过程检测与控制技术应用
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型 入接线盒内部
防 能承受距离为5m、喷嘴直径为25mm的喷水（喷 适用鱼露天的生产设备
水 嘴出口前水压低于0.196Pa,历时5min）不得有 或管道,以及有腐蚀性气
型 水渗入接线盒内部
氛的环境
防 防爆型接线盒的热电偶应符合《防爆电气设备 爆 制造检验规程》国家标准的规定，并经国家指
型 定的检验单位检验合格，浙才江给机防电爆合职格业证技术学院电气电子工程分院
度(T，T0)的函数
EAB(T，T0)=E(T)一E(T0)
当T0保持不变，即E(T0)为常数时，则热电势EAB(T，T0)便仅为热电偶
热端温度T的函数
EAB(T，T0)=E(T)一C=f(T)
这就是热电偶测温的基本原理。
浙江机电职业技术学院电气电子工程分院
热电势的极性
测量端失去电子的热电极为正极，得到电子的热电极为负极。对热 电势符号EAB(T，T0)，规定写在前面的A、T分别为正极和高温，写 在后面的B、T0分别为负极和低温。如果它们的前后位置倒换，则热 电势极性相反，即EAB(T，T0)=-EAB(T0，T)等。实验判别热电势极性 的方法是将热端稍加热，在冷端用直流电表辨别。
浙江机电职业技术学院电气电子工程分院
浙江机电职业技术学院电气电子工程分院
浙江机电职业技术学院电气电子工程分院
部分特殊热电偶的补充说明
a．铁-康铜热电偶，测温上限为700℃(长期)，热电势与温度的线性 关系好，灵敏度高(E铁-慷铜(100，0)=5.268mV)，但铁极易生锈。 b．高温热电偶：钨铼系热电偶，测温上限可达2450℃；钛铑系热 电偶可测到2100℃左右。 C．低温热电偶：铜-铜锡0.005热电偶可测-271～-243℃的低温； 镍铬-铁金0.03热电偶在-269～0℃之间有13.7～20µV／℃的灵敏度。
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冷端温度自动补偿法——电桥补偿法
原理：利用电桥在温度变化时的不平衡输出电压(补偿电压)去自动补偿冷 端温度变化时对热电偶热电势的影响，即使Uab(T0)=EAB(T0，0)，如下图 所示。这种装置称为冷端温度补偿器。
浙江机电职业技术学院电气电子工程分院
图中Rl、R2、R3、Rw为锰铜电阻，阻值几乎不随温度变化，RCu为铜电阻， 电阻值随温度升高而增大。设计时使T0=0℃时，R1=R2=R3=RCu，电桥 处于平衡状态，电桥输出Uab=0，对热电偶电势无影响。T0≠o℃时(设 T0>O)，RCu增大，使电桥不平衡，出现Uab>0，若 Uab=Uab(T0)=EAB(T0,0)，则热电偶的热电势得到自动补偿。
冷端温度修正法
a．热电势修正法利用中间温度定律 EAB(T，0)=EAB(T，Tn)+EAB(Tn，0)
式中，Tn一般是热电偶测温时的环境温度；EAB(T，Tn)是实测热电势； EAB(Tn，0)是冷
端修正值。 例2-2 铂铑10-铂热电偶测温，参考冷端温度为室温2l℃，测得
EAB(T，21)=0.465mV 查分度表，EAB(21，0)=0.119mV，则 EAB(T，0)=0.465+0.119=0.584mV，反查分度表 T=92℃。
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2-4.3热电偶的种类
作为实用测温元件的热电偶，对其热电极材料的基 本要求如下。
a．热电势足够大，测温范围宽、线性好； b．热电特性稳定； c．理化性能稳定，不易氧化、变形和腐蚀； d．电阻温度系数和电阻率要小； e．易加工、复制性好； f．价格低廉。
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热电偶的工作原理
➢ 如果热电偶两电极材料相同，两接点温度不同，不会产生热电势；如
果两电极材料不同，但两接点温度相同(T=T0)，也不会产生热电势。所
以，热电偶工作产生热电势的基本条件：两电极材料不同，两接点温度
不同。
➢ 热电势大小与热电极的几何形状和尺寸无关。
➢ 当两热电极材料不同，且A、B固定，热电势EAB(T，T0)便为两接点温
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2-4.2热电偶的基本定律
1.均质导体定律 两种均质金属组成的热电偶，其热电势
