热电偶测温线原理

　　热电偶的测温原理

　　摘要：通过对金属的接触电动势和温差电动势来进行简化的数学推导，从根源来阐述热电偶的工作原理，并通过实验来简化。从而系统地解释了热电偶的输入量（温度）和输出量（电流，电压）的线性关系。以及热电偶的选型要求，和材料性能。

　　关键词：热电效应、电动势、选型、材料；

　　0 引言

　　温度测量是通过某些测温物质的各种物理性能变化，例如固体的 尺寸,密度,硬度

　　粘度,电导率,热辐射等的变化来判断被测物体的温度。在许多测量方法中，热电偶测温的应用为最广泛之一。 主要优点： ①接触式测温，准确度较高；②结构简单，体积小，安装方便；③测量范围广：-150oC----1600oC，采用特殊材料时可达2800oC。④热容量小，响应速度快，热电极不受形状限制

　　1 热电偶传感器的工作原理

　　1.1 热电效应

　　如图1所示，由两种导体A,B 构成一个闭合回路，使两端结点处于不同温度下。回路中便产生热电势和电流。这种物理现象称为热电效应。

　　图 1

　　定义：导体A，B为热电极； 测温结点处在T温度场下为测量端，或工作端，热端。 结点处在To温度场下为参考端，或自由端，冷端。 1.2 热电偶中的电势

　　1.2.1接触电势（伯尔帖电势）

　　互相接触的两种金属导体内部因自由电子密度不同，当接触时两种导体

　　在接触界面上会发生电子扩散。电子扩散的速率与自由电子的密度及金属所

　　处的温度呈正比。假定,金属A的自由电子的密度为NA,金属B的自由电子的密度为NB. 自由电子的密度大的向自由电子的密度小的方向扩散。 失去电子一方带正电，得到电子一方带负电。

　　这种扩散运动逐渐在界面上建立电势，类似于势垒，它又阻碍自由电子进一步扩散，产生了一个动态平衡。

　　图 2

　　接触电势的关系式：

　　图 3

　　K:波尔兹曼常数 J/K

　　T:接触界面处的温度

　　e:电子电荷量 C NA,NB分别为金属A,B的自由电子密度.

　　对于To结点有:

　　回路总接触电势:

　　?当T=To,或A，B导体同质材料时，则回路总接触电势为零。 1.2.2 温差效应.(汤姆逊电势)

　　在一根匀质的金属导体,若两端的温度不同,则在导体的内部也会产生电势,称温差效应。温差电势的形成是由于温度高的一端自由电子的动能大于温度低的一端自由电子的动能。高温端自由电子必然向低温端方向迁移。同样地,高温端失去自由电子带正电，低温端得到电子带负电,内部形成电势。这种迁移也回达到动态平衡也会达到动态平衡。

　　图 4

　　温差电势的表达式:

　　温差电势（汤姆逊电势） （如图5）

　　eA(T,T0)?dT

　　T0

　　图 5

　　T

　　δ——汤姆逊系数，它表示温度为1℃时所产生的电动势值， 它与材料的性质有关。

　　同样B端

　　eB(T,T0)?dT

　　T0

　　T

　　回路总温差电势: （如图6）

　　图 6

　　A0B0

　　e(T,T)?e（T,T)(?AB)dt

　　T0

　　T

　　显然,当T=To,或A,B导体同质材料时，则回路总温差电势为零。

　　热电偶的总电势: （图7）

　　图 7

　　实验和理论均以证明：

　　由于温差电势比接触电势小热电偶回路的热电动势主要是由接触电势引起的。

　　所以回路总电势为：

　　如上式所示，热电偶回路总电动势与两点接点温度与两种导体的电子密度有关。当热电偶导体材质确定之后，把冷端温度固定起来，那么热电偶回路总电动势仅同热端温度构成单值函数了。

　　EAB(T,T0)?f(T)

　　因此就可以用测量到的热电势E来得到对应的温度值T，热电偶热电势的大小，只是与导体A和B的材料有关,与冷热端的温度有关，与导体的粗细长短及两导体接触面积无关 。

　　2 热电偶的基本定律

　　2.1 均匀回路定律

　　由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。热电偶必须采用两种不同材料的导体组成，热电偶的热电势仅与两接点的温度有关，而与沿热电极的温度分布无关。

　　如果热电偶的热电极是非匀质导体，在不均匀温度场中测温时将造成测量误差。所以热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要技术指标之一。

　　2.2 中间导体定律

　　在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。（图 8）

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　　>图 8

　　利用热电偶来实际测温时，连接导线、显示仪表和接插件等均可看成是中间导体，只要保证中间导体两端的温度相同，则对热电偶的热电动势没有影响。

　　2.3 中间温度定律

　　当热电偶两个接点的温度分别为T和T0时，所产生的热电势等于该热电偶两接点温度为T、Tn和Tn、T0时所产生的热电势之代数和，即

　　:

　　EAB(T,T0)?EAB(T,Tn)?EAB(Tn,T0)

　　图 9

　　2.4 标准电极定律

　　已知两个导体A、B分别与另一导体C组成的热电偶的热电势已知 ，则在相同接点温度(T,T0)下，由A、B电极组成的热电偶的热电势 EAB(T,T0)为:

　　EAB(T,T0)?EAC(T,T0)?ECB(T,T0)

　　图 10

　　由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极。

　　3 热电偶的选型与材料

　　常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。

　　⑴标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。

　　⑵非标准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。 3．1热电偶的选型

　　选择热电偶要根据使用温度范围、所需精度、使用气氛、测定对象的性能、响应时间和经济效益等综合考虑。

　　1 测量精度和温度测量范围的选择

　　使用温度在1300~1800℃，要求精度又比较高时，一般选用B型热电偶；要求精度不高，气氛又允许可用钨铼热电偶，高于1800℃一般选用钨铼热电偶；使用温度在1000~1300℃要求精度又比较高可用S型热电偶和N型热电偶；在1000℃以下一般用K型热电偶和N型热电偶，低于400℃一般用E型热电偶；250℃下以及负温测量一般用T型电偶，在低温时T型热电偶稳定而且精度高。 2 使用气氛的选择

　　S型、B型、K型热电偶适合于强的氧化和弱的还原气氛中使用，J型和T型热电偶适合于弱氧化和还原气氛，若使用气密性比较好的保护管，对气氛的要求就不太严格。 3 耐久性及热响应性的选择

　　线径大的热电偶耐久性好，但响应较慢一些，对于热容量大的热电偶，响应就慢，测量梯度大的温度时，在温度控制的情况下，控温就差。要求响应时间快又要求有一定的耐久性，选择铠装偶比较合适。 4 测量对象的性质和状态对热电偶的选择

　　运动物体、振动物体、高压容器的测温要求机械强度高，有化学污染的气氛要求有保护管，有电气干扰的情况下要求绝缘比较高。 5 注意事项

　　◆热电偶公称压力：一般是指在工作温度下保护管所能承受的静态外压而破裂。

　　◆热电偶最小插入深度：应不小于其保护套管外径的8－10倍（特列产品例外）

　　◆绝缘电阻：当周围空气温度为15－35℃，相对湿度

　　◆高温下的绝缘电阻：热电偶在高温下，其热电极（包括双支式）与保护管以及双支热电极之间的绝缘电阻（按每米计）应大于下表规定的值。

　　6 选型流程：

　　型号--分度号—防爆等级—精度等级—安装固定形式—保护管材质—长度或插入深度一般热电偶型号为：WR□□-□□□下面是每个字母代表的意思：

　　W----温度仪表 R----热电偶

　　□----热电偶材料（R--铂铑30-铂铑6、P--铂铑10-铂、N--镍铬-镍硅、E--镍铬-铜镍（镍铬-康铜）、C--铜-铜镍、F--铁-铜镍、M--镍铬硅-镍硅

　　□----支数（空位为单支，2为双支式）

　　□----安装固定形式（1、无固定装置式。2、固定螺纹式。3、活动法兰式。4、固定法兰式。、5、活动法兰角尺式。6、固定螺纹锥形保护管式

　　□----接线装置（0、铠装保护帽带引线。1、接线板。2、防溅接线盒。3、防水接线盒。4、防爆接线盒。5、防喷接线盒。6、圆接插件。7、扁接插件 8、显示防爆接线盒。9、铠装手柄带线及插头。R、保护帽带金属软管。Z、简易接线柱。F、防腐接线盒

　　□----直径序号（0、Φ16mm保护管。1、Φ25mm保护管（双层套管）或为Φ12mm不锈钢管。2、Φ16mm高铝质管（单层套管）。3、Φ20mm高铝质保护管。4、Φ16mm刚玉管。5、Φ25mm刚玉管（双层套管） 3.2 热电偶的材料

　　适于制作热电偶的材料有300多种，其中广泛应用的有40～50种。常用8种标准化热电偶为：

　　表 一

　　? 铂铑10—铂热电偶：性能稳定，准确度高，可用于基准和标准热电偶。热电势较低，价格昂贵，不能用于金属蒸汽和还原性气体中；

　　? 铂铑30—铂铑6热电偶：较铂铑10—铂热电偶更具较高的稳定性和机械强度，最高测量温度可达1800℃，室 温下热电势较低，可作标准热电偶，一般情况下，不需要进行补偿和修正处理。由于其热电势较低，需要采用高灵敏度和高精度的仪表；

　　? 镍铬—镍硅或镍铬—镍铝热电偶：热电势较高，热电特性具有较好线性，良好的化学稳定性，具有较强的抗氧化性和抗腐蚀性。稳定性稍差，测量精度不高。

　　? 镍铬—考铜热电偶：热电势较高，电阻率小，适于还原性和中性气氛下测量，价格便宜，测量上限较低；

　　? 镍铬—康铜热电偶：热电势较高，价格低。高温下易氧化，适于低温和超低温测量。

　　参考文献：

　　[1] 王启广、陈军 《测试技术与实验方法》 徐州 中国矿业大学出版社

　　2009.12

　　[2] 《测试技术基础》 东方仿真

　　[3] 《热电偶温度传感器》 北京赛亿凌科技有限公司

　　热电偶测温电路原理图

　　当时做的热电偶电路非常简单，用了一个ADI公司的热电偶放大器AD595，不过这个玩艺非常的贵，而且还不太好买，另外还尝试了一个直接转成SPI的转换芯片Maxim的Max6675。这个设计问题很多，不过忠于当初的设计理念，把所有的电路图都发上来。

