热电偶和热电阻的原理Word文档格式.docx
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非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶,一般也没有统一的分度表,主要用于某些特殊场合的测量。
标准化热电偶
我国从1988年1月1日起,热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产,并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。
(2)热电偶的结构形式
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。
5安装尺寸应该尽量选用公制[中国标准]如螺纹:
12X1.5,16X1.5,20X1.5,27X2,33X2mm.法兰直径95、105、115mm.
3、热电偶冷端的温度补偿由于热电偶的材料一般都比较贵重(特别是采用贵
金属时),而测温点到仪表的距离都很远,为了节省热
电偶材料,降低成本,通常采用补偿导线把热电偶的冷
端(自由端)延伸到温度比较稳定的控制室内,连接到
仪表端子上。
必须指出,热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极,使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上,它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响,不起补偿作用。
因此,还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t0≠0℃时对测温的影响。
一般显示、控制仪表都有温度自动补偿系统,不需要担心。
仪表在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配,极性不能接错,补偿导线与热电偶连接端的温度一般不超过100℃,这里需要特别说明一下:
网络上很多转载的技术资料都讲:
补偿导线与热电偶连接端的温度一般不超过100℃,其实,这个说法是错误的!
特殊工况下,可以选用热电偶延长线,即导线材质和热电偶电极材质
一致的导线连接,比如:
KX镍铬-镍硅补偿导线;
EX镍铬-康铜补偿导线;
JX铁-康铜补偿导线;
TX铜-铜镍补偿导线都存不在这个问题,根据热电偶的中间导体定律,这种补偿导线温度不受限制。
还有一些热电偶比如:
B分度的铂铑30-铂铑6,这种热电偶没有补偿导线,在400度以下不计精度用普通双芯铜线即可。
佛山市神港自动化有限公司发布
热电偶的工作原理
需知常识
2009-08-2210:
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热电偶的工作原理(热电偶原理)
什么叫热电偶?
这就要从热电偶测温原理说起,热电偶是一种感温元件,是一次仪表,它直接测量温度,并把温度信号转换成热电动势信号,通过电气仪表(二次仪表)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材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过,此时两端之间就存在Seebeck电动势——热电动势,这就是所谓的塞贝克效应。
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℃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。
B:
热电偶工作原理:
两种不同成份的导体(称为热电偶丝材或热电极)两端接合成回路,当接合点的温度不同时,在回路中就会产生电动势,这种现象称为热电效应,而这种电动势称为热电势。