大小与热电极直径、长度及沿热电极长度上的温度分布无关， 只与热电极材料和两端温度差有关。
如果热电极材质不均匀，则当热电极上各处温度不同时， 将产生附加热电势，造成无法估计的测量误差。因此，热电 极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要指标之一。
教授／教授级高级工程师
浙江机电职业技术学院电气电子工程分院
过程检测与控制技术应用
书名：过程检测与控 制技术应用
书号：978-7111-50882-3
作者：金文兵 出版社：机械工业出
版社
浙江机电职业技术学院电气电子工程分院
§2-4、热电偶温度计
热电偶是将温度量转换为电势的热电式传感 器。自19世纪发现热电效应以来，热电偶便 被广泛用来测量100～1300℃范围内的温 度，根据需要还可以用来测量更高或更低的 温度。它具有结构简单、使用方便、精度高、 热惯性小，可测局部温度和便于远距离传送、 集中检测、自动记录等优点。
保护管为金属材料，用附加套管将热电偶焊接在设备
上，适用场合同锥形固定螺纹
活动法兰 保护管为金属材料，活动法兰可以使插入深度能根据
角
需要变化
型
适用于无法从侧面开孔以及顶上辐射热很高的设备上
测温
浙江机电职业技术学院电气电子工程分院
铠装热电偶测量端的常用结构形式
浙江机电职业技术学院电气电子工程分院
铠装热电偶常用安装固定形式
若直接用0.465mV查表，则T=75℃。 也不能将75℃+21℃=96℃作为实际温度。
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冷端温度修正法
温度修正法 由实测热电势EAB(T，Tn)查分度表，得T＇。 真实温度为 Ｔ＝T＇+ kTn (3—101)
式中，k为热电偶修正系数，取决于热电偶种类和被测温度 范围，，如表3—7所示。
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隔爆热电偶接线盒结构
浙江机电职业技术学院电气电子工程分院
接线盒的结构特点及用途
形式
结构特点
用途
普
保证有良好的电接触性能，结构简单，接线方 用于环境条件良好，无
通
便
腐蚀性气氛
型
防 能承受降雨量为5mm/s与水平成45O 的人工雨， 适用于雨水和水滴能经
溅 历时5min(同时保护管绕纵轴旋转)不得有水渗 常溅到的现场
浙江机电职业技术学院电气电子工程分院
热电偶的冷端补偿及处理
冷端处理的延长导线法和0。C恒温法
浙江机电职业技术学院电气电子工程分院
对于廉价金属热电极，延伸线可用热电极本身材料；对于贵重 金属热电极则采用热电特性相近的材料(补偿导线)代替
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浙江机电职业技术学院电气电子工程分院
形
适用于常压、插入深度经常需要变化的设备上
固定法兰
保护管为金属材料，带固定法兰 适用于压力为3.8MPa以下的设备上测温
固定螺纹
保护管为金属材料，带固定螺纹 适用于压力为6.3MPa以下的设备上测温
固定螺纹 保护管为金属材料，带固定螺纹的锥形高强度结构，
锥 型
焊接
适用于压力为19.6MPa以下,液体、气体或蒸汽流速为 80m/s以下的设备上测温
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2-4.1 热电偶的工作原理—热电效应
1823年塞贝克(Seebeck)发现，将两种不同的导体(金属或合金)A和B 组成一个闭合回路(称为热电偶)，若两接触点温度(T，To)不同，则回 路中有一定大小电流，表明回路中有电势产生，该现象称为热电动势 效应或塞贝克效应，通常称为热电效应。T与To的温差愈大，热电偶 的热电势愈大，因此，可以用热电势的大小衡量温度的高低。
浙江机电职业技术学院电气电子工程分院
热电偶的基本定律
2.中间导体定律 热电偶回路断开接入第三种导体C，若导体C两端温 度相同，则回路热电势不变，这为热电势的测量(接入测量仪表，即 第三导体)奠定了理论基础 （证明） 3.标准(参考)电极定律 如果两种导体(A、B)分别与第三种导体C组合 成热电偶的热电势已知，则由这两种导体(A、B)组成的热电偶的热电 势也就已知，这就是标准电极定律或参考电极定律。即
浙江机电职业技术学院电气电子工程分院
非标准热电偶材料及特点
浙江机电职业技术学院电气电子工程分院
2-4.4 热电偶的结构
热电偶电极的绝缘方法