　　这里说明一下AD595，这个玩艺还是比较好用的，就是非常贵阿。

　　AD595的基本介绍AD595是AD公司生产的一款热电偶放大器,他将仪器放大器

　　和热电偶冷接头补偿器全部集成在一块单片芯片上,产生一个10mV/℃的输出。管脚的可选择性使其可以作为一个线性放大补偿器或者是设

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　　置工作点控制器的开关输出。AD595包含一个热电偶故障报警,如果有热电偶的一脚或双脚开路,他可以显示报警信号。报警输出有很多种灵活的方式,包括TTL形式。AD595能够用一个单端+5V电压供电。如果用负电压,则可以测量0℃以下的温度。 MAX6675调试起来不太好用。

　　具有冷端补偿和A/D转换功能的单片集成Ｋ型热电偶变换器，测温范围0℃～1024℃，主要功能特点如下：直接将热电偶信号转换为数字信号，具有冷端补偿功能，简单的SPI串行接口与单片机通讯，12位A/D转换器、0.25℃分辨率，单一+5V的电源|稳压器电压，热电偶断线检测，工作温度范围-20℃～+85℃ 这个电路也没啥好说的，具体分析一下总误差和校验后误差和热电阻一起分析，先把电路图和资料放上来。

　　将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在

　　回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工

　　作的。

　　常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。

　　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；

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　　④ 保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。

　　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。

　　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不能超过100℃。

　　1．热电偶测温基本原理

　　将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路。当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。

　　A,B 两种导体，一端通过焊接形成结点，为工作端，位于待测介质。另一端接测温仪表，为参考端。为更好地理解下面的内容，我们将以上测温回路中形成的热电动势表示为EAB(T1,T0),理解为：A、B两种导体组成的热电偶，工作端温度为T1,参考端温度为T0，形成的热电动势为EAB(T1,T0)。

　　需要特别强调的是：热电偶测温，归根结底是测量热电偶两端的热电动势。测量仪表能够让我们看到温度数值，是因为它已经将热电动势转换成了温度。

　　图中，工作端温度T1, A、B与C、D连接处温度为T2， 测量仪表端(参考端)温度为T0。

　　我们可以把总回路的总电动势E 分成两段热电动势的和，即A、B为一段，热电动势为EAB(T1,T2)，C、D为另一段，热电动势为ECD(T2,T0), 即：

　　E=EAB(T1,T2)+ ECD(T2,T0) (热电偶中间导体定律) (1)

　　在上图中，如果C、D的材质和A、B完全一样，即C即为A，D即为B,相当于热电偶A、B 在T2(中间温度)处产生了一个连接点，此时，回路总电势为：

　　E=EAB(T1,T2)+ EAB(T2,T0)=EAB(T1,T0) (热电偶中间温度定律) (2)

　　从式(2)我们可以

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　　看出，只要是相同的热电偶，中间产生了连接点，则总电势与连接点的温度(中间温度)无关，而只与工作端和参考端的温度有关。这正是我们希望得到的。我们在热电偶布线中，不需要考虑中间有没有连接点，也不需要考虑连接点的温度，而是和一根热电偶连接到介质和测量仪表一样。

　　再来比较式(2)和式(1)。如果我们能找到某种材料C、D，它能满足：

　　ECD(T2,T0)=EAB(T2,T0) (3)

　　则式(1)成为：

　　E=EAB(T1,T2)+ ECD(T2,T0)=EAB(T1,T2)+ EAB(T2,T0)=EAB(T1,T0) (4) 满足式(3)的材料C、D我们称为热电偶A、B的补偿导线。

　　式(4)还告诉我们，使用了补偿导线，我们将T2延伸到了T0，但最后我们的测量结果与T2无关，这样我们也可以理解为，因为我们使用了导线C、D，是它补偿了T2处连接所产生的附加电势，而使得我们最终测量不需要再考虑T2，这也是C、D为什么叫补偿导线的原因，

　　2．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。

　　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不能超过100℃。

　　热电偶测温原理与检定

　　摘要：热电偶的测温原理是将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路。当导体A和B之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。

　　关键词：原理， 使用， 检定， 实例

　　热 电 偶 测 温 原 理 与 检 定

　　第一章热电偶测温原理及正确使用

　　第一节热电偶的测温原理

　　在1821年德国医生塞贝克在实验中发现热电效应以来，经珀尔帖、汤姆逊以及开尔文等科学家的大量研究，热电效应理论得到了不断的发展，并日趋完善。热电偶是热电效应的具体应用之一，它在温度测量中得到了广泛的应用，热电偶具有结构简单、容易制造、使用方便和测量精度高等优点。可用于快速测温、点温测量和表面测量等，但是热电偶也存在着不足的地方，如使用的参考端温度必须恒定，否则将歪曲测量结果；在高温或长期使用中，因受被测介质或气氛的作用（如氧化、还原等）而发生劣化，降低使用寿命。尽管如此，热电偶仍在工业生产和科研活动中起着举足轻重的作用。下面我们从三个热电效应的阐述中来讨论热电偶的测温原理。

　　一、塞贝克效应和塞贝克电势

　　热电偶为什么能用来测量温度呢？这就是从热能和电能的相互转化的热电现象说起。在1821年，塞贝克通过实验发现一对异质金属A、B组成的闭合回路（如图1—1）中，如果对接点a加热，那么，a,b两接点的温度就会不同，温度不同，就会有电流产生，使得接在电路中的电流表发生偏转。这一现象现今称为温差电效应或塞贝克效应，相应的电势称为温差热电势或塞贝克电势，它在热电偶回路中产生的电流称为热电流。Ａ、Ｂ称为热电极，接点a是用焊接的方法连接一起的，测温时，将它置于被测温度场中，称为测量端或者工作端，接点b一般要求恒定在某一温度称为参考端或自由端。

　　不同的导体材料的电子密度不同，即使相同的导体材料，温度不同，其电子密度也不相同，当异质金属Ａ、Ｂ组成闭合回路，由于接点a、b的温度不同（设Ｔ>Ｔ０），则同一导体温度高的地方自由电子密度大，温度低的地方自由电子密度小，即ＮＡ,Ｔ>ＮＡ,T0；ＮＢ,T>ＮＢ,T0。由于两金属导体的自由电子密度不同（设ＮＡ，T>NB，T；ＮＡ，T0>NB，T0）,所以在闭合回路中，自由电子密度大的要向自由电子密度小的区域扩散，这样在回路中就产生了“净”电荷流动，即回路中有电动势eＡB，这就是产生塞贝克电动势原因。实验证明，当热电极材料一定后，则热电势仅与两接点的温度有关，即： dEＡB(T,T0)=SＡBdT (1—1)

　　式中：SＡB——热电势率或塞贝克系数，其随热电极材料和两接点温度而定。

　　当两接点的温度分别为T，T0时，回路的热电势为：

　　EＡB（T，T0）=SＡBdT=eＡB (T)- eＡB (T0) （1—2）

　　式中：eＡB (T)，eＡB (T0)——接点a,b的分热电势或分塞贝克电势

　　式（1—2）中角标A、B表示不同的热电极材料，按正极写在前，负极写在后的顺序排列。当温度T>T0时，eＡB(T)与总电动势的方向一致，eＡB (T0)与总热电动势的方向相反。如果接点的分热电势角标颠倒，它不会改变分热电势的大小，而改变热电势的方向，即： eＡB (T0)=- eBＡ(T0) （1—3）

　　代入式（1—2）得：

　　EＡB（T，T0）=eＡB (T) eBＡ(T0) （1—4）

　　由此可知，热电偶回路的总热电动势的大小仅与热电极的材料和两接点的温度有关，与热电极中间温度分布无关。

　　对于已定的热电偶，当其参考端温度T0恒定时，eＡB（T0）为一常数，则热电势EＡB（T，T0）仅是测量端温度的函数，即：

　　EＡB（T，T0）=eＡB（T）-常数=fＡB(T)-C (1—5)

　　人们正是利用这种EＡB（T，T0）与T一一对应的关系来达到测温的目的。而热电偶测量的并不是测量端的温度T，而是测量温度差T-T0。在热电偶分度表上，均规定热电偶E-T特性曲线以及配热电偶显示仪表的参考端温度为00C，如果热电偶在实际应用中参考端温度不在00C时，应对参考端温度进行补偿或修正，否则将带入很大的测量误差。

　　热电偶测温是通过测定热电势来实现的，所以说热电偶测温的原理是热电效应。塞贝克电势实质上就是热电偶将热能转换成电能来实现测温目的的，而这个电能，实际上是由接触电势和温差电势两部分组成的，也就是将要讨论的珀尔帖电势和汤姆逊电势。

　　二、珀尔帖效应和珀尔帖电势

　　在1834年，珀尔帖发现，当用外部直流电源向热电偶回路输送电流时，（如图1—2），两接点处的温度就会发生变化，一个接点吸热，另一个接点放热，这一现象称为珀尔帖效应，接点吸热（或放热）的热流率（dQ/dt）与电流I成正比，即：

　　dQ/dt=ＡBI （1—6）

　　式中： ＡB———为导体A、B接点的珀尔帖系数，其大小与组成接点的两种材料的性质、接点处的温度（T1）有关，而与另一个接点的温度（T2）无关。

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　　图1—2 珀尔帖效应 图1—3 珀尔帖电势

　　实验证明，同种材料组成的接点不会出现珀尔帖效应，热电偶回路中的电流不管是外部引入的，还是有回路内部引入的，在两接点处均会产生珀尔帖效应。

　　由于金属导体中存在自由电子，并且不同的金属导体材料，自由电子的密度是不同的。如图1——3所示，设热电极A的自由电子密度（NＡ）大于热电极B的自由电子密度（NB），也就是电极A的自由电子数目大于电极B的自由电子数目，由此，在单位时间内，由金属A扩散到金属B的自由电子数要比由金属B扩散到金属A的自由电子多，金属A失去电子带正电，金属B得到电子带负电，因此，就在接点产生了电位差，这个电位差将阻碍金属A中的自由电子继续向金属B扩散，直到金属A和金属B的自由电子数目相等，这时达到动态平衡状态，这个动态平衡状态，只是暂时的、相对的、有条件的，一旦温度改变，原来的平衡状态将被破坏，从而金属A和金属B的自由电子数目发生变化，产生新的电位差，即电动势，直到新的平衡状态出现，这个电动势就是珀尔帖电势。

　　根据物理学理论推导，珀尔帖电势的大小可用下式求得：

　　ＡB(T)=(KT/e)In(NＡ,T/NB,T) (1—7)

