热电偶型温度传感器:如何理解热电偶型温度传感器的工作原理?

2021/11/01 14:35 · 传感器知识资讯 ·  · 热电偶型温度传感器:如何理解热电偶型温度传感器的工作原理?已关闭评论
摘要:

热电偶型温度传感器:如何理解热电偶型温度传感器的工作原理?热电偶型温度传感器具有量程大、成本低、响应速度快、耐久性好等特点,被广泛的应用于工业现场的温度测量。R型热电偶可以测量1700多度(℃)的高温,在高温测量场合有广泛的应用。今天这篇文章,我们来谈谈热电偶的工作原理。什么是热电偶

热电偶型温度传感器:如何理解热电偶型温度传感器的工作原理?  第1张

热电偶型温度传感器:如何理解热电偶型温度传感器的工作原理?

热电偶型温度传感器具有量程大、成本低、响应速度快、耐久性好等特点,被广泛的应用于工业现场的温度测量。R型热电偶可以测量1700多度(℃)的高温,在高温测量场合有广泛的应用。今天这篇文章,我们来谈谈热电偶的工作原理。
什么是热电偶呢?
热电偶(thermocouple)是把两种不同材料的金属的一端连接起来,利用热电效应来测量温度的传感器。如下图:
热电效应是热电偶的物理基础,什么是热电效应呢?
我们知道,当在一段金属丝的两端施加电压时,金属丝会有电流流过并发热。这种现象称为电流的热效应。
1821年,德国科学家托马斯·约翰·赛贝克(seebeck)发现了电流热效应的逆效应:即当给一段金属丝的两端施加不同的温度时,金属丝的两端会产生电动势,闭合回路后金属丝中会有电流流过。这种现象被称为热电效应,也称为塞贝克效应。
下面是热电效应的图解:
图中黑线表示金属丝,T1、T2和T3表示金属丝上不同的温度差,T3大于T1。
设T3和T1的温度差为ΔT,则金属丝两端的电压:
V31=S(T)xΔT;其中S(T)称为塞贝克系数。
既然一条金属丝两端在不同的温度下可以产生电压差,那么热电偶为什么要使用两种金属呢?
答案是:如果电压表的探针使用的是与被测金属丝相同的金属,理论上电压表将测量不到任何电压。因为这相当于把金属丝延长了,而延长后的金属丝两端没有温度差,因此就不会产生电压差。
不同金属的塞贝克系数是不同的,测量电压等于两种材料的塞贝克系数函数之差的积分,这就是热电偶使用两种不同金属的原因。
根据两种金属的种类及含量的不同,热电偶可分为不同的类型。
GB/T 将热电偶分成如下几个类别:
热电偶中两种金属的连接端称为测量端,也称为热端;与之相对应的一端称为冷端。冷端作为参考端,早期使用冰水温度(0℃)作为参考。通过测量的电压的不同,以冷端为参考,来计算热端的温度。
随着技术的发展,热电偶的冷端并不必须为0℃。目前市场一些PLC的热电偶模块,比如S7-1200的SM1231 Thermocouple,可以通过冷端补偿技术,根据测量到的电压值来计算出测量端的温度。示意图如下:
注:冷端作为参考端,温度应基本保持不变。
好了,关于热电偶的工作原理就先介绍到这里。欢迎扫描下方的二维码关注我们的微信公众号。
如何理解热电偶型温度传感器的工作原理

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热电偶型温度传感器:温度传感器

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热电偶型温度传感器:如何理解热电偶型温度传感器的工作原理?  第2张