浙江机电职业技术学院电气电子工程分院
普通型热电偶结构
1-出线孔密封圈；2-出线孔螺母；3-链条；4-面盖；5-接线柱；6-密封圈； 7-接线盒；8-接线座；9-保护套管；10-绝缘子；11-热电偶
EAB(T，T0)=EAC(T，T0)-EBC(T，T0)
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例2-1 E铜-铂(100,0)=0.76mV E康铜-铂(100,0)=3.5mV 则
E铜一康铜(100，0)=0.76-(3.5)=4.26mV
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热电偶的基本定律
4.中间温度定律 热电偶在接点温度为T、T0时的热 电势等于该热电偶在接点温度为
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铠装热电偶的接线盒结构形式
名称
简易 式
手柄 式
防水 式
示意图
名称
小接线 盒式
防溅式
示意图
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2-4.5 热电偶的冷端补偿及处理
热电偶的热电势是两接点之间相对温差ΔT=T-T0的函数，只有 T0固定，热电势才是T的单值函数；热电偶标准分度表是以 T0=0℃为参考温度条件下测试制定的，只有T0=0℃，才能直 接应用分度表或分度曲线。在工程测试中，冷端温度随环境 温度的变化而变化，若T0≠0℃，将引入测量误差，因此必须 对冷端进行补偿和处理。
示意图
常见装配式热电偶结构形式
保护管 形式
固定装置形 式
特点及用途
无固定装置 保护管材料为金属和非金属两种，适用于常压、温度 测量点经常移动或临时需要进行测温的设备上
带加固管的 保护管的插入部分为非金属材料，不插入部分加装金 无固定装置 属加固管，适用场合同直形无固定装置
示意图
直 活动法兰 保护管为金属源自文库料，带活动法兰
T、Tn和Tn、T0时相应热电势的代数和，即 EAB(T，T0)=EAB(T，Tn)+EAB(Tn，T0)
若T0=0℃，则有 EAB(T，0)=EAB(T，Tn)+EAB(Tn，0) 式中，Tn为中间温度，T0<Tn<T。
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根据标准电极定律，可以方便地选取一种或几种热电极作为标 准(参考)电极，确定各种材料的热电特性，从而大大简化热电 偶的选配工作。一般选取纯度高的铂丝(R100／R0≥1.3920)作 为标准电极，确定出其他各种电极对铂电极的热电特性，便可 知这些电极相互组 成热电偶的热电势大小。
例如前例： 实测 EAB(T，Tn)=0.465mv 查分度表T＇＝75℃； 查修正系数表，此时该热电偶的k＝0.82，Tn＝21℃，则 实际温度 T＝75+0.82×21＝92.2℃ 与前面结果基本一致。这种修正方法在工程上应用较为广泛。
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表2-6 几种常用热电偶k值表
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铠装热电偶工作端结构
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薄膜热电偶
用真空镀膜的方法，将热电极材料沉积在绝缘基板上而制成的热电偶称 为薄膜热电偶。由于热电极是一层金属薄膜，其厚度约为0.01～0.1µm， 所以测量端的热惯性很小，反应快，可以用来测量瞬变的表面温度和微 小面积上的温度。使用温度范围为-200~+500℃时，热电极采用的材料 有铜-康铜、镍铬-考铜、镍铬-镍硅等，绝缘基板材料用云母，它们适用 于各种表面温度测量以及汽轮机叶片等温度测量。当使用温度范围为 500～1800℃时，热电极材料用镍铬-镍硅、铂铑-铂等，绝缘基片材料 采用陶瓷，它们常用于火箭、飞机喷嘴的温度测量，以及钢锭、轧辊等 表面温度测量等
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热电偶的工作原理
回路中的电势称为热电势或塞贝克电势，用EAB(T，T0)或 EAB(t，to)表示。两种不同的导体A和B称为热电极，测量温 度时，两个热电极的一个接点置于被测温度场(T)中，称该点 为测量端，也叫工作端或热端；另一个接点置于某一恒定温度 (To)的地方，称为参考端或自由端、冷端。
