热电偶的特点及校准过程b课件.ppt
1,热电偶的特点及校准过程,李欣,市场技术部,福禄克公司计量校准部(中国),2013-4-25,Fluke Calibration,2,主题,热电偶的原理及特点典型校准方法,热电偶测温元件的校准热电偶温度校准仪的校准,Fluke Calibration,3,赛贝克电流金属,Fluke Calibration,T1,电流金属,T2,4,热电偶的原理 热电偶测温原理Seebeck Effect 塞贝克效应Copper 铜,原理图,热端,Iron 铁,冷端,T1,A,C,冷端,等效图,热端,B,T2,C,V,Fluke Calibration,5,常见热电偶类型及特点,热偶的分类,按材质：,* 贵金属热偶, S/R/B,* 廉金属热偶, K/J/E/N/T/,按用途和等级,* 工作用热电偶, 用于测温,* 标准热电偶, 作为标准,Fluke Calibration,6,热电偶的表达, 热偶的表达, 每种热偶都有其特定的数学表达式（温度与电势的输出关系） 其表达式是非线性的, 分度表-电压与温度的对应关系 检定规程附录,Fluke Calibration,7,热电偶特性曲线,Fluke Calibration,S,R,B,8,贵金属热电偶,型号,名称铂铑10-铂热电偶,俗称单铂铑热电偶,优点在热电偶系列中具有准确度最高，稳定性最好，测温温区宽，使用寿命长等优点。它的物理，化学性能良好，热电势稳定性及在高温下抗氧化性能好，适用于氧化性和惰性气氛中, 不需用补偿导线进行补偿,缺点热电势率较小，灵敏读低，高温下机械强度下降，对污染非常敏感，贵金属材料昂贵,测温范围长期最高使用温度为1300，短期最高使用温度为1600,铂铑13-铂热电偶,R型热电偶的综合性能与S型热电偶相当;研究表明：R型热电偶的稳定性和复现性比S型 同上热电偶均好,长期最高使用温度为1300，短期最高使用温度为1600,铂铑30-铂 在热电偶系列中具有准确度最高，稳定性最铑6热电偶； 好，测温温区宽，使用寿命长，测温上限高双铂铑热 等优点。适用于氧化性和惰性气氛中，也可电偶 短期用于真空中，不需用补偿导线进行补偿Fluke Calibration,不适用于还原性气氛或含有金属或非金属蒸气气氛，热电势率较小，灵敏读低，高温下机械强度下降，对污染非常敏感，贵金属材料昂贵,长期最高使用温度为1600，短期最高使用温度为1800,N,热电偶,E,电偶,J,电偶,T,9,廉金属热电偶,型号,名称,优点,缺点,测温范围,镍 铬-镍 硅 线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀 不能直接在高温下用于硫，-2001300,K,热电偶,性较好，抗氧化性能强，价格便宜等，能用于氧化性 还原性或还原，氧化交替惰性气氛中 的气氛中和真空中，也不,推荐用于弱氧化气氛中镍 铬硅- 镍 线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均 不能直接在高温下用于硫，-2001300硅热电偶 匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜，不受短程有序 还原性或还原，氧化交替化影响等优点,其综合性能优于K型热电偶,是一种很 的气氛中和真空中，也不,有发展前途的热电偶,推荐用于弱氧化气氛中,镍 铬-铜 镍 热电动势之大，灵敏度之高属所有热电偶之最，宜制 不能直接在高温下用于硫，-200900成热电堆，测量微小的温度变化。对于高湿度气氛的 还原性气氛中，热电势均腐蚀不甚灵敏，宜用于湿度较高的环境。E热电偶还 匀性较差具有稳定性好，抗氧化性能优于铜-康铜，铁-康铜热电偶，价格便宜等优点，能用于氧化性和惰性气氛中铁 -铜镍 热 线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均 正极铁在高温下氧化较快，-2001200匀性较好，价格便宜等, 可用于真空，氧化，还原和 故使用温度受到限制，也 通常使用的温度,惰性气氛中,不能直接无保护地在高温 范围为0750,下用于硫化气氛中铜 -铜镍 热 线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均 