热电偶就是利用这种原理进行温度测量的,其中,直接用作测量介质温度的一端叫做工作端(也称为测量端),另一端叫做冷端(也称为补偿端);
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。
常用的热电偶材料有:
热电偶分度号热电极材料
正极负极S铂铑10纯铂R铂铑13纯铂B铂铑30铂铑6K镍铬镍硅T纯铜铜镍J铁铜镍N镍铬硅镍硅E镍铬铜镍
1821年,德国物理学家塞贝克发现,在两种不同的金属所组成的闭合回路中,当两接触处的温度不同时,回路中会产生一个电势,这就是热电效应,也称作“塞贝克效应(Seebeckeffect)”。
ThomasJohannSeebeck(1780~1831)
[发现者]托马斯·
约翰·
塞贝克(也有译做“西伯克”)1770年生于塔林(当时隶属于东普鲁士,现为爱沙尼亚首都)。
塞贝克的父亲是一个具有瑞典血统的德国人,也许正因为如此,他鼓励儿子在他曾经学习过的柏林大学和哥廷根大学学习医学。
1802年,塞贝克获得医学学位。
由于他所选择的方向是实验医学中的物理学,而且一生中多半时间从事物理学方面的教育和研究工作,所以人们通常认为他是一个物理学家。
毕业后,塞贝克进入耶拿大学,在那里结识了歌德。
德国浪漫主义运动以及歌德反对牛顿关与光与色的理论的思想,使塞贝克深受影响,此后长期与歌德一起从事光色效应方面的理论研究。
塞贝克的研究重点是太阳光谱,他在1806年揭示了热量和化学对太阳光谱中不同颜色的影响,1808年首次获得了氨与氧化汞的化合物。
1812年,正当塞贝克从事应力玻璃中的光偏振现象时,他却不晓得另外两个科学家布鲁斯特和比奥已经抢先在这一领域里有了发现。
1818年前后,塞贝克返回柏林大学,独立开展研究活动,主要内容是电流通过导体时对钢铁的磁化。
当时,阿雷格(Arago)和大卫(Davy)才发现电流对钢铁的磁化效应,贝塞克对不同金属进行了大量的实验,发现了磁化的炽热的铁的不规则反应,也就是我们现在所说的磁滞现象。
在此期间,塞贝克还曾研究过光致发光、太阳光谱不同波段的热效应、化学效应、偏振,以及电流的磁特性等等。
1820年代初期,塞贝克通过实验方法研究了电流与热的关系。
1821年,塞贝克将两种不同的金属导线连接在一起,构成一个电流回路。
他将两条导线首尾相连形成一个结点,他突然发现,如果把其中的一个结加热到很高的温度而另一个结保持低温的话,电路周围存在磁场。
他实在不敢相信,热量施加于两种金属构成的一个结时会有电流产生,这只能用热磁电流或热磁现象来解释他的发现。
在接下来的两年里时间(18222~1823),塞贝克将他的持续观察报告给普鲁士科学学会,把这一发现描述为“温差导致的金属磁化”。
赛贝壳的实验仪器,加热其中一端时,指针转动,说明导线产生了磁场
塞贝克确实已经发现了热电效应,但他却做出了错误的解释:
导线周围产生磁场的原因,是温度梯度导致金属在一定方向上被磁化,而非形成了电流。
科学学会认为,这种现象是因为温度梯度导致了电流,继而在导线周围产生了磁场。
对于这样的解释,塞贝克十分恼火,他反驳说,科学家们的眼睛让奥斯特(电磁学的先驱)的经验给蒙住了,所以他们只会用“磁场由电流产生”的理论去解释,而想不到还有别的解释。
但是,塞贝克自己却难以解释这样一个事实:
如果将电路切断,温度梯度并未在导线周围产生磁场。
所以,多数人都认可热电效应的观点,后来也就这样被确定下来了。
(来自:
以色列·
希伯莱大学网站,陈忠民译)
[应用]热电效应发现后的1830年,人们就为它找到了应用场所。
利用热电效应,可制成温差电偶(thermocouple,即热电偶)来测量温度。
只要选用适当的金属作热电偶材料,就可轻易测量到从-180℃到+2000℃的温度,如此宽泛的测量范围,令酒精或水银温度计望尘莫及。
现在,通过采用铂和铂合金制作的热电偶温度计,甚至可以测量高达+2800℃的温度!