防 能承受距离为5m、喷嘴直径为25mm的喷水（喷 适用鱼露天的生产设备
水 嘴出口前水压低于0.196Pa,历时5min）不得有 或管道,以及有腐蚀性气
型 水渗入接线盒内部
氛的环境
防 防爆型接线盒的热电偶应符合《防爆电气设备 爆 制造检验规程》国家标准的规定，并经国家指
型 定的检验单位检验合格，浙才江给机防电爆合职格业证技术学院电气电子工程分院
度(T，T0)的函数
EAB(T，T0)=E(T)一E(T0)
当T0保持不变，即E(T0)为常数时，则热电势EAB(T，T0)便仅为热电偶
热端温度T的函数
EAB(T，T0)=E(T)一C=f(T)
这就是热电偶测温的基本原理。
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热电势的极性
测量端失去电子的热电极为正极，得到电子的热电极为负极。对热 电势符号EAB(T，T0)，规定写在前面的A、T分别为正极和高温，写 在后面的B、T0分别为负极和低温。如果它们的前后位置倒换，则热 电势极性相反，即EAB(T，T0)=-EAB(T0，T)等。实验判别热电势极性 的方法是将热端稍加热，在冷端用直流电表辨别。
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浙江机电职业技术学院电气电子工程分院
部分特殊热电偶的补充说明
a．铁-康铜热电偶，测温上限为700℃(长期)，热电势与温度的线性 关系好，灵敏度高(E铁-慷铜(100，0)=5.268mV)，但铁极易生锈。 b．高温热电偶：钨铼系热电偶，测温上限可达2450℃；钛铑系热 电偶可测到2100℃左右。 C．低温热电偶：铜-铜锡0.005热电偶可测-271～-243℃的低温； 镍铬-铁金0.03热电偶在-269～0℃之间有13.7～20µV／℃的灵敏度。
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冷端温度自动补偿法——电桥补偿法
原理：利用电桥在温度变化时的不平衡输出电压(补偿电压)去自动补偿冷 端温度变化时对热电偶热电势的影响，即使Uab(T0)=EAB(T0，0)，如下图 所示。这种装置称为冷端温度补偿器。
浙江机电职业技术学院电气电子工程分院
图中Rl、R2、R3、Rw为锰铜电阻，阻值几乎不随温度变化，RCu为铜电阻， 电阻值随温度升高而增大。设计时使T0=0℃时，R1=R2=R3=RCu，电桥 处于平衡状态，电桥输出Uab=0，对热电偶电势无影响。T0≠o℃时(设 T0>O)，RCu增大，使电桥不平衡，出现Uab>0，若 Uab=Uab(T0)=EAB(T0,0)，则热电偶的热电势得到自动补偿。
冷端温度修正法
a．热电势修正法利用中间温度定律 EAB(T，0)=EAB(T，Tn)+EAB(Tn，0)
式中，Tn一般是热电偶测温时的环境温度；EAB(T，Tn)是实测热电势； EAB(Tn，0)是冷
端修正值。 例2-2 铂铑10-铂热电偶测温，参考冷端温度为室温2l℃，测得
EAB(T，21)=0.465mV 查分度表，EAB(21，0)=0.119mV，则 EAB(T，0)=0.465+0.119=0.584mV，反查分度表 T=92℃。
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2-4.3热电偶的种类
作为实用测温元件的热电偶，对其热电极材料的基 本要求如下。
a．热电势足够大，测温范围宽、线性好； b．热电特性稳定； c．理化性能稳定，不易氧化、变形和腐蚀； d．电阻温度系数和电阻率要小； e．易加工、复制性好； f．价格低廉。
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热电偶的工作原理
➢ 如果热电偶两电极材料相同，两接点温度不同，不会产生热电势；如
果两电极材料不同，但两接点温度相同(T=T0)，也不会产生热电势。所
以，热电偶工作产生热电势的基本条件：两电极材料不同，两接点温度
不同。
➢ 热电势大小与热电极的几何形状和尺寸无关。
➢ 当两热电极材料不同，且A、B固定，热电势EAB(T，T0)便为两接点温
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2-4.2热电偶的基本定律