T型热电偶的正极铜在高 -200350匀性较好，价格便宜等,特别在-2000温区内使用，温下抗氧化性能差稳定性更好，年稳定性可小于3V，经低温检定可作为二等标准进行低温量值传递Fluke Calibration,热电偶测温的特点,优点测温范围宽结实耐用响应时间快无须外部激励制造容易，价格低热偶的应用场合高温的测量场合精度要求不高的场合Fluke Calibration,缺点准确度不高稳定性差需要对冷端进行补偿,10,典型热电偶温度检定/校准系统,热偶检定炉,热电偶,测温仪表,计算机软件,冰点槽,Fluke Calibration,11,热电偶测温以及检定中的常见问题 补偿导线及连接正确选择和使用 冷端补偿选择合适的冷端补偿 冰点的制作要点 热电偶检定系统热偶炉的操作热偶炉温场性能,Fluke Calibration,12,补偿导线及连接补偿导线的作用延长测量距离补偿导线的分类延伸型与热偶相同的材料补偿型在常温用与热电偶温度特性相同的金属线，不改变改热偶的热电关系 热电偶接头也是补偿导线的一部分,Fluke Calibration,13,常见补偿导线和连接头,Fluke Calibration,14,热电偶冷端温度补偿问题实际测得的温度是工作端（热端） V,和测量端（冷端）之差：T1-T2只有测量端（冷端）为0度时，热,V1,电偶测得的电压才能反映热端的温度外部补偿：制作一个温度为0度的 V2,冷端（或者已知的温度）内部补偿：是用仪表测量实际参考,0,T2,T1,T,端温度，将最终的测量值进行相应,的温度补偿。,工作端,T1,A,T2,铜,V,Fluke Calibration,B,铜,15,+,-,0冰点槽,C,C C,C C,外部冷端补偿外部冷端补偿原理原理：保证 T20应用：使用冰点槽或其他已有准确温度值的外部热源外部冷端补偿特点准确度高需外部设备+,VTC(TTC),Vo=VTC(TTC),T1,-,Fluke Calibration,0VJ1(0) VJ2(0)VJ1(0)+VJ2(0)=0,T2,16,冰点的制作外部冷端补偿，（0）检定温度计冰水混合物=冰点？制作冰点的要点：使用纯净的水制冰不应用手直接接触冰或水制冰容器和盛放冰点必须用纯净的水清洗“绿豆大小”的冰粒比较理想用水“洗冰”，使并表面“发乌”水不应过多，避免将冰浮起,Fluke Calibration,X,17,内部冷端补偿 被测物体的实际温度为T1，热电偶冷端温度为T2 V, 若V1是热偶冷端温度为零，T1时的电压，V2是热偶冷端温度为零，T2时的电压 当热偶冷端温度为T2,实际测量电压,V1V2,Va V1V2,（1）,0,T2,T1,T, 保证测量准确的方法：加上冷端补偿电压V2V1=（V1-V2）+ V2= Va + V2,Fluke Calibration,=实际测量电压 + 冷端补偿电压,（2）,18,内部冷端补偿内部冷端补偿原理原理：V1 = Va + V2= 实际测量电压 + 冷端补偿电压,冷端温度由测温仪内置的测温元件测出冷端补偿电压由计算机算出。内部冷端补偿特点,热电偶正端,测温元件T2,Fluke Calibration,方便， 不需外部设备准确度降低 测量温度的误差 测温点与连接点温度不易一致,T1,热电偶负端,测温仪,19,热电偶检定系统 福禄克检定系统全套专用测温设别，全部自动控制每个都是独立系统，可分可合热偶炉独立控温卓越温场性能 传统检定系统的构成多为多个厂家产拼凑合构成的系统采用数字表加多路开关模式热偶炉无法独立控温温场稳定性差高温漏电问题,Fluke Calibration,20,温度校验仪表热电偶部分JJF 1309-2011温度校准仪校准规范规程适用于各种温度校准仪也可以是多功能校准仪中的一部分实际上主要是过程仪表校验仪中的温度部分规定了有关温度的校准方法热电阻测量功能的校准热电阻输出功能的校准热电偶测量功能的校准热电偶测输出功能的校准,Fluke Calibration,21,校准温度校准仪的热电偶功能温度校准仪可以测量热电偶，显示对应的温度 此时，它相当于一个热电偶测温仪其热电偶测温不确定度一般为 0.5C 2.5C温度校准仪的参考端温度补偿功能必须校准温度校准仪也可以按设定的温度输出热电偶毫伏值 此时，温度校准仪相当于一个工作的热电偶其热电偶输出不确定度一般为 0.4C 