　　K——玻耳兹曼常数

　　T——接点处的热力学温度，K；

　　e——电子的电荷量；

　　NＡ，T，NB，T——分别为金属A、B在温度T是的自由电子密度

　　由式1—8得，接点处珀尔帖电势的大小与接点温度和热电极的自由电子密度有关，即温度越高，珀尔帖电势越大，热电极的自由电子密度相差越大，珀尔帖电势也越大。因为A和B的顺序代表珀尔帖电势的方向，那么，如果顺序改变，则电势的正负号也应改变。 热电偶回路中两接点珀尔帖电势的代数和为：

　　ＡB(T)- ＡB(T0)=(KT/e)In(NＡ,T/NB,T) -(KT/e)In(NＡ,T0/NB,T0)

　　=（K/e） d[T In(NＡ,T/NB,T)]

　　=（K/e） [In(NＡ,T/NB,T)]dT (K/e) T d[In(NＡ,T/NB,T)]

　　=（K/e） {[In(NＡ,T/NB,T)]dT T d[In(NＡ,T/NB,T)]} (1—9)

　　三、汤姆逊效应和汤姆逊电势

　　在1851年，英国物理学家汤姆逊在实验中发现“在同一金属材料中，随着电流的方向不同（从金属热端到冷端或从金属冷端到热端），所产生的热效应也不同。”他将应用到了热电偶的回路中，他推论，如果电流只产生与可逆的珀尔帖热效应，则实际的珀尔帖电势将等于塞贝克电势，并且和热电偶两接点的温差成线性比例关系。但实际上，热电偶回路的热电势对温度的变化率dE/dT并不等于常数，这与他的推论相矛盾，因此，汤姆逊推断珀尔帖电势不是热电偶回路的唯一电动势源。

　　而且对单导个体来说，只要把它置于一个纵向的温度剃度内，必定会产生电动势。当导体中有电流I流过时，导体中必然有热源dQ存在，否则，就不能满足能量守恒定律。这一效应称为汤姆逊效应。

　　如图1—4所示，在单位体积的导体内，汤姆逊热的吸收量或放出量和温差dT及电流I的比例关系是：

　　dQ=σIdTdt (1—10)

　　dQ

　　T\ dT T\

　　I A

　　图1—4 汤姆逊效应

　　式中，汤姆逊把σ称为“电的比热容”，也称汤姆逊系数。它代表单位温差通过单位电流吸热或放热率，或称为单位温差的电动势，因此在一个导体中产生的总汤姆逊电势为： ET=σＡdT (1—11)

　　从式1—11可以看出，导体的汤姆逊电势的大小与温度的高低、温差的大小和导体材料的性质有关。

　　产生汤姆逊电势的原因可以用电子物理的理论来解释。如图1—5，均质导体A的两端温度分别为T和T0，且T>T0。对于同一种材料，温度高的自由电子密度大，温度低的自由电子密度小，则自由电子必然从高温向低温处扩散，因此，对导体的某一个薄层来说，高温端失去电子带正电，而低温端得到电子带负电，故在金属导体中的两端必然会产生电位差，这电位差就是汤姆逊电势。

　　同样根据物理学推论推导，汤姆逊系数为：

　　σ=[kd（NＡ,TT）]/(eNＡ,TdT) (1—12)

　　T T0

　　σdT

　　图1—5 汤姆逊电势

　　热电偶回路由A、B两导体组成，当两接点温度T>T0时，回路的汤姆逊电势等于导体A、B的汤姆逊电势的代数和：

　　EＡ-EB=σＡdT- σBdT

　　=(σＡ-σB)dT

　　=k/e{(1/NＡ,T) [d(NＡ,TT)/dT]-(1/NB,T) [d(NB,TT)/dT]}

　　=k/e [(T/NＡ,T)dNＡ,T-(T/NB,T)dNB,T]

　　=k/e Td[In(NＡ,T/NB,T)]

　　综上所述，热电偶是一种感温元件,它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。

　　电加热开水炉温度检测 实训报告书

　　专业：电气自动化

　　实训课题：电开水炉测温检测

　　姓名：刘丹鸿、吴海松、廖涛、吴亚俊 班级：工业控制091

　　指导老师;陈勇宏

　　2011年4月27日

　　摘要

　　第一章：实验的目的及原理

　　1.1 实验目的 ..................................................... 01

　　1.2 实验原理 ..................................................... 01

　　1.3 实验计划 ..................................................... 01

　　第二章：主要元器件的介绍及应用

　　2.1 热电偶原理及应用 ............................................. 02

　　2.1.1 热电偶简 ............................................... 02

　　2.1.2 热电偶测温原理 ......................................... 02

　　2.1.3 有关热电偶测温的基本原则 ............................... 03

　　2.1.4 常用热电偶 ............................................. 04

　　2.2 ICL7107 A/D数模转换器 ........................................ 04

　　2.2.1 ICL7107 的简介 ......................................... 04

　　2.2.2 辨认引脚 ............................................... 04

　　2.2.3 牢记关键点的电压 ....................................... 05

　　2.2.4 注意芯片 ............................................... 05

　　2.2.5 注意接地引脚 ........................................... 06

　　2.3 LM324 运算放大器 ............................................. 06

　　2.3.1 LM324 的简介 ........................................... 06

　　2.3.2 LM324 引脚图 ........................................... 06

　　第三章：热电偶测温系统的调试

　　3.1 调试的方法 ................................................... 07

　　3.2 注意事项 ..................................................... 07

　　3.3 实验数据 ..................................................... 07

　　3.3.1 温度上升时的数据 ....................................... 07

　　3.3.2 问的下降时的数据 ....................................... 08

　　第四章：遇到的问题及解决的方法

　　4.1 设计布线图时

　　4.2 焊接时

　　4.3 调试过程中

　　实训总结 ...................................................... 09 附录一 ........................................................ 11 附录二........................................... 12

　　温度测量在物理实验、医疗卫生、食品生产等领域，尤其在热学试验（如：物体的比热容、汽化热、热功当量、压强温度系数等教学实验）中，有特别重要的意义。

　　热电偶是利用导体的电阻率随温度的变化这一物理现象来测量温度的，在生产、科研和农业中需要测量和控制用途较为广泛，具体应用于在建材、化工、石油、制造、农业以及日常生活等领域中。温度量得测量与控制也是随处可见，而本次实训就是以以小见大的形式来体现其功能以及应用。

　　我们的实训采用电加热开水炉来体现热电偶的应用，将单纯的理论知识与实践紧密结合。电加热开水炉测温系统由测量放大电路、A/D转换电路和显示电路三部门构成，由简单的电路来实现测温效果。现代化的检测手段能达到的精度、灵敏度及测量范围等，在很大程度上取决于所用传感材料的物理特性，要得到好的检测工具，我们必须选择适当的传感器。所以，我们要使传感器技术和检测技术更好的结合起来，共同提高科学技术的发展。

　　实验的目的及原理

　　1.1 实验目的

　　1） 了解热电偶测温的原理、方法及注意事项

　　2） 了解热电偶测温系统的焊接和调试方法及注意事项

　　3） 掌握热电偶测温系统的基本配置和应用

　　1.2 实验原理

　　由热电偶热电效应产生的电流经电路处理转变成电压信号，并经过二级放大，放大至正比与温度的电压，送至ICL7107 31#脚，最后由数码管显示热电偶测量到的温度值。

　　1.3 实验计划

　　1） 了解清楚热电偶测温系统原理图并焊接好实验板

　　2） 检查好板子直至没有问题，做好调试的准备

　　3） 对热电偶测温系统进行调试

　　4） 调试成功后记录好实验数据

　　5） 做好实验任务书及实验总结

　　实验重要元件介绍

　　2.1 热电偶原理及应用

　　1）热电偶简介

　　热电温度记录仪常以热电偶作为测温元件.

　　它广泛用来测量 -200 ℃ ~1300 ℃范围内的温度，特殊情况下，可 测至 2800 ℃的高温或 4K 的低温。

　　它具有结构简单，价格便宜，准确度高，测温范围广等特点。

　　由于热电偶将温度转化成电量进行检测，使温度的测量、控制、 以及对温度信号的放大变换都很方便，适用于远距离测量和自动控制。 在接触式测温法中，热电温度计的应用最普遍。

　　2）热电偶测温原理

　　a.定义:

　　由两种导体组合而成,将温度转化为热电动势的传感器叫做热电偶。 b. 测温原理 : 热电偶的测温原理基于热电效应。

　　将两种不同材料的导体 A 和 B 串接成一个闭合回路，当两个接点 1 和 2 的温 度不同时，如果 T ＞ T 0 （如上图 12-1热电效应）， 在回路中就会产生热电动势， 在回路中产生一定大小的电流，此种现象称为 热电效应 。

　　热电动势记为 EAB ，导体 A 、 B 称为热电极。接点 1 通常是焊接在一起的， 测量时将它置于测温场所感受被测温度，故称为测量端（或工作端，热 端）。 接点 2 要求温度恒定，称为参考端（或冷端）。

　　c.热电效应

　　导体 A 和 B 组成的热电偶闭合电路在两个接点处分别由eAB (T) 与 eAB (T0 )两个接触电势 ，又因为 T ＞ T0 ，在导体 A 和 B 中还各有一 个温差电势。所以闭合回 路总热电动势 EAB (T,T0 ) 应为接触电动势和温差电势的代数和，即：

　　4.闭合回路总热电动势

　　对于已选定的热电偶，当参考温度恒定时，总热电动势就变成测量端温度 T 的单值函数，即 EAB ( Ｔ , T 0 )=f ( T ) 。这就是热电偶测量温度的基本原理。

　　在实际测温时，必须在热电偶闭合回路中引入连接导线和仪表。

　　3) 有关热电偶测温的基本原则

　　由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横

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　　截面积，长度以及温度分布如何均不产生热电动势。

　　如果热电偶的两根热电极由两种均质导体组成，那么，热电偶的热电动势仅与两接点的温度有关，与热电偶的温度分布无关；

　　如果热电极为非均质电极，并处于具有温度梯度的温场时，将产生附加电势，如果仅从热电偶的热电动势大小来判断温度的高低就会引起误差。

　　a.均质导体定则 :

　　b.中间导体定则:

　　在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要两端的温度相等，该导体接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。

　　根据这一定则，可以将热电偶的一个接点断开接入 第三种导体 ，也可以将热电偶的一种导体断开接入第三种导体，只要每一种导体的两端温度相同，均不影响回路的总热电动势。

　　在实际测温电路中，必须有连接导线和显示仪器，若把连接导线和显示仪器看成第三种导体 ，只要他们的两端温度相同，则不影响总热电动势 。

　　c.参考电极定则 :

　　两种导体 A, B 分别与参考电极 C( 或称标准电极 ) 组成热电偶，如果他们所产生的热电 动势为已知， A 和 B 两极配对后的热电动势可用下式求得

　　由此可见，只要知道两种导体分别与参考电极组成热电偶时的热电动势，就可以依据参考电极定则计算出两导体组成热电偶时的热电动势。从而简化了热电偶的选配工作。

　　由于铂的物理化学性质稳定，熔点高，易提纯，所以人们多采用高纯铂作为参考电极。

　　4) 常用热电偶

　　适于制作热电偶的材料有300多种，其中广泛应用的有40~50种。 国际电工委员会向世界各国推荐 8 种热电偶作为标准化热电偶.