1.均质导体定律 两种均质金属组成的热电偶，其热电势
大小与热电极直径、长度及沿热电极长度上的温度分布无关， 只与热电极材料和两端温度差有关。
如果热电极材质不均匀，则当热电极上各处温度不同时， 将产生附加热电势，造成无法估计的测量误差。因此，热电 极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要指标之一。
教授／教授级高级工程师
浙江机电职业技术学院电气电子工程分院
过程检测与控制技术应用
书名：过程检测与控 制技术应用
书号：978-7111-50882-3
作者：金文兵 出版社：机械工业出
版社
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§2-4、热电偶温度计
热电偶是将温度量转换为电势的热电式传感 器。自19世纪发现热电效应以来，热电偶便 被广泛用来测量100～1300℃范围内的温 度，根据需要还可以用来测量更高或更低的 温度。它具有结构简单、使用方便、精度高、 热惯性小，可测局部温度和便于远距离传送、 集中检测、自动记录等优点。
保护管为金属材料，用附加套管将热电偶焊接在设备
上，适用场合同锥形固定螺纹
活动法兰 保护管为金属材料，活动法兰可以使插入深度能根据
角
需要变化
型
适用于无法从侧面开孔以及顶上辐射热很高的设备上
测温
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铠装热电偶测量端的常用结构形式
浙江机电职业技术学院电气电子工程分院
铠装热电偶常用安装固定形式
若直接用0.465mV查表，则T=75℃。 也不能将75℃+21℃=96℃作为实际温度。
浙江机电职业技术学院电气电子工程分院
冷端温度修正法
温度修正法 由实测热电势EAB(T，Tn)查分度表，得T＇。 真实温度为 Ｔ＝T＇+ kTn (3—101)
式中，k为热电偶修正系数，取决于热电偶种类和被测温度 范围，，如表3—7所示。
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隔爆热电偶接线盒结构
浙江机电职业技术学院电气电子工程分院
接线盒的结构特点及用途
形式
结构特点
用途
普
保证有良好的电接触性能，结构简单，接线方 用于环境条件良好，无
通
便
腐蚀性气氛
型
防 能承受降雨量为5mm/s与水平成45O 的人工雨， 适用于雨水和水滴能经
溅 历时5min(同时保护管绕纵轴旋转)不得有水渗 常溅到的现场
浙江机电职业技术学院电气电子工程分院
热电偶的冷端补偿及处理
冷端处理的延长导线法和0。C恒温法
浙江机电职业技术学院电气电子工程分院
对于廉价金属热电极，延伸线可用热电极本身材料；对于贵重 金属热电极则采用热电特性相近的材料(补偿导线)代替
浙江机电职业技术学院电气电子工程分院
浙江机电职业技术学院电气电子工程分院
形
适用于常压、插入深度经常需要变化的设备上
固定法兰
保护管为金属材料，带固定法兰 适用于压力为3.8MPa以下的设备上测温
固定螺纹
保护管为金属材料，带固定螺纹 适用于压力为6.3MPa以下的设备上测温
固定螺纹 保护管为金属材料，带固定螺纹的锥形高强度结构，
锥 型
焊接
适用于压力为19.6MPa以下,液体、气体或蒸汽流速为 80m/s以下的设备上测温
浙江机电职业技术学院电气电子工程分院
2-4.1 热电偶的工作原理—热电效应
1823年塞贝克(Seebeck)发现，将两种不同的导体(金属或合金)A和B 组成一个闭合回路(称为热电偶)，若两接触点温度(T，To)不同，则回 路中有一定大小电流，表明回路中有电势产生，该现象称为热电动势 效应或塞贝克效应，通常称为热电效应。T与To的温差愈大，热电偶 的热电势愈大，因此，可以用热电势的大小衡量温度的高低。
浙江机电职业技术学院电气电子工程分院
热电偶的基本定律
2.中间导体定律 热电偶回路断开接入第三种导体C，若导体C两端温 度相同，则回路热电势不变，这为热电势的测量(接入测量仪表，即 第三导体)奠定了理论基础 （证明） 3.标准(参考)电极定律 如果两种导体(A、B)分别与第三种导体C组合 成热电偶的热电势已知，则由这两种导体(A、B)组成的热电偶的热电 势也就已知，这就是标准电极定律或参考电极定律。即
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非标准热电偶材料及特点
浙江机电职业技术学院电气电子工程分院
2-4.4 热电偶的结构