2.5C输出毫伏值与参考端温度有关,Fluke Calibration,22,校准校验仪的热电偶测量功能校验仪可以测量热电偶，显示对应的温度 此时，校验仪相当于一个热电偶测温仪 需要向一个既对应热电偶参考端（过程仪表校验仪接线端），又对应热电偶工作端温度的标准毫伏值 国内一般常采用的校准方法比较复杂 可以用7526或5502/5522作为标准，直接校准过程仪表校验仪一般的过程仪表校验热电偶测温仪可以用5502/5522校准性能好的过程仪表校验仪电阻热电偶测温仪可以用7526校准5522A多功能校准器7526A多功能热工校准器,Fluke Calibration,23,国内一般常采用的校准方法 标准电压源由铜导线连接至冰点恒温槽，再经补偿导线连接至校验仪补偿导线须根据工作温度经过校准修正 校验仪按热电偶类型设置测量功能 打开校验仪的参考端温度自动补偿功能 设置标准电压源输出各校准温度值Ts所对应的电压值，读取校验仪温度读数Td，计算出温度误差T 。5522A,过程仪表校准仪（测量）Fluke Calibration,热电偶接头补偿线,铜线,多产品校准仪,24,e/Si,国内一般校准方法的难点 需要高性能的冰点恒温槽冰点槽的制作、维护都很麻烦 补偿导线须根据工作温度经过校准修正，得各点电压修正值 e补偿导线的校准修正工作量很大 计算量大查表或计算热电偶被校温度点的塞贝克系数 Si计算热电偶补偿导线的电压修正值的温度对应值计算测量温度误差： T = Td （Ts + e/Si ）5522A,Fluke Calibration,754A过程仪表校准仪（测量）,热电偶接头补偿线,铜线,多产品校准仪,25,改进的校准方法一 标准电压源由铜导线连接至有标准温度计（读数Tb）的保温水杯，再经补偿导线连接至校验仪 校验仪按热电偶类型设置模拟热电偶输出功能校验仪的参考端温度自动补偿功能需打开 设置标准电压源输出各校准温度值T1所对应的电压值 VoVo=V(TS)-V(Tb), 读取校验仪的温度读数 Td，计算出温度误差：标准温度计 Tb热电偶接头铜线补偿线,T = Td-Ts5522A多产品校准仪,Fluke Calibration,754A过程仪表校准仪（测量）,室温,26,改进校准方法一的优点 不需要冰点恒温槽，只需要一个准确测温的保温水杯保温杯中的水只需要稳定于实验室环境温度条件用标准温度计准确测量杯中水的温度，不确定度应优于 0.05， 补偿导线无需校准修正由于补偿导线两端的温差很小，由补偿线所引入的误差更小 计算量稍大查表计算温度值与电压的对应值：V(TS)和 V(Tb)计算校准器设置输出,Vo=V(TS)-V(Tb)计算温度测量误差T = Td-TS,热电偶接头补偿线,标准温度计 Tb铜线,5522A多产品校准仪,Fluke Calibration,754A过程仪表校准仪（测量）,室温,27,改进的校准方法二 校验仪由补偿导线连接至温度标准源（7526/55XX)的热电偶输出端 校验仪设置为热电偶测量功能 温度标准源设置为对应热电偶输出功能 校验仪和温度标准源的参考端温度自动补偿功能都需打开 设置温度标准源为各校准温度值TS，输出所对应的电压值，读取校验仪的,温度读数Td，温度误差为： T= Td-TS,754A过程仪表校准仪（测量）, 方便,快捷,计算量小！7526A热工多产品校准器,Fluke Calibration,28,用温度标准源校准的优点及需要注意的问题不需要冰点恒温槽由温度标准源提供精密参考端温度补偿,7526A热电偶不确定度,0.08C,也可以用5522/5502校准精度稍低的过程校准器，不确定度 0.14C补偿导线无需校准修正由于补偿导线两端的温差很小，由补偿线所引入的误差更小计算量小： T = Td-Ts = 0.1 ,两个温度读数之差需要注意：确认标准语被校准表的准确度比例使用正确的补偿导线754A过程仪表校准仪（测量）Fluke Calibration,5520A多产品校准仪,29,校准热电偶输出功能过程仪表校验仪可以按设定的温度输出热电偶毫伏值 此时，过程仪表校验仪相当于一个工作的热电偶过程仪表校验仪热电偶测温仪不确定度一般为 0.4 2.5 输出毫伏值与参考端温度有关 需要提供热电偶参考端补偿,用标准电压表/测温仪测量毫伏值8508A是最合适的标准数字多用表7526A是最合适的高精度测温仪 与热电偶测量功能类似，国内一般常采用的校准方法也比较复杂,Fluke Calibration,7526A多功能热工校准器,8508A标准数字多用表,30,国内一般常采用的校准方法 校验仪由补偿导线连接至冰点恒温槽，再经铜导线连接至标准数字电压表 校验仪按热电偶类型设置模拟输出功能校验仪的参考端温度自动补偿功能需要打开 补偿导线必须根据工作温度校准修正 设置校验仪输出各校准温度值TS所对应的电压值VTs ，读取标准数字电压表的电压读数V0 ，计算出温度误差T 。