　　我国标准化热电偶也有 8 种 。分别是：铂铑 10- 铂 ( 分度号为 S) 、 铂铑 13- 铂 (R) 、铂铑 30- 铂铑 6(B) 、镍铬 - 镍硅 (K) 、镍铬-康铜 (E)、铁-康铜(J)、铜-康铜(T)和镍铬硅-镍硅(N)。

　　2.2 ICL7107 A/D模数转换器

　　1） ICL7107 的简介

　　ICL7107是美国Intersil公司专为数字仪表生产的数字仪V为满幅输入电压一般取200mV或2VINFS表专用芯片。该芯片集成度高,转换精度高,抗干扰能力强,输出③积分电容CINT可直接驱动发光数码管,只需要很少的外部元件,就可以构成数积分电容取值用下式估算:字仪表模块。ICL7107芯片用在X线机毫安显示电路中,能使毫CINT=4000×IINT/fosc×VIS安读数显示电路做到使用元件少,可靠性高,调试维修方便。V为积分器输出幅度。IS1ICL7107芯片简介④自动稳零电容CAZICL7107是双积分式3位半模数转换器,ICL7107集成电自动稳零电容CAZ大小的选择依系统允许引入的噪声为路内...

　　传统的数字显示测量仪表以集成芯片(比如ICL7107芯片)集成显示为主,或者进行A/D转换后,简单地用单片机技术实现数字显示,单片机技术只是运用于简单的显示作用.由于随着计算机辅助教学在电工电子等教学设备的应用,迫切要求教学设备的硬件结构符合计算机双向控制的要求.特别是在测量仪表上,运用大量的单片机技术可以使许多功能简单实现。

　　2） 辨认引脚

　　芯片的第一脚，是正放芯片，面对型号字符，然后，在芯片的左下方为第一脚。 也可以把芯片的缺口朝左放置，左下角也就是第一脚了。

　　许多厂家会在第一脚旁边打上一个小圆点作为标记。

　　3） 牢记关键点的电压

　　芯片第一脚是供电，正确电压是 DC5V 。第 36 脚是基准电压，正确数值是 100mV，第 26 引脚是负电源引脚，正确电压数值是负的，在 －3V 至 －5V 都认为正常，但是不能是正电压，也不能是零电压。芯片第 31 引脚是信号输入引脚，可以输入 ±199.9mV 的电压。在一开始，可以把它接地，造成“0”信号输入，以方便测试。

　　4） 注意芯片

　　27,28,29 引脚的元件数值，它们是 0.22uF,47K,0.47uF 阻容网络，这三个元件属于芯片工作的积分网络，不能使用磁片电容。芯片的 33 和 34 脚接的 104 电容也不能使用磁片电容。

　　5） 注意接地引脚

　　芯片的电源地是 21 脚，模拟地是 32 脚，信号地是 30 脚，基准地是 35 脚，通常使用情况下，这 4 个引脚都接地，在一些有特殊要求的应用中（例如测量电阻或者比例测量），30 脚或 35 脚就可能不接地而是按照需要接到其他电压上。－－ 本文不讨论特殊要求应用。

　　2.3 LM324 运算放大器

　　1）LM324 简介

　　LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。

　　每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相 位相同。

　　2）LM324 引脚图

　　第三章

　　热电偶测温系统的调试

　　3.1 调试的方法

　　首先将所有的接线接好并准备两杯水，一杯水为冷水，另一杯水位沸水；然后将热电偶放置到冷水中，用温度计测量其温度并将数码管显示的初始数值调为温度计测量的数值，把热电偶从冷水中拿出来放到沸水中，用温度计测量其温度并将数码管显示的数值调为温度计测量的数值，把热电偶交替放置到冷水和沸水中，慢慢确定数码管显示数值的初始值及范围，调试完成后进行实验并记录数据。

　　3.2 注意事项

　　1）必须板子焊接检查无误后，方可进行调试

　　2）所领电源应先采用万用表检查个输出电源电压，如有问题，立即此项老师反映

　　3）板子各引出线应在30cm长左右，才好进行工作各个连接处焊接，不许搭接

　　4）杯中水面一般应高于70%

　　5) 板子各对地电源对地电阻不得小于2k，否则不允许送电

　　6) ICL7107 的37#脚点一下 +5v，电源如果显示“1888”则后端无问题

　　7）所领物品领时记帐，还时销账，爱惜使用

　　3.3 实验数据

　　1）温度上升时的数据

　　2） 温度下降时的数据

　　第四章

　　出现的问题及解决的方法

　　4.1 设计布线图时

　　小组实训总结

　　这次实训的时间虽然不长，仅仅是一周的时间，但这次实训却让我们组收获良多。它使我们变得更细心、耐心，同时也让我们学会了课本上的知识运用到实践。

　　通过这次的实训，我们学到了热电偶测温的原理以及方法，巩固了我们的焊接技术，知道怎样去调试热电偶测温系统。

　　在实训过程中，并没有我们所想象的那么顺利。我们碰到了很多问题，同时也正是从发现问题、分析问题到解决问题的过程中学到更多。在实训过程中，我们查阅了相关资料，与同学交流经验，并向老师请教等方式，学到了很多知识，也经历了很多艰辛，但收获同样巨大。

　　通过了这一周的传感器的实训，一.培养了我们的胆大、心细、谨慎的工作作风。操作的时候要心细、谨慎，避免烫伤及意外的受伤； 二.我们学到了很多知识，拓展了自己的的视野；三.增强了我的动手打操作的能力，培养了我们的规范化的学习工作的作风。

　　在为期一周的实训当中感触最深的便是实践联系理论的重要性，当遇到实际问题时，只要认真思考，运用所学的知识，一步一步的去探索，是可以解决遇到的一般问题的。

　　本次实训的目的主要是掌握热电偶测温的原理、方法；了解热电

　　偶测温系统的焊接与调试方法以及掌握热电偶测温系统的基本配置和应用，培养和锻炼我们的实际动手能力。使我们的理论知识与实践充分地结合，作到不仅具有专业知识，而且还具有较强的实践动手能力，能分析问题和解决问题的应用型技术人才。

　　知识必须通过应用才能实现其价值！理论必须与实践想结合。最后感谢老师的对我们的悉心教导。

　　实训心得

　　时光飞逝，岁月如梭，经过几天的奋战，本次实训终于完成了。通过本次实训，我体会到实训过程是艰辛中铸就快乐。在此之前，我认为本次实训是对热电偶测温系统的单纯总结，但通过亲身体会才明白自己的想法是很片面的。这次实训不仅是对知识的一种巩固，而且也是对自己能力的一种体验与提高。

　　通过本次实训，我明白了学习是一个长期积累的过程，无论是现在的学习还是以后的工作都应该是不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。对我而言，知识上的收获是很重要的，精神上的丰收更为可观。常说“知足者常乐”，而我认为，在知识的领域中，“不知足者常乐”。科学技术的学习中，要不断进取，不断探索，才能进步，才能发展。

　　本次实训在老师的指导下，顺利的完成了实训任务，在此感谢老师的淳淳教导。我通过查阅相关资料与同学们交流互助，使我学会了很多知识，付出了一定的汗水，同样一收获颇多。在这次实训中，我深知理论和实践相结合的重要性。单纯的理论知识，或是单纯有着强硬的焊接技术，都是不行的，只有当两者紧密结合才能发挥其最大的作用。

　　“百见不如一做”，自己动手实际炒作，受益匪浅。 工控091 刘丹鸿

　　附录一

　　附录二

　　课题名称：电加热开水炉温度检测

　　实训报告书

　　专业系 ： 电气工程系

　　班级：铁道自动化102班

　　设计课题：热电偶测温系统

　　学生姓名：吴利武 李朝晖

　　田琪 李彬 袁勇

　　指导老师：胡国良老师

　　完成日期：2012-04

　　湖南铁道职业技术学院

　　目 录

　　第一章 绪 论............................................................................................. - 1 -

　　第二章 实验的目的及原理......................................................................... - 2 -

　　2.1 实验目的............................................................................................ - 2 -

　　2.2 实验原理............................................................................................ - 2 -

　　2.3 实验计划............................................................................................ - 2 -

　　第三章 热电偶传感器................................................................................. - 3 -

　　3.1热电偶工作原理：............................................................................. - 3 -

　　3.2热电偶优点：..................................................................................... - 3 -

　　3.3热电偶的种类及结构：..................................................................... - 3 -

　　3.4热电偶冷端的温度补偿..................................................................... - 5 -

　　第四章 系统元件介绍................................................................................... - 8 -

　　4.1 LED介绍 ............................................................................................ - 8 -

　　4.2LM324 简介...................................................................................... - 11 -

　　4.3 ICL7107介绍 ................................................................................... - 12 -

　　第五章 热电偶测温不准的原因及处理方法......................................... - 14 -

　　5.1热电偶的补偿导线接反................................................................... - 14 -

　　5.2热电偶的补偿导线绝缘层磨破，造成信号回路接地................... - 14 -

　　5.3端子接触不良................................................................................... - 14 -

　　5.4补偿电阻故障................................................................................... - 14 -

　　5.5 锅炉尾部烟道热电偶故障率较高.................................................. - 14 -

　　5.6接地不良........................................................................................... - 14 -

　　第六章 调试过程..................................................................................... - 15 -

　　6.1 具体过程.......................................................................................... - 15 -

　　6.2 试注意项.......................................................................................... - 15 -

　　6.3实验数据........................................................................................... - 17 -

　　第七章 小组实训总结............................................................................... - 19 -

　　第一章 绪 论

　　温度测量在物理实验、医疗卫生、食品生产等领域，尤其在热学试验（如：物体的比热容、汽化热、热功当量、压强温度系数等教学实验）中，有特别重要的意义。

　　热电偶是利用导体的电阻率随温度的变化这一物理现象来测量温度的，在生产、科研和农业中需要测量和控制用途较为广泛，具体应用于在建材、化工、石油、制造、农业以及日常生活等领域中。温度量得测量与控制也是随处可见，而本次实训就是以以小见大的形式来体现其功能以及应用。