热电偶的两种不同金属线焊接在一起后形成两个结点,如图(a)所示,环路电压VOUT为热结点结电压与冷结点(参考结点)结电压之差。
因为VH和VC是由两个结的温度差产生的,也就是说VOUT是温差的函数。
比例因数α对应于电压差与温差之比,称为Seebeck系数。
热电偶测温原理
图(b)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)和两个额外的结点。
本例中,每个开路结点与铜线电气连接,这些连线为系统增加了两个额外结点,只要这两个结点温度相同,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仍然是热结点与冷结点温差的函数,与Seebeck系数有关。
然而,由于热电偶测量的是温度差,为了确定热结点的实际温度,冷结点温度必须是已知的。
冷结点温度为0℃(冰点)时是一种最简单的情况,如果TC=0℃,则VOUT=VH。
这种情况下,热结点测量电压是结点温度的直接转换值。
不过,在实际应用中这是难以实现的。
为此,美国国家标准局(NBS)提供了各种类型热电偶的电压特征数据与温度对应关系的查找表,所有数据均基于0℃冷结点温度。
利用冰点作为参考点,通过查找适当表格中的VH可以确定热结点温度。
热电阻工作原理
热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。
它的主要特点是测量精度高,性能稳定。
其中铂热是阻的测量精确度是最高的,它不仅广泛应用于工业测温,而且被制成标准的基准仪。
与热电偶的测温原理不同的是,热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的,即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。
因此,只要测量出感温热电阻的阻值变化,就可以测量出温度。
目前主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。
金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示,即
Rt=Rt0[1+α(t-t0)]
式中,Rt为温度t时的阻值;
Rt0为温度t0(通常t0=0℃)时对应电阻值;
α为温度系数。
半导体热敏电阻的阻值和温度关系为
Rt=AeB/t
式中Rt为温度为t时的阻值;
A、B取决于半导体材料的结构的常数。
相比较而言,热敏电阻的温度系数更大,常温下的电阻值更高(通常在数千欧以上),但互换性较差,非线性严重,测温范围只有-50~300℃左右,大量用于家电和汽车用温度检测和控制。
金属热电阻一般适用于-200~500℃范围内的温度测量,其特点是测量准确、稳定性好、性能可靠,在程控制中的应用极其广泛。
热电阻材料
热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。
热电阻大都由纯金属材料制成,目前应用最多的是铂和铜,此外,现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。
热电阻种类
(1)精密型热电阻:
工业常用热电阻感温元件(电阻体)的结构及特点。
从热电阻的测温原理可知,被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来测量的,因此,热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。
为消除引线电阻的影响同般采用三线制或四线制。
(2)铠装热电阻:
铠装热电阻是由感温元件(电阻体)、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体,它的外径一般为φ2~φ8mm,最小可达φmm。
与普通型热电阻相比,它有下列优点:
①体积小,内部无空气隙,热惯性上,测量滞后小;
②机械性能好、耐振,抗冲击;
③能弯曲,便于安装;
④使用寿命长。
(3)端面热电阻:
端面热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制,紧贴在温度计端面。
它与一般轴向热电阻相比,能更正确和快速地反映被测端面的实际温度,适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。
(4)隔爆型热电阻:
隔爆型热电阻通过特殊结构的接线盒,把其外壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内,生产现场不会引超爆炸。
隔爆型热电阻可用于Bla~B3c级区内具有爆炸危险场所的温度测量。
工业上常用金属热电阻
从电阻随温度的变化来看,大部分金属导体都有这个性质,但并不是都能用作测温热电阻,作为热电阻的金属材料一般要求:
尽可能大而且稳定的温度系数、电阻率要大(在同样灵敏度下减小传感器的尺寸)、在使用的温度范围内具有稳定的化学物理性能、材料的复制性好、电阻值随温度变化要有间值函数关系(最好呈线性关系)。
目前应用最广泛的热电阻材料是铂和铜:
铂电阻精度高,适用于中性和氧化性介质,稳定性好,具有一定的非线性,温度越高电阻变化率越小;
铜电阻在测温范围内电阻值和温度呈线性关系,温度线数大,适用于无腐蚀介质,超过150易被氧化。
中国最常用的有R0=10Ω、R0=100Ω和R0=1000Ω等几种,它们的分度号分别为Pt10、Pt100、Pt1000;
铜电阻有R0=50Ω和R0=100Ω两种,它们的分度号为Cu50和Cu100。
其中Pt100和Cu50的应用最为广泛。
热电阻的信号连接方式
热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件,通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它一次仪表上。
工业用热电阻安装在生产现场,与控制室之间存在一定的距离,因此热电阻的引线对测量结果会有较大的影响。
目前热电阻的引线主要有三种方式
○1二线制:
在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制:
这种引线方法很简单,但由于连接导线必然存在引线电阻r,r大小与导线的材质和长度的因素有关,因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合
○2三线制:
在热电阻的根部的一端连接一根引线,另一端连接两根引线的方式称为三线制,这种方式通常与电桥配套使用,可以较好的消除引线电阻的影响,是工业过程控制中的最常用的引线电阻。
○3四线制:
在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制,其中两根引线为热电阻提供恒定电流I,把R转换成电压信号U,再通过另两根引线把U引至二次仪表。
可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影响,主要用于高精度的温度检测。
热电阻采用三线制接法。
采用三线制是为了消除连接导线电阻引起的测量误差。
这是因为测量热电阻的电路一般是不平衡电桥。
热电阻作为电桥的一个桥臂电阻,其连接导线(从热电阻到中控室)也成为桥臂电阻的一部分,这一部分电阻是未知的且随环境温度变化,造成测量误差。
采用三线制,将导线一根接到电桥的电源端,其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上,这样消除了导线线路电阻带来的测量误差。
工业上一般都采用三线制接法。
热电偶产生的是毫伏信号,不存在这个问题。
热电阻测温系统的组成
(1)热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线和显示仪表等组成。
必须注意以下两点:
①热电阻和显示仪表的分度号必须一致
②为了消除连接导线电阻变化的影响,必须采用三线制接法。
具体内容参见本篇第三章。
(2)铠装热电阻铠装热电阻是由感温元件(电阻体)、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体,它的外径一般为φ2~φ8mm,最小可达φmm。
①体积小,内部无空气隙,热惯性上,测量滞后小;
②机械性能好、耐振,抗冲击;
③能弯曲,便于安装
④使用寿命长。
(3)端面热电阻端面热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制,紧贴在温度计端面。
(4)隔爆型热电阻隔爆型热电阻通过特殊结构的接线盒,把其外壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影电阻体的断路修理必然要改变电阻丝的长短而影响电阻值,为此更换新的电阻体为好,若采用焊接修理,焊后要校验合格后才能使用。
热电偶和热电阻的区别
热电偶与热电阻均属于温度测量中的接触式测温,尽管其作用相同都是测量物体的温度,但是他们的原理与特点却不尽相同.
首先,介绍一下热电偶,热电偶是温度测量中应用最广泛的温度器件,他的主要特点就是测吻范围宽,性能比较稳定,同时结构简单,动态响应好,更能够远传4-20mA电信号,便于自动控制和集中控制。
热电偶的测温原理是基于热电效应。
将两种不同的导体或半导体连接成闭合回路,当两个接点处的温度不同时,回路中将产生热电势,这种现象称为热电效应,又称为塞贝克效应。
闭合回路中产生的热电势有两种电势组成;
温差电势和接触电势。
温差电势是指同一导体的两端因温度不同而产生的电势,不同的导体具有不同的电子密度,所以他们产生的电势也不相同,而接触电势顾名思义就是指两种不同的导体相接触时,因为他们的电子密度不同所以产生一定的电子扩散,当他们达到一定的平衡后所形成的电势,接触电势的大小取决于两种不同导体的材料性质以及他们接触点的温度。