热电偶电极的绝缘方法
浙江机电职业技术学院电气电子工程分院
普通型热电偶结构
1-出线孔密封圈；2-出线孔螺母；3-链条；4-面盖；5-接线柱；6-密封圈； 7-接线盒；8-接线座；9-保护套管；10-绝缘子；11-热电偶
EAB(T，T0)=EAC(T，T0)-EBC(T，T0)
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例2-1 E铜-铂(100,0)=0.76mV E康铜-铂(100,0)=3.5mV 则
E铜一康铜(100，0)=0.76-(3.5)=4.26mV
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热电偶的基本定律
4.中间温度定律 热电偶在接点温度为T、T0时的热 电势等于该热电偶在接点温度为
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铠装热电偶的接线盒结构形式
名称
简易 式
手柄 式
防水 式
示意图
名称
小接线 盒式
防溅式
示意图
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2-4.5 热电偶的冷端补偿及处理
热电偶的热电势是两接点之间相对温差ΔT=T-T0的函数，只有 T0固定，热电势才是T的单值函数；热电偶标准分度表是以 T0=0℃为参考温度条件下测试制定的，只有T0=0℃，才能直 接应用分度表或分度曲线。在工程测试中，冷端温度随环境 温度的变化而变化，若T0≠0℃，将引入测量误差，因此必须 对冷端进行补偿和处理。
示意图
常见装配式热电偶结构形式
保护管 形式
固定装置形 式
特点及用途
无固定装置 保护管材料为金属和非金属两种，适用于常压、温度 测量点经常移动或临时需要进行测温的设备上
带加固管的 保护管的插入部分为非金属材料，不插入部分加装金 无固定装置 属加固管，适用场合同直形无固定装置
示意图
直 活动法兰 保护管为金属源自文库料，带活动法兰
T、Tn和Tn、T0时相应热电势的代数和，即 EAB(T，T0)=EAB(T，Tn)+EAB(Tn，T0)
若T0=0℃，则有 EAB(T，0)=EAB(T，Tn)+EAB(Tn，0) 式中，Tn为中间温度，T0<Tn<T。
浙江机电职业技术学院电气电子工程分院
根据标准电极定律，可以方便地选取一种或几种热电极作为标 准(参考)电极，确定各种材料的热电特性，从而大大简化热电 偶的选配工作。一般选取纯度高的铂丝(R100／R0≥1.3920)作 为标准电极，确定出其他各种电极对铂电极的热电特性，便可 知这些电极相互组 成热电偶的热电势大小。
例如前例： 实测 EAB(T，Tn)=0.465mv 查分度表T＇＝75℃； 查修正系数表，此时该热电偶的k＝0.82，Tn＝21℃，则 实际温度 T＝75+0.82×21＝92.2℃ 与前面结果基本一致。这种修正方法在工程上应用较为广泛。
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表2-6 几种常用热电偶k值表
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铠装热电偶工作端结构
浙江机电职业技术学院电气电子工程分院
薄膜热电偶
用真空镀膜的方法，将热电极材料沉积在绝缘基板上而制成的热电偶称 为薄膜热电偶。由于热电极是一层金属薄膜，其厚度约为0.01～0.1µm， 所以测量端的热惯性很小，反应快，可以用来测量瞬变的表面温度和微 小面积上的温度。使用温度范围为-200~+500℃时，热电极采用的材料 有铜-康铜、镍铬-考铜、镍铬-镍硅等，绝缘基板材料用云母，它们适用 于各种表面温度测量以及汽轮机叶片等温度测量。当使用温度范围为 500～1800℃时，热电极材料用镍铬-镍硅、铂铑-铂等，绝缘基片材料 采用陶瓷，它们常用于火箭、飞机喷嘴的温度测量，以及钢锭、轧辊等 表面温度测量等
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热电偶的工作原理
回路中的电势称为热电势或塞贝克电势，用EAB(T，T0)或 EAB(t，to)表示。两种不同的导体A和B称为热电极，测量温 度时，两个热电极的一个接点置于被测温度场(T)中，称该点 为测量端，也叫工作端或热端；另一个接点置于某一恒定温度 (To)的地方，称为参考端或自由端、冷端。