　　我们的实训采用电加热开水炉来体现热电偶的应用，将单纯的理论知识与实践紧密结合。电加热开水炉测温系统由测量放大电路、A/D转换电路和显示电路三部门构成，由简单的电路来实现测温效果。现代化的检测手段能达到的精度、灵敏度及测量范围等，在很大程度上取决于所用传感材料的物理特性，要得到好的检测工具，我们必须选择适当的传感器。所以，我们要使传感器技术和检测技术更好的结合起来，共同提高科学技术的发展。

　　第二章 实验的目的及原理

　　2.1 实验目的

　　1) 了解热电偶测温的原理、方法及注意事项

　　2) 了解热电偶测温系统的焊接和调试方法及注意事项

　　3) 掌握热电偶测温系统的基本配置和应用

　　2.2 实验原理

　　由热电偶热电效应产生的电流经电路处理转变成电压信号，并经过二级放大，放大至正比与温度的电压，送至ICL7107 31#脚，最后由数码管显示热电偶测量到的温度值。

　　2.3 实验计划

　　1） 了解清楚热电偶测温系统原理图并焊接好实验板

　　2） 检查好板子直至没有问题，做好调试的准备

　　3） 对热电偶测温系统进行调试

　　4） 调试成功后记录好实验数据

　　5） 做好实验任务书及实验总结

　　第三章 热电偶传感器

　　3.1热电偶工作原理：

　　热电偶是一种感温元件 , 它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塞贝克电动势——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。

　　3.2热电偶优点：

　　热电偶是工业中常用的温度测温元件，具有如下特点：

　　① 测量精度高：热电偶与被测对象直接接触，不受中间介质的影响。 ② 热响应时间快：热电偶对温度变化反应灵敏。

　　③ 测量范围大：热电偶从 -40~+ 1600℃ 均可连续测温。

　　④性能可靠， 机械强度好。

　　⑤ 使用寿命长，安装方便。

　　3.3热电偶的种类及结构：

　　( 1 )热电偶的种类

　　热电偶有 K 型(镍铬 - 镍硅) WRN 系列， N 型(镍铬硅 - 镍硅镁) WRM 系列， E 型(镍铬 - 铜镍) WRE 系列， J 型(铁 - 铜镍) WRF 系列， T 型(铜 - 铜镍) WRC 系列， S 型(铂铑 10- 铂) WRP 系列， R 型(铂铑 13- 铂) WRQ 系列， B 型(铂铑 30- 铂铑 6 ) WRR 系列等。

　　( 2 )热电偶的结构形式：

　　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

　　3.4 常用热电偶

　　适于制作热电偶的材料有300多种，其中广泛应用的有40~50种。 国际电工委员会向世界各国推荐 8 种热电偶作为标准化热电偶.

　　我国标准化热电偶也有 8 种 。分别是：铂铑 10- 铂 ( 分度号为 S) 、 铂铑 13- 铂 (R) 、铂铑 30- 铂铑 6(B) 、镍铬 - 镍硅 (K) 、镍铬-康铜 (E)、铁-康铜(J)、铜-康铜(T)和镍铬硅-镍硅(N)。

　　1） ICL7107 的简介

　　ICL7107是美国Intersil公司专为数字仪表生产的数字仪V为满幅输入电压一般取200mV或2VINFS表专用芯片。该芯片集成度高,转换精度高,抗干扰能力强,输出③积分电容CINT可直接驱动发光数码管,只需要很少的外部元件,就可以构成数积分电容取值用下式估算:字仪表模块。ICL7107芯片用在X线机毫安显示电路中,能使毫CINT=4000×IINT/fosc×VIS安读数显示电路做到使用元件少,可靠性高,调试维修方便。V为积分器输出幅度。IS1ICL7107芯片简介④自动稳零电容CAZICL7107是双积分式3位半模数转换器,ICL7107集成电自动稳零电容CAZ大小的选择依系统允许引入的噪声为路内...

　　传统的数字显示测量仪表以集成芯片(比如ICL7107芯片)集成显示为主,或者进行A/D转换后,简单地用单片机技术实现数字显示,单片机技术只是运用于简单的显示作用.由于随着计算机辅助教学在电工电子等教学设备的应用,迫切要求教学设备的硬件结构符合计算机双向控制的要求.特别是在测量仪表上,运用大量的单片机技术可以使许

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　　多功能简单实现。

　　2） 辨认引脚

　　芯片的第一脚，是正放芯片，面对型号字符，然后，在芯片的左下方为第一脚。 也可以把芯片的缺口朝左放置，左下角也就是第一脚了。

　　许多厂家会在第一脚旁边打上一个小圆点作为标记。

　　3.5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。

　　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不能超过100℃。常用热电偶的补偿导线列于表3-1中。

　　表3-1常用热电偶的补偿导线

　　注：补偿导线型号头一个字母与热电偶分度号相对应；第二个字母字X表示延伸型补偿导线，字母C表示补偿型补偿导线。

　　1、冷端温度校正法

　　因各种热电偶的分度关系是在冷端温度为0℃时得到的,如果测温热电偶的热端为t℃，冷端温度t0℃(t0>0℃)，就不能用测得的E(t,t0)去查分度表得t,必须根据下式进行修正：

　　式中：E(t,0)--冷端为0℃而热端为t℃时的热电势；E(t, t0)--冷端为t0℃而热端为t℃时的热电势；E(t0,0)--冷端为0℃时应加的校正值。

　　2、仪表机械零点调整法

　　对于具有零位调整的显示仪表而言，如果热电偶冷端温度t0较为恒定时，可采用测温系统未工作前，预先将显示仪表的机械零点调整到t0℃上,这相当于把热电势修正值E(t0,0)预先加到了显示仪表上,当此测量系统投入工作后,显示仪

　　表的示值就是实际的被测温度值。

　　3、补偿电桥法

　　当热电偶冷端处温度波动较大时,一般采用补偿电桥法,基测量线路如图3-1所示。补偿电桥法是利用不平衡电桥(又称冷端补偿器)产生不平衡电压来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化。

　　第四章 系统元件介绍

　　4.1 LED介绍

　　LED数码管（LED Segment Displays）是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。LED数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点，还有一种是类似于3位“+1”型。位数有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等....，LED数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，了解LED的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。图2是共阴和共阳极数码管的内部电路，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。颜色有红，绿，蓝，黄等几种。LED数码管广泛用于仪表，时钟，车站，家电等场合。选用时要注意产品尺寸颜色，功耗，亮度，波长等。下面将介绍常用LED数码管内部引脚图。

　　图1引脚定义

　　每一笔划都是对应一个字母表示 DP是小数点数码管分为共阳极的LED数码管、共阴极的LED数码管两种。下图例举的是共阳极的LED数码管，共阳就是7段的显示字码共用一个电源的正。led数码管原理图示意：

　　图2引脚示意图

　　从上图可以看出，要是数码管显示数字，有两个条件：1、是要在VT端（3/8脚）加正电源；2、要使（a,b,c,d,e,f,g,dp)端接低电平或“0”电平。这样才能显示的。

　　共阳极LED数码管的内部结构原理图图4：

　　图3 共阳极LED数码管的内部结构原理图

　　共阴极LED数码管的内部结构原理图：

　　图4 共阴极LED数码管的内部结构原理图

　　表1.1 显示数字对应的二进制电平信号

　　LED数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数位，因此根据LED数码管的驱动方式的不同，可以分为静态

　　式和动态式两类。

　　A、静态显示驱动：

　　静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进位转换器进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8＝40根I/O口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O口才32个呢。故实际应用时必须增加驱动器进行驱动，增加了硬体电路的复杂性。

　　B、动态显示驱动：

　　数码管动态显示介面是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp "的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位元选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。

　　透过分时轮流控制各个LED数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示资料，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O口，而且功耗更低。

　　4.2LM324 简介

　　LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。

　　每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相

　　位相同。

　　2）LM324 引脚图

　　4.3 ICL7107介绍

　　ICL7107是美国Intersil公司专为数字仪表生产的数字仪V为满幅输入电压一般取200mV或2VINFS表专用芯片。该芯片集成度高,转换精度高,抗干扰能力强,输出③积分电容CINT可直接驱动发光数码管,只需要很少的外部元件,就可以构成数积分电容取值用下式估算:字仪表模块。ICL7107芯片用在X线机毫安显示电路中,能使毫CINT=4000×IINT/fosc×VIS安读数显示电路做到使用元件少,可靠性高,调试维修方便。V为积分器输出幅度。IS1ICL7107芯片简介④自动稳零电容CAZICL7107是双积分式3位半模数转换器,ICL7107集成电自动稳零电容CAZ大小的选择依系统允许引入的噪声为路内...

　　传统的数字显示测量仪表以集成芯片(比如ICL7107芯片)集成显示为主,或者进行A/D转换后,简单地用单片机技术实现数字显示,单片机技术只是运用于简单的显示作用.由于随着计算机辅助教学在电工电子等教学设备的应用,迫切要求教学设备的硬件结构符合计算机双向控制的要求.特别是在测量仪表上,运用大量的单片机技术可以使许多功能简单实现。

　　2） 辨认引脚

　　芯片的第一脚，是正放芯片，面对型号字符，然后，在芯片的左下方为第一脚。

　　也可以把芯片的缺口朝左放置，左下角也就是第一脚了。 许多厂家会在第一脚旁边打上一个小圆点作为标记。 3） 牢记关键点的电压

　　芯片第一脚是供电，正确电压是 DC5V 。第 36 脚是基准电压，正确数值是 100mV，第 26 引脚是负电源引脚，正确电压数值是负的，在 －3V 至 －5V 都认为正常，但是不能是正电压，也不能是零电压。芯片第 31 引脚是信号输入引脚，可以输入 ±199.9mV 的电压。在一开始，可以把它接地，造成“0”信号输入，以方便测试。

　　4） 注意芯片

　　27,28,29 引脚的元件数值，它们是 0.22uF,47K,0.47uF 阻容网络，这三个元件属于芯片工作的积分网络，不能使用磁片电容。芯片的 33 和 34 脚接的 104 电容也不能使用磁片电容。

