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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目录

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，

T

称为冷端、自由端或者参比端。A 和B 称为热电极，热电势),(0T T E AB 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： BT AT

AB N N e KT T e ln )(=

其中：)(T e AB ——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；AT N 、BT N ——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： ?=T T A A dT e

K T T e 0),(0δ ?=T T B B dT e K

T T e 0

),(0δ 其中：Δa 、δB ——分别为导体A 和B 的汤姆逊系数；

eA （T ，0T ）、eB （T ，0T ）——分别为导体A 和B 两端温度在T 和0T （T >0T ）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 =T 0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：A e （T ，0T ）和B e （T ，0T ），2个接触电势AB e （T ）和AB e （0T ），其大小和方向如图中所示，则总电势为

)

,()(),()(),(0000T T e T e T T e T e T T E A AB B AB AB --+=dT e K N N e KT dT e K N N e KT

T T B BT AT T T A BT AT

??--+=000

0ln ln 0δδ

)

()()()()()(),(000000

T f T f dt T e dt T e T T E T B A AB T

B A AB AB -=??????---??????--=??δδδδ

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0T 固定，即?（0T ）= C （常数），则对确定的热电偶材

料，其总电势),(0T T E AB 只与热端温度T 有关，即

C T f T T E AB -=)(),(0

所以，热电偶所产生的热电势),(0T T E AB 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，

T和0T时，则回路

n

总电势为热电偶的热电势EAB（T，

T）与连接导体热电势EA’B’

n

（

T，0T）的代数和—连接导体定律。

n

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/η）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℃

η—时间常数S e ——自然对数的底（2.718）

因此，当t=η时，则Δθ=Δθ0/e即为0.368，

如果当t=2η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∞=-αη⑵

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（η）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=ζε（Tw4 - Tt4 ）（2—3）

其中ζ—斯忒藩—波尔兹常数ε—发射率

Tt—热电偶的温度 , K Tw—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=ζε（Tt4-Tw4）/αА（2—5）

对于单位面积而言其误差为

Tt-T=ζε（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