目前国际上应用的热电偶具有一个标准规范,国际上规定热电偶分为八个不同的分度,分别为B,R,S,K,N,E,J和T,其测量温度的最低可测零下270摄氏度,最高可达1800摄氏度,其中B,R,S属于铂系列的热电偶,由于铂属于贵重金属,所以他们又被称为贵金属热电偶而剩下的几个则称为廉价金属热电偶。
热电偶的结构有两种,普通型和铠装型。
普通性热电偶一般由热电极,绝缘管,保护套管和接线盒等部分组成,而铠装型热电偶则是将热电偶丝,绝缘材料和金属保护套管三者组合装配后,经过拉伸加工而成的一种坚实的组合体。
但是热电偶的电信号却需要一种特殊的导线来进行传递,这种导线我们称为补偿导线。
不同的热电偶需要不同的补偿导线,其主要作用就是与热电偶连接,使热电偶的参比端远离电源,从而使参比端温度稳定。
补偿导线又分为补偿型和延长型两种,延长导线的化学成分与被补偿的热电偶相同,但是实际中,延长型的导线也并不是用和热电偶相同材质的金属,一般采用和热电偶具有相同电子密度的导线代替。
补偿导线的与热电偶的连线一般都是很明了,热电偶的正极连接补偿导线的红色线,而负极则连接剩下的颜色。
一般的补偿导线的材质大部分都采用铜镍合金。
其次我们介绍一下热电阻,热电阻虽然在工业中应用也比较广泛,但是由于他的测温范围使他的应用受到了一定的限制,热电阻的测温原理是基于导体或半导体的电阻值随着温度的变化而变化的特性。
其优点也很多,也可以远传电信号,灵敏度高,稳定性强,互换性以及准确性都比较好,但是需要电源激励,不能够瞬时测量温度的变化。
工业用热电阻一般采用Pt100,Pt10,Cu50,Cu100,铂热电阻的测温的范围一般为零下200-800摄氏度,铜热电阻为零下40到140摄氏度。
热电阻和热电偶一样的区分类型,但是他却不需要补偿导线,而且比热点偶便宜。
热电阻接线原理
热电阻(如Pt100)是利用其电阻值随温度的变化而变化这一原理制成的将温度量转换成电阻量的温度传感器。
温度变送器、温控表、PLC模板等测温设备通过给热电阻施加一已知激励电流测量其两端电压的方法得到电阻值(电压/电流),再将电阻值转换成温度值,从而实现温度测量。
测温设备一般都有四个输入接线端子,I+、I-、V+、V-。
其中I+、I-向热电阻提供恒定电流,V+、V-用来检测热电阻的电压变化,并依此来检测温度变化。
热电阻和测温设备之间有三种接线方式:
二线制、三线制、四线制。
其中二线制是检测设备端I-\\V-、I+\\V+分别短接,与热电阻两端二线连接;
三线制是检测设备端I-\\V-分别短接,与热电阻两端三线连接;
四线制是检测设备端与热电阻两端四线连接。
连接图示意如下:
二线制
如图1。
变送器通过导线L1、L2给热电阻施加激励电流I,测得电势V1、V2。
计算得Rt:
由于连接导线的电阻RL1、RL2无法测得而被计入到热电阻的电阻值中,使测量结果产生附加误差。
如在100℃时Pt100热电阻的热电阻率为0.379Ω/℃,这时若导线的电阻值为2Ω,则会引起的测量误差为5.3℃。
三线制
是实际应用中最常见的接法。
如图2,增加一根导线用以补偿连接导线的电阻引起的测量误差。
三线制要求三根导线的材质、线径、长度一致且工作温度相同,使三根导线的电阻值相同,即RL1=RL2=RL3。
通过导线L1、L2给热电阻施加激励电流I,测得电势V1、V2、V3。
导线L3接入高输入阻抗电路,IL3=0。
热电阻的阻值Rt:
由此可得三线制接法可补偿连接导线的电阻引起的测量误差。
四线制
是热电阻测温理想的接线方式。
如图3,通过导线L1、L2给热电阻施加激励电流I,测得电势V3、V4。
导线L3、L4接入高输入阻抗电路,IL3=0,IL4=0,因此V4-V3等于热电阻两端电压。
热电阻的电阻值:
由此可得,四线制测量方式不受连接导线的电阻的影响。
热电阻的原理及种类
2009-4-2810:
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热电阻的原理及种类
1、热电阻测温原理及材料
2、热电阻的类型
1)普通型热电阻
从热电阻的测温原理可知,被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来测量的,因此,热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。
2)铠装热电阻
铠装热电阻是由感温元件(电阻体)、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体,它的外径一般为φ2--φ8mm,最小可达φmm。
与普通型热电阻相比,它有下列优点:
③能弯曲,便于安装④使用寿命长。
3)端面热电阻
端面热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制,紧贴在温度计端面。
它与一般轴向热电阻相比,能更正确和快速地反映被测端面的实际温度,适用于测量轴瓦和其他
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