　　5） 注意接地引脚

　　芯片的电源地是 21 脚，模拟地是 32 脚，信号地是 30 脚，基准地是 35 脚，通常使用情况下，这 4 个引脚都接地。

　　第五章 热电偶测温不准的原因及处理方法

　　5.1热电偶的补偿导线接反

　　这主要是基建时出现的问题，负责接线的人员一时的粗心造成，属于人为因素。当热电偶的补偿导线接反情况时，制作员控制站上的显示通常比实际值偏大或偏小。

　　5.2热电偶的补偿导线绝缘层磨破，造成信号回路接地

　　主要是因为补偿导线较硬，而且在接线盒内又未被安放平整，处理故障时多次旋拧接线盒盖的补偿导线而将其磨破。此类故障一般偏小。

　　5.3端子接触不良

　　因导线比较硬，所以检修比较困难，此类故障的反应为无显示或显示值超量程。 5.4补偿电阻故障

　　此类故障表现为热电偶接上后显示值缓慢上升或下降。 5.5 锅炉尾部烟道热电偶故障率较高

　　停机检修时将热电偶拆下发现热电偶的头部包括护套的磨损，将护套管该由磨钢材料制成后，可以消除此类故障。 5.6接地不良

　　这类故障容易造成电荷在信号线上积累，引起信号漂移或晃动，处理方法是解开信号线，对其进行放电处理。

　　第六章 调试过程

　　6.1 具体过程

　　先检查电源，个当电源正常，红发光管稳定发光即可。再用万用表检查各电压输入线对地的输入电阻应大于2K，正确才接上电源。

　　照原理接好电源线，热电偶。用热水杯接好一杯水（杯中水高于70%）.在室温下开始加热，将热电偶和温度计，放入水中同一位置，用温度计，测量热水升温的数据，并记录下来，每5℃记录一次，同时记录电路板显示的温度。如此一次，测的数据与实际温度差别很大，进行下一步调试。

　　准备好另一杯未加热的水，继续照第一步一样测试，并不断调整200K.500K.5K的电位器，使电路板显示和实际温度相近。

　　当水温接近100℃时，调试好的电路板的显示为100℃

　　将热电偶和温度计放人室温的水中，使电路板显示温度下降，并记录温度误差，调试电路板使其显示为室温25℃。

　　将热电偶放入开水中，是电路板温度上升，并记录温度误差，调试电路板使其显示与开水温度一样100℃。多次调试第4.5过程，是电路板温度和实际温度误差减小到最低。用热水杯接好另一杯水，在室温下开始加热，将加热点偶和温度计放入水中同一位置，用温度计测量热水温的数据，并记录下来，每5℃记录一次，同时记录电路板显示的温度。最后一次测量温度与实际温度相差很小，调试成功。

　　6.2 试注意项

　　1 必须板子焊接检查无误后，方可进行调试

　　2 所需电源，万用表检查各输出电压，如有问题，立即向老师反应 3 板子各引出线应留20cm左右

　　4 热电偶与板子引出线应焊接，不应搭接，注意十一极，红是十极。 5 各组长来领调试物品，领时记账，还时销账，爱惜使用

　　6 接好线后，ICL7107的37#脚经导线与+SV电源触碰，如显示‘1888’

　　则说明数码驱动部分良好。

　　7 电桥中得2K滑动电阻，主要调节初始温度，36#脚的SK滑动电阻主要调节基准电压。先调到1V左右，两级运放的500K.200K电阻，主要调节放大倍数。

　　8 各组备开水一杯，凉水一杯，以便调试。

　　9 电源的左侧电源进线是220V交流，手勿触及，注意安全。

　　10 各级运放的实际使用各脚应在图上标明，一级放大出几百毫伏二级放大出几伏。

　　11 若电源红灯闪，说明有故障，应立即拔掉电源进线，切断电源。

　　6.3实验数据

　　1）温度上升时的数据

　　2） 温度下降时的数据

　　第七章 小组实训总结

　　这次实训的时间虽然不长，仅仅是一周的时间，但这次实训却让我们组收获良多。它使我们变得更细心、耐心，同时也让我们学会了课本上的知识运用到实践。

　　通过这次的实训，我们学到了热电偶测温的原理以及方法，巩固了我们的焊接技术，知道怎样去调试热电偶测温系统。

　　在实训过程中，并没有我们所想象的那么顺利。我们碰到了很多问题，同时也正是从发现问题、分析问题到解决问题的过程中学到更多。在实训过程中，我们查阅了相关资料，与同学交流经验，并向老师请教等方式，学到了很多知识，也经历了很多艰辛，但收获同样巨大。

　　通过了这一周的传感器的实训，一.培养了我们的胆大、心细、谨慎的工作作风。操作的时候要心细、谨慎，避免烫伤及意外的受伤；我们学到了很多知识，拓展了自己的的视野；三.增强了我的动手打操作的能力，培养了我们的规范化的学习工作的作风。

　　在为期一周的实训当中感触最深的便是实践联系理论的重要性，当遇到实际问题时，只要认真思考，运用所学的知识，一步一步的去探索，是可以解决遇到的一般问题的。

　　本次实训的目的主要是掌握热电偶测温的原理、方法；了解热电 偶测温系统的焊接与调试方法以及掌握热电偶测温系统的基本配置和应用，培养和锻炼我们的实际动手能力。使我们的理论知识与实践充分地结合，作到不仅具有专业知识，而且还具有较强的实践动手能力，能分析问题和解决问题的应用型技术人才。

　　知识必须通过应用才能实现其价值！理论必须与实践想结合。最后感谢老师的对我们的悉心教导。

　　附录一

　　附录二

　　元件明细表

　　工程技术

　　热电偶测温原理及应用

　　张明春攀宏钒制品厂

　　肖燕红攀钢热轧板厂

　　摘要热电偶测温在钢铁冶金工业中有着重要的意义,本文阐述了热电偶测温的原理及其应用。

　　关键词温度测温方法热电偶测温

　　一、温度测量的基本概念

　　温度是度量物体冷、热程度的物理量,在生产和科学中占有极其重要的地位,是国际单位制(SI)中7个基本物理量之一。从能量角度来看,温度是描述系统不同自由度间能量发布状态的物理量;从微观上看,温度标志着系统内部分子无规则运动的剧烈程度,温度高的物体,分子平均动能大,温度低的物体,分子平均动能小;从热平衡观点来看,温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量。而用来度量物体温度数值的标尺叫温标,它规定了温度的读数起点(零点)和测量温度的基本单位。目前用的较多的温标有华氏温标、摄氏温标、热力学温标和国际实用温标。

　　温度测量方式有接触式和非接触式两大类。

　　接触式测温法是将传感器置于与物体相同的热平衡状态中,使传感器与物体保持同一温度的测温方法。例如利用介质受热膨胀的原理制造的水银温度计,压力式温度计和双金属温度计等;利用物体电气参数随温度变化的特性来检测温度,如热电阻、热敏电阻、电子式温度传感器和热电偶等。

　　接触式测温仪表比较简单、可靠,测量精

　　度较高;但因测温元件与被测介质需要进行充分的热交换,需要一定的时间才能达到热

　　平衡,所以存在测温的延迟现象,同时受耐高温材料的限制,不能应用于很高的温度测量。非接触式仪表测温是通过热辐射原理来测量温度的,测温元件不需与被测物体的表面介质接触,实现这种测温方法可利用物体的表面热辐射强度与温度的关系来检测温度。有全辐射法、部分辐射法、单一波长辐射功率的亮度法及比较两个波长辐射功率的比色法等。

　　非接触式仪表测温的范围广,不受测温上限的限制,也不会破坏被测物体的温度场,反映速度快;但受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水汽等外界因素的影响,其测量误差较大。

　　二、热电偶测温基本原理

　　将两种不同材料(但符合一定要求)的导体或半导体A和B的任意一端焊接在一起就构成了热电偶。组成热电偶的导体或半导体称为热电极,被焊接的一端插入测温场所,称为工作端,另一端称冷端。当两端温度不同时就会有热电势产生,它是测量温度的感温元件,将温度信号转换为电信号再由仪表

　　热电偶的测温原理就是利用了热电效应。任意两种材质不同的金属导体或半导体A和B首尾连接成闭合回路,只要两接点T1和T2的温度不同,就会产生热电势,形成热电流,这就是热电效应。

　　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。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不能超过100!。

　　热电偶是工业上最常用的温度检测元件

　　热电偶原理图

　　热电势的大小与材质有关,与热电偶两端的温差有关。对应一定材质,其两端的温度与热电势间有固定的函数关系,利用这个关系就可以测出温度值来。热电偶的热电势随温度的升高而增大,其热电势的大小与热电偶的材料和热电偶两端的温度值有关,而与热电极的长度、直径无关。

　　1.热电偶的广义分类

　　热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所为标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶,它有与其配套的显示仪表。非标准热电偶在使用范围或数量级上均不及标准热电偶,一般也没有统一的分度表,主要用于某些特殊场合的测量。

　　为了保证热电偶可靠、稳定地工作,对它的结构要求是:组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固;两个热电极彼此之间应很好地绝缘,以防短路;补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠;保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。

　　2.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

　　之一,为接触式测温,其优点有:测量精度高,因热电偶直接与被测对象接触,不受中间介质的影响;测量范围广,常用的热电偶从-50~+1600!均可连续测量,某些特殊热电偶最低可测到-269!(如金铁镍铬),最高可达+2800!(如钨-铼);构造简单,使用方便,热电偶通常是由两种不同的金属丝组成,而且不受大小和开头的限制,外有保护套管,用起来非常方便。

　　热电偶测温的缺点是:热电偶损耗比较大,增大了维护量,备件费用消耗大;热响应有一定滞后。

　　三、热电偶的选型

　　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。

　　工业用热电偶作为温度测量仪表,通常用来和显示仪、记录仪等配套使用,以直接测量各种生产过程中从0!~+1800!范围内的液体、蒸汽和气体介质以及固体表面的温度。并可根据用户的要求做成铠装、装配、防爆等适合多种工业现场和实验室要求的产品。

　　1.热电偶的分度号与测温范围的关系(见表1)

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　　表1热电偶的分度号与测温范围关系表

　　名称铂老30?铂老6铂老10?铂铂老13?铂镍铬?镍硅镍铬?康铜镍铬?康铜

　　分度号BSRKET

　　测温范围0~1800!0~1600!0~1600!-200~1300!-200~800!-200~350!