热电偶型温度传感器:热电偶传感器

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热电偶传感器
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热电偶传感器是工业中使用最为普遍的接触式测温装置。这是因为热电偶具有性能稳定、测温范围大、信号可以远距离传输等特点,并且结构简单、使用方便。热电偶能够将热能直接转换为电信号,并且输出直流电压信号,使得显示、记录和传输都很容易。
[1]
中文名
热电偶传感器
类 型
感温元件
特 点
装配简单,更换方便
结构要求
两个热电极的焊接必须牢固
目录
1
基本介绍
2
热电偶
3
特点
4
构造
5
工作原理
6
分类
7
选型标准
热电偶传感器基本介绍
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热电偶是一种感温元件,是一种仪表。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电动势——热电动势,这就是所谓的塞贝克效应(Seebeck effect)。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。
[2]
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
热电偶传感器
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。
热电偶传感器热电偶
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热电偶测量温度时要求其冷端(测量端为热端,通过引线与测量电路连接的端称为冷端)的温度保持不变,其热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系。若测量时,冷端的(环境)温度变化,将严重影响测量的准确性。在冷端采取一定措施补偿由于冷端温度变化造成的影响称为热电偶的冷端补偿正常。附:热电偶冷端补偿计算方法:从毫伏到温度:测量冷端温度,换算为对应毫伏值,与热电偶的毫伏值相加,换算出温度。 从温度到毫伏:测量出实际温度与冷端温度,分别换算为毫伏值,相减後得出毫伏值,即得温度
热电偶传感器特点
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◆装配简单,更换方便◆压簧式感温元件,抗震性能好◆测量范围大(-200℃~1300℃,特殊情况下-270℃~2800℃)◆ 机械强度高,耐压性能好◆ 耐高温可达2800度
热电偶传感器构造
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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。
热电偶传感器工作原理
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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,当两个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工作端的两端温度函数的差,而不是热电偶冷端与工作端,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。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。
热电偶传感器分类
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常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用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。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。常用热电偶型号 热电偶分度号热电极材料 使用温度( ℃)S 铂铑合金(铑含量10 %) 纯铂 0-1600R 铂铑合金(铑含量13 %) 纯铂 0-1600B 铂铑合金(铑含量30%) 铂铑合金(铑含量6% ) 0-1800K 镍铬镍硅 0-1300T 纯铜 铜镍 0-350J 铁 铜镍 0-+500N 镍铬硅 镍硅 0-+800E 镍铬 铜镍 0-600热电偶的种类: 装配热电偶,铠装热电偶,端面热电偶,压簧固定热电偶,高温热电偶,铂铑热电偶,防腐热电偶,耐磨热电偶,高压热电偶,特殊热电偶,手持式热电偶,微型热电偶,贵金属热电偶 ,快速热电偶,钨铼热电偶,单芯铠装热电偶等等。从理论上讲,任何两种不同导体(或半导体)都可以配制成热电偶,但是作为实用的测温元件,对它的要求是多方面的。为了保证工程技术中的可靠性,以及足够的测量精度,并不是所有材料都能组成热电偶,一般对热电偶的电极材料,基本要求是:(1)、在测温范围内,热电性质稳定,不随时间而变化,有足够的物理化学稳定性,不易氧化或腐蚀;(2)、 电阻温度系数小,导电率高,比热小;(3)、测温中产生热电势要大,并且热电势与温度之间呈线性或接近线性的单值函数关系;(4)、材料复制性好,机械强度高,制造工艺简单,价格便宜。
热电偶传感器选型标准
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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。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—长度或插入深度产品选型及订货须知:1、在选用及订货时,请注明:2 产品型号2 分度号2 保护管材料及直径2 保护管总长L及置入深度I2 固定装置型式2 产品实际测量范围2、螺纹式固定装置型式在订货时不标注均为固定外螺纹M27×2,(其余螺纹固定型式均需注明)3、因用户特殊需要而与上述产品型号不符者,需要专门制造的产品,请注明您的特殊技术要求,来(或函)与我公司有关责任部门联系特殊订货。热电偶传感器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℃。
词条图册
更多图册
参考资料
1.

祝诗平.传感器与检测技术:北京大学出版社,中国林业出版社,2006年
2.

