E(T,30)= 38.508mVE(T,0)=E(T,T0)+E(T0,0)= 1.203+38.505=39.708 mV查表得查表得T=960一个热电偶产生热电势为一个热电偶产生热电势为78.528/2=39.291 mVE(T,0)= 39.291 +1.203=44.494 mV 查表查表T在在980例：如图所示，用两只型号、规格相同的热电偶反向串联测例：如图所示，用两只型号、规格相同的热电偶反向串联测量量A和和B两点温差，配以相同的补偿导线，热电偶测出的热电两点温差，配以相同的补偿导线，热电偶测出的热电势与两点温度差成线性。若热电偶冷端温度为势与两点温度差成线性。若热电偶冷端温度为0时，仪表时，仪表指示为指示为300；问冷端温度上升到；问冷端温度上升到20时，仪表指示值为多少时，仪表指示值为多少？