　　直径(mm)25可选12、16、20、12、16、20、12、16、20、允许误差!#1.5!或#0.25%#2.5!或#0.75%#2.5!或#0.75%

　　2.根据用途和结构形式进行选型

　　(1)铠装热电偶

　　域。装配热电偶通常由感温元件、保护管、接线盒及安装固定装置等主要部件组成。

　　高炉热风炉热电偶是一种专用的装配热电偶。高炉热风炉热电偶采用抗高温、耐腐蚀材料制造,测温范围大,精度和承压高,且耐大气流冲刷,适用于热风炉等工业炉窖等高温、高压和腐蚀环境场合中的温度测量。

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　　装配热电偶测量范围大、使用寿命长、安装使用方便。

　　(3)热套式电偶

　　铠装热电偶具有体形细长、热响应快、耐震动、使用寿命长以及便于弯曲等优点,广泛

　　应用于航空、原子能、石油、化工、冶金、机械、电力等工业部门和科技领域,尤其适宜安装在管线狭窄、弯曲和要求快速反应、微型化的特殊测温场合。铠装热电偶通常由铠装偶元件、安装固定装置和接线装置等主要部件组成。

　　吹气型铠装热电偶是一种专用铠装热电偶。吹气型铠装热电偶结构原理是在铠装热电偶感温元件和外保护管之间构成一定的气路,在气路中,通入大于1.03?105Pa的惰性气体,以排除或减少热电偶在高温、高压条件下,还原气体的渗入从而延长了铠装热电偶的使用寿命。

　　铠装热电偶测温范围大,反应速度快,外径小、温度变化反应迅速,安装方便、使用寿命长,气密性好,机械强度好。可在有震动、低温、高温条件下使用。

　　(2)装配热电偶

　　热套式电偶主要用于测量蒸汽管道及锅

　　炉温度。热电偶采用热套保护管与铠装热电偶(均为绝缘型)可分离方式,使用时,用户可将热套焊接或机械固定在设备上,然后装上电偶就可工作,它的优点是提高了保护管的工作压力和使用寿命,又便于电偶的维修或更换,目前这种结构形式被国外广泛采用。

　　热套式电偶还包括烟道、风道热电偶、高温高压热电偶、中温中压热电偶、低温低压热电偶。

　　(4)防爆热电偶

　　装配热电偶与显示仪表配套,在-200~1600!范围内对气体、液体介质以及固体表面温度进行检测,广泛应用于航空、原子能、石油、化工、冶金、机械等工业部门和科技领

　　防爆热电偶利用间隙隔爆原理,设计具

　　有足够强度的接线盒等部件,将所有会产生火花、电弧和危险温度的零部件都密封在接线盒腔内,当腔内发生爆炸时,能通过接合面间隙熄火和冷却,使爆炸后的火焰和温度传

　　不到腔外,从而进行测温。

　　防爆热电偶可直接测量生产现场存在碳氢化合物等爆炸的0~1300!范围内液体、蒸汽和气体介质以及固体表面温度。

　　防爆热电偶的特点是多种防爆形式,防爆性能好;压簧式感温元件,抗振性能好;测量范围大;机械强度高,耐压性能好。

　　3.热电偶的主要技术指标

　　(1)温度测量范围和允差

　　安装固定形式等。

　　四、热电偶测温在攀钢热轧板厂中的应用

　　攀钢热轧板厂有两座加热炉,加热炉为均热段平炉顶、上加热和上预热段轴向供热、下部侧向供热、滚轮斜台面式的板坯步进梁式加热炉。

　　加热炉分6个燃烧控制段进行加热:%Z1:上部预热段Z2:下部预热段

　　%Z3:上部加热段Z4:下部加热段%Z5:上部均热段Z6:下部均热段加热炉各段炉温测量设2支热电偶,采用的是S分度号的热电偶,一般使用温度为1100!~1300!。热电偶可选择两种方式:工作模式(选择两支热电偶中的高选值进行燃烧控制)、维护模式(当任何一支热电偶出现故障时,输入信号自动切换到另一支热电偶)。在一般情况下,温度控制器只使用其中一支热电偶信号,而另一支热电偶信号仅作监视用。热电偶所测温度作为温度调节器的输入信号,温度调节器的输出信号经过处理作为空气、煤气调节器的设定值控制空气、煤气阀门开度,最终实现对加热温度的控制。热电偶测温的准确可靠是热工制度正确执行、热轧产品质量得以保证的重要前提。

　　五、结束语

　　接触式测温仪表(热电偶)测量温度比较简单、可靠,测量精度较高;但因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。非接触式仪表测温(红外测温)是通过热辐射原理来测量温度,测温元件不需与被测介质接触,测温范围广,不受测温上限的限制,也不会破坏被测物体的温度场,反应速度快,寿命长;但由于受灵敏度限制、测量光谱带宽的影响及物体的发射率、测量距离、粉尘和水气等外界因素的影响,其测量误差

　　热电偶可测量温度的范围和允许误差与热电偶的分度号密切相关,表1已列出了常用的几种热电偶温度测量范围和允许误差。

　　(2)热响应时间

　　在温度出现阶跃变化时,热电偶的输出变化至相当于该阶跃变化的50%所需要的时间称为热响应时间,用0.5表示。

　　(3)公称压力

　　一般是指在工作温度下保护管所能承受的静态外压而不破裂。实际上,允许工作压力不仅与保护管材料、直径、壁厚有关,还与其结构形式、安装方法、置入深度以及被测介质的流速和种类等有关。

　　(4)最小置入深度

　　最小置入深度应不小于其保护管外径的8~10倍(特殊产品例外)。

　　(5)绝缘电阻(常温)

　　常温绝缘电阻的试验电压为直流500#50V,测量常温绝缘电阻的大气条件为温度15~35!,相对湿度80%,大气压力86~106KPa。

　　(6)防爆等级(隔爆热电偶)

　　隔爆热电偶的防爆等级适用于爆炸性气体混合物最大安全间隙分为A、B、C三级。4.热电偶的选型原则

　　首先应根据实际测温范围选择采用哪种分度号的热电偶;其次根据实际工艺情况要求选择采用何种结构形式的热电偶(铠装、装配、防爆热电偶等);最后根据热电偶的技术指标选择热电偶的长度、保护管材料、直径、

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　　较大。

　　综上所述,接触式测温方法无法准确进行测量的测量点,红外测温仪的出现解决了这一大难题,它不仅可以进行定点、移动测

　　量,还可以进行连续测量,并且能将测量结果送入计算机。随着自动化程度的提高,红外

　　测量仪器的应用会越来越广泛。

　　参考文献

　　[1]郑忠,何腊梅&红外测温技术及在钢铁生产中的应用?;[2]李军,刘梅冬,曾亦可等&非接触式红外测温的研究?;[3]师克宽&计量测量技术手册?。

　　(上接第51页)来?所以当规划标准一经确定,

　　卡通?运营公司,只是由唐山市商业银行内部的个人业务部负责这项工作,这个部因同时还要从事银行的其它业务,在开拓一卡通业务能力方面非常有限。我们在考察中感到&城市一卡通?的管理运营明显比其它几个城市不足,如果有一个独立公司来运营,唐山的&城市一卡通?会搞得比现在要好。

　　这些城市的成功的经验和存在的问题对我市的&城市一卡通?建设有很大的启迪,可以使我们在建设中少走弯路,但我市和这些城市也有很大的不同,有自身的特点,所以我们需要借鉴外地的成功之路,更要根据我市的实际情况,走一条符合我市情况的建设和管理运营之路,把我市&城市一卡通?工作做好、做出特色来。

　　所有单位就必须按这个标准建设。规划标准

　　的确定,表面上看是技术问题,实际上是利益问题。因此统筹协调有关单位是规划标准确定的关键。

　　在考察中也了解了这些城市在&城市一卡通?的建设中的教训。重庆的教训是一开使就批准成立了两家公司从事&城市一卡通?业务,导致现在不是&一卡通?,而是两卡并存,两家都运营很好,谁也不服谁,而且一家是国有公司,一家是民营公司,现在要想整合非常难。重庆市信产局的同志在交谈中,一再强调,一个城市一定只能批准一家公司从事&城市一卡通?业务。

　　而唐山市因为没有建立单独的&城市一

　　热电偶测温基本原理

　　将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路。当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。

　　nbsp; 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6

　　K 镍铬 镍硅

　　T 纯铜 铜镍

　　J 铁 铜镍

　　N 镍铬硅 镍硅

　　E 镍铬 铜镍

　　装配式热电偶

　　应用

　　通常和显示仪表，记录仪表，电子计算机等配套使用。直接测量各种生产过程中的0-1300℃范围内液体.蒸汽和气体介质以及固体表面温度。

　　特点

　　● 装配简

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　　单，更换方便；

　　● 压簧式感温元件，抗震性能好；

　　● 测量范围大，机械强度高，耐压性能好；

　　工作原理

　　热电偶的电极由两根不同导体材质组成。当测量端与参比端存在温差时，就会产生热电势，工作仪表便显示出热电势所对应的温度值。

　　主要技术参数

　　产品执行标准

　　IEC584 IEC1515 GB/T16839-1997 JB/T9238-1999

　　常温绝缘电阻

　　热电偶在环境温度为20±15℃，相对湿度不大于80%，试验电压为500±50V（直流）电极与外套管之间的绝缘电阻≥1000MΩ。

　　测温范围及允差

　　型号 分度号 允差等级

　　Ⅰ Ⅱ

　　允差值 测温范围℃ 允差值 测温范围℃

　　WRN K ±1.5℃ -40∽+375 ±2.5℃ -40∽+333

　　±0.004∣t∣ 375∽1000 ±0.0075∣t∣ 333∽1200

　　WRM N ±1.5℃ -40∽+375 ±2.5℃ -40∽+333

　　±0.004∣t∣ 375∽1000 ±0.0075∣t∣ 333∽1200

　　WRE E ±1.5℃ -40∽+375 ±1.5℃ -40∽+333

　　±0.004∣t∣ 375∽800 ±0.004∣t∣ 333∽900

　　WRT J ±1.5℃ -40∽+375 ±1.5℃ -40∽+333

　　±0.004∣t∣ 375∽750 ±0.004∣t∣ 333∽750

　　WRC T ±0.5℃ -40∽+125 ±1℃ -40∽+133

　　±0.004∣t∣ 125∽350 ±0.0075∣t∣ 133∽350

　　注：|t|为感温元件的实测温度绝对值

　　W R Ｎ ２— ２ ３ ０ G

　　Ｗ 温度仪表

　　Ｒ 热电偶

　　Ｎ 感温元件材料

　　P 铂铑10—铂

　　N 镍铬—镍硅

　　M 镍铬硅—镍硅

　　E 镍铬—铜镍

　　C 铜—铜镍

　　F 铁—铜镍

　　２ 热电偶对数

　　无 单支

　　2 双支

　　２ 安装形式

　　1 无固定装置

　　2 固定螺纹

　　3 活动法兰

　　4 固定法兰

　　5 活络管接头式

　　6 固定螺纹锥形

　　7 直形管接头式

　　8 固定螺纹管接头式

　　9 活动螺纹管接头式

　　３ 接线盒形式

　　2 防喷式

　　3 防水式

　　０ 保护管直径

　　0 Ф16

　　1 Ф20

　　2 Ф16陶瓷保护管

　　3 Ф20陶瓷保护管

　　Ｇ 工作端形式

　　G 变径式

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　　纵横科技为工业自动化市场提供软硬一体化系统级的解决方案，并按照行业客户的专业应用需求提供产品定制服务