林德杰.化工仪表及自动化:机械工业出版社,2011.8

热电偶型温度传感器:热电阻温度传感器

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热电阻温度传感器
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热电阻温度传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的一种传感器温度计。热电阻温度传感器分为金属热电阻和半导体热敏电阻两大类。热电阻广泛用于测量-200~+850°C范围内的温度,少数情况下,低温可测至1K,高温达1000°C。热电阻传感器由热电阻、连接导线及显示仪表组成,热电阻也可以与温度变送器连接,将温度转换为标准电流信号输出。用于制造热电阻的材料应具有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率,输出最好呈线性,物理化学性能稳定,复线性好等。最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。
中文名
热电阻温度传感器
分 类
金属热电阻和半导体热敏电阻
测量温度
-200~+850°C
组成器件
热电阻、连接导线及显示仪表
常用热电阻
铂热电阻和铜热电阻
目录
1
工作方式
2
优点
3
选型资料
4
影响测量的因素
热电阻温度传感器工作方式
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语音
热电阻温度传感器
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。国标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。○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。
热电阻温度传感器优点
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热电阻温度传感器是一种常用的温度传感器产品,可以利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温,具有性能稳定、使用灵活、可靠性高等优点。
[1]
热电阻温度传感器选型资料
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型 号 分 度 号 测温范围℃ 测 温 点 数 保护管材料WRN-230D K 0-1000 2-12 GH-800 1Ci18Ni9NiWRE-230D E 0-600 1Ci18Ni9NiWRN-430D K 0-1000 GH-800 1Ci18Ni9NiWRE-430D E 0-600 Ci18Ni9Ni1) 热电偶 I 级按协议订货;2) 保护管其余材质根据协议订货;3) 外保护管用户应自备安装固定形式固定螺纹测温点数 M D D H h SW d2—6 M27x2 ¢40 ¢105 28 5 32 ¢207—12 M33x2 ¢48 ¢115 33 5 36 ¢34固定法兰测温点数 D D1 D2 H do d2—6 ¢105 ¢75 — 5 32 ¢207—12 ¢115 ¢85 — 5 36 ¢34选型须知1) 型号2) 分度号3) 精度等级4) 热电偶点数5) 安装固定形式6) 保护管材质7) 长度或插入深度例:多点热电偶, K 型, 3 点。 L 级,固定螺纹 M27X2,L 1=1200,L 2=1500,L 3=2000, WRN-220D3I 级 L 1=1200,L 2=1500,L 3=2000, 螺纹 M27x2
热电阻温度传感器影响测量的因素
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语音
插入深度
热电阻测量仪表
热电阻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。热电偶插入被测场所时,沿着传感器的长度方向将产生热流。当环境温度低时就会有热损失。致使热电偶温度传感器与被测对象的温度不一致而产生测温误差。总之,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,陶瓷材料绝热性能好,可插入浅一些。对于工程测温,其插入深度还与测量对象是静止或流动等状态有关,如流动的液体或高速气流温度的测量,将不受上述限制,插入深度可以浅一些,具体数值应由实验确定。
[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。热阻抗增加在高温下使用的热电阻温度传感器,如果被测介质为气态,那么保护管表面沉积的灰尘等将烧熔在表面上,使保护管的热阻抗增大;如果被测介质是熔体,在使用过程中将有炉渣沉积,不仅增加了热电偶的响应时间,而且还使指示温度偏低。因此,除了定期检定外,为了减少误差,经常抽检也是必要的。例如,进口铜熔炼炉,不仅安装有连续测温热电偶温度传感器,还配备消耗型热电偶测温装置,用于及时校准连续测温用热电偶的准确度。热辐射插入炉内用于测温的热电阻温度传感器,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。一般情况下,为了减少热辐射误差,应增大热传导,并使炉壁温度尽可能接近热电偶的温度。另外,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。以上就是影响热电偶温度传感器测量的四个因素,在使用的时候我们应当注意,根据实际情况,保证最佳的测量的效果。
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热电偶温度传感器与热电阻温度传感器之间应该如何选择?
在日常工作当中经常遇到使用温度传感器,热电偶和热电阻虽然都是作为感温元件,但是他们的原理和功用是不同的,同一个测温地点我们选择热电阻还是选择热电偶呢?今天我们来全面剖析一下。1、工作原理区别热电偶是由两根不同的导体或半导体材料焊接或绞接而成,分为热端和自由端,热端插入需要测...
2020-11-060
阅读24
参考资料
1.

热电阻温度传感器的个工作方式详解
.传感器应用网 [引用日期2016-04-28]
2.

影响热电偶温度传感器测量的几个因素
.传感器交易网[引用日期2012-11-13]

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