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　　热电偶测温原理及应用

　　张明春

　　肖燕红

　　攀宏钒制品厂攀钢热轧板厂

　　摘　要　热电偶测温在钢铁冶金工业中有着重要的意义,本文阐述了热电偶测温的原理及其应用。

　　关键词　温度　测温方法　热电偶测温

　　一、温度测量的基本概念温度是度量物体冷、热程度的物理量,在生产和科学中占有极其重要的地位,单位制(SI)中7角度来看,;,温度标志,温度高的物体,分子平均动能大,温度低的物体,分子平均动能小;从热平衡观点来看,温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量。而用来度量物体温度数值的标尺叫温标,它规定了温度的读数起点(零点)和测量温度的基本单位。目前用的较多的温标有华氏温标、摄氏温标、热力学温标和国际实用温标。

　　温度测量方式有接触式和非接触式两大类。

　　接触式测温法是将传感器置于与物体相同的热平衡状态中,使传感器与物体保持同一温度的测温方法。例如利用介质受热膨胀的原理制造的水银温度计,压力式温度计和双金属温度计等;利用物体电气参数随温度变化的特性来检测温度,如热电阻、热敏电阻、电子式温度传感器和热电偶等。

　　接触式测温仪表比较简单、可靠,测量精

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　　度较高;,,同时受耐高,不能应用于很高的温度测量。

　　非接触式仪表测温是通过热辐射原理来测量温度的,测温元件不需与被测物体的表面介质接触,实现这种测温方法可利用物体的表面热辐射强度与温度的关系来检测温度。有全辐射法、部分辐射法、单一波长辐射功率的亮度法及比较两个波长辐射功率的比色法等。

　　非接触式仪表测温的范围广,不受测温上限的限制,也不会破坏被测物体的温度场,反映速度快;但受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水汽等外界因素的影响,其测量误差较大。

　　二、热电偶测温基本原理

　　将两种不同材料(但符合一定要求)的导体或半导体A和B的任意一端焊接在一起就构成了热电偶。组成热电偶的导体或半导体称为热电极,被焊接的一端插入测温场所,称为工作端,另一端称冷端。当两端温度不同时就会有热电势产生,它是测量温度的感温元件,将温度信号转换为电信号再由仪表

　　2009年　　　第34卷　　　第3期　　　攀枝花科技与信息　　　(总第98期)

　　显示出来。

　　热电偶的测温原理就是利用了热电效应。任意两种材质不同的金属导体或半导体A和B首尾连接成闭合回路,只要两接点T1和T2的温度不同,就会产生热电势,形成热电流,这就是热电效应

　　。

　　热电偶原理图

　　热电势的大小与材质有关,与热电偶两端的温差有关。对应一定材质,其两端的温度与热电势间有固定的函数关系,利用这个关系就可以测出温度值来随温度的升高而增大,,而1.热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所为标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶,它有与其配套的显示仪表。非标准热电偶在使用范围或数量级上均不及标准热电偶,一般也没有统一的分度表,主要用于某些特殊场合的测量。

　　为了保证热电偶可靠、稳定地工作,对它的结构要求是:组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固;两个热电极彼此之间应很好地绝缘,以防短路;补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠;保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。

　　2.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。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不能超过100℃。

　　热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一,为接触式测温,其优点有:测量精度高,因热电偶直接与被测对象接触,不受中间介质的影响;测量范用的热电偶从-～,某些特殊热℃(如金铁镍铬),最高℃(如钨-铼);构造简单,使用方便,热电偶通常是由两种不同的金属丝组成,而且不受大小和开头的限制,外有保护套管,用起来非常方便。

　　热电偶测温的缺点是:热电偶损耗比较大,增大了维护量,备件费用消耗大;热响应有一定滞后。

　　三、热电偶的选型

　　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。

　　工业用热电偶作为温度测量仪表,通常用来和显示仪、记录仪等配套使用,以直接测量各种生产过程中从0℃～+1800℃范围内的液体、蒸汽和气体介质以及固体表面的温度。并可根据用户的要求做成铠装、装配、防爆等适合多种工业现场和实验室要求的产品。

　　1.热电偶的分度号与测温范围的关系(见表1)

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　　表1　热电偶的分度号与测温范围关系表

　　名　称铂老30—铂老6铂老10—铂铂老13—铂镍铬—镍硅镍铬—康铜镍铬—康铜

　　分度号BSRKET

　　测温范围0～1800℃0～1600℃0～1600℃-200～1300℃-200～800℃-200～350℃

　　直径(mm)12、16、20、12、16、20、12、16、20、12、16、20、12、16、20、12、16、20、允许误差℃±1.5℃或±0.25%

　　±1.5℃或±0.25%

　　±1.5℃或±0.25%

　　±2.5℃或±0.75%

　　±2.5℃或±0.75%

　　±2.5℃或±0.75%

　　2.根据用途和结构形式进行选型

　　(1)铠装热电偶

　　铠装热电偶具有体形细长、热

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　　响应快、耐

　　震动、使用寿命长以及便于弯曲等优点,广泛应用于航空、原子能、石油、化工、件、安装固定装置和接线装置等主要部件组成。

　　吹气型铠装热电偶是一种专用铠装热电偶。吹气型铠装热电偶结构原理是在铠装热电偶感温元件和外保护管之间构成一定的气路,在气路中,通入大于1.03×105Pa的惰性气体,以排除或减少热电偶在高温、高压条件下,还原气体的渗入从而延长了铠装热电偶的使用寿命。

　　铠装热电偶测温范围大,反应速度快,外径小、温度变化反应迅速,安装方便、使用寿命长,气密性好,机械强度好。可在有震动、低温、高温条件下使用。

　　(2)装配热电偶

　　域。、保护管、接

　　。

　　、耐腐,测温范围大,精度和承压高,且耐大气流冲刷,适用于热风炉等工业炉窖等高温、高压和腐蚀环境场合中的温度测量。

　　装配热电偶测量范围大、使用寿命长、安装使用方便。

　　(3)热套式电偶

　　热套式电偶主要用于测量蒸汽管道及锅炉温度。热电偶采用热套保护管与铠装热电偶(均为绝缘型)可分离方式,使用时,用户可将热套焊接或机械固定在设备上,然后装上电偶就可工作,它的优点是提高了保护管的工作压力和使用寿命,又便于电偶的维修或更换,目前这种结构形式被国外广泛采用。

　　热套式电偶还包括烟道、风道热电偶、高温高压热电偶、中温中压热电偶、低温低压热电偶。

　　(4)防爆热电偶

　　装配热电偶与显示仪表配套,在-200～1600℃范围内对气体、液体介质以及固体表面温度进行检测,广泛应用于航空、原子能、石油、化工、冶金、机械等工业部门和科技领

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　　防爆热电偶利用间隙隔爆原理,设计具

　　有足够强度的接线盒等部件,将所有会产生火花、电弧和危险温度的零部件都密封在接线盒腔内,当腔内发生爆炸时,能通过接合面间隙熄火和冷却,使爆炸后的火焰和温度传

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　　不到腔外,从而进行测温。

　　防爆热电偶可直接测量生产现场存在碳氢化合物等爆炸的0～1300℃范围内液体、蒸汽和气体介质以及固体表面温度。

　　防爆热电偶的特点是多种防爆形式,防爆性能好;压簧式感温元件,抗振性能好;测量范围大;机械强度高,耐压性能好。

　　3.热电偶的主要技术指标

　　(1)温度测量范围和允差

　　热电偶可测量温度的范围和允许误差与热电偶的分度号密切相关,表1已列出了常用的几种热电偶温度测量范围和允许误差。

　　(2)热响应时间

　　在温度出现阶跃变化时,热电偶的输出变化至相当于该阶跃变化的50%所需要的时间称为热响应时间,用τ0.5表示。

　　(3)公称压力

　　、壁厚有关,还与其结构形式、、置入深度以及被测介质的流速和种类等有关。

　　(4)最小置入深度

　　最小置入深度应不小于其保护管外径的8～10倍(特殊产品例外)。

　　(5)绝缘电阻(常温)

　　常温绝缘电阻的试验电压为直流500±50V,测量常温绝缘电阻的大气条件为温度15～35℃,相对湿度80%,大气压力86～106KPa。

　　(6)防爆等级(隔爆热电偶)

　　隔爆热电偶的防爆等级适用于爆炸性气体混合物最大安全间隙分为A、B、C三级。

　　4.热电偶的选型原则

　　首先应根据实际测温范围选择采用哪种分度号的热电偶;其次根据实际工艺情况要求选择采用何种结构形式的热电偶(铠装、装配、防爆热电偶等);最后根据热电偶的技术指标选择热电偶的长度、保护管材料、直径、

　　安装固定形式等。

　　四、热电偶测温在攀钢热轧板厂中的应用

　　攀钢热轧板厂有两座加热炉,加热炉为均热段平炉顶、上加热和上预热段轴向供热、下部侧向供热、滚轮斜台面式的板坯步进梁式加热炉。

　　加热炉分6个燃烧控制段进行加热:■　Z1:上部预热段　　Z2:下部预热段■　Z3:上部加热段Z4:下部加热段■　Z5:上部均热段Z6:下部均热段加热炉各段炉温测量设2支热电偶,采用的是S分度号的热电偶,一般使用温度为1100℃～1300℃:(、()。在一般情况下,温度控制器只使用其中一支热电偶信号,而另一支热电偶信号仅作监视用。热电偶所测温度作为温度调节器的输入信号,温度调节器的输出信号经过处理作为空气、煤气调节器的设定值控制空气、煤气阀门开度,最终实现对加热温度的控制。热电偶测温的准确可靠是热工制度正确执行、热轧产品质量得以保证的重要前提。

　　五、结束语

　　接触式测温仪表(热电偶)测量温度比较简单、可靠,测量精度较高;但因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。非接触式仪表测温(红外测温)是通过热辐射原理来测量温度,测温元件不需与被测介质接触,测温范围广,不受测温上限的限制,也不会破坏被测物体的温度场,反应速度快,寿命长;但由于受灵敏度限制、测量光谱带宽的影响及物体的发射率、测量距离、粉尘和水气等外界因素的影响,其测量误差