8508A高精度数字表热电偶接头铜线补偿线754A过程仪表校准仪（输出）,Fluke Calibration,31,国内一般校准方法的难点 需要高性能的冰点恒温槽冰点槽的制作、维护都很麻烦 补偿导线须根据工作温度经过校准修正。补偿导线的校准修正工作量很大 计算量比较大查表、计算热电偶的温度与电压的对应值 VTs计算测量电压误差 V = Vd+ e -VTs查表或计算被校温度点的塞贝克系 Si,Fluke Calibration,将测量的电压误差换算为该点的温度误差： T= V /Si热电偶接头铜线补偿线754过程仪表校准仪（输出）,8508A高精度数字表,32,改进的校准方法一 校验仪由补偿导线连接至一个内有标准温度计（读数Tb）的保温水杯，再经铜导线连接至标准数字电压表 校验仪按热电偶类型设置模拟输出功能校验仪的参考端温度自动补偿功能需打开设置校验仪输出各校准温度值T1所对应的电压值VTs ，读取标准数字电压表的电压读数Vd ，查表或计算出温度误差：T = （V d + VTb - VTs ）/S i8508A高精度数字表标准温度计Tb热电偶接头室温754过程仪表校准仪（输出）,Fluke Calibration,33,改进的校准方法一的要点 不需要冰点恒温槽，只需要一个准确测温VTb的保温水杯保温杯中的水只需要稳定于实验室环境温度条件用标准温度计准确测量杯中水的温度，不确定度应优于 ： 0.05， 补偿导线无需校准修正由于补偿导线两端的温差很小，由补偿线所引入的误差可以忽略 计算量稍大,查表计算温度值与电压的对应值： VTs,和 VTb,计算测量电压误差,V = Vd + VTb - VTs,查表计算被校温度点的塞贝克系数： Si计算温度测量误差 T = V /Si标准温度计热电偶接头754过程仪表校准仪（输出）Fluke Calibration,室温,8508A高精度数字表,34,改进的校准方法二 校验仪由补偿导线连接至7526A的热电偶测量端 校验仪按热电偶类型设置模拟输出功能 7526A设置为对应热电偶的测温功能校验仪和7526A的参考端温度自动补偿功能都需打开 设置校验仪输出各校准温度值T1所对应的电压值，读取7526A校准器的温,度读数Td， 计算出温度误差： = Td-Ts,754过程仪表校准仪（输出）, 方便、快捷，计算量小！7526A热工多产品校准器,Fluke Calibration,35,改进的校准方法二的优点,不需要冰点恒温槽由温度标准源提供参考端温度补偿,754过程仪表校准仪（输出）,7526A热电偶不确定度,0.08,也可以用5522/5502校准准确度稍低的过程校准器，不确定度 0.14C补偿导线无需校准修正由于补偿导线两端的温差很小，由补偿线所引入的误差可以忽略 计算量小： = Td-Ts = -0.16 两个温度读数之差5520A多产品校准仪,Fluke Calibration,36,V,1,几个值得注意的问题1.在校准热电偶测量/输出功能时不使用内补偿?应用时要使用内补偿功能，未校准就不能使用温度补偿是热电偶功能的核心功能,某些厂家未明示温度测量和温度补偿指标温度补偿指标是测温不确定度的主要部分无温度补偿的仪器实际是电学仪器 被测物体的实际温度为T1，热电偶冷端温度为T,V1V2, 当热偶工作端温度为T1，冷端温度为T2时实际测量的电压,0,T2,T1,T,Va V1V2 保证测量准确的方法：加上V2： 冷端补偿电压,V1 =（V1-V2）+ V2= Va + V2=实际测量电压 + 冷端补偿电压,工作端,T,AB,T 2,铜铜,V,Fluke Calibration,37,冷端温度补偿2. 有些人用简单的人工测温方法设置补偿电压测温后温度会变化测温的位置不易接近实际位置应为与补偿线连接处高低端间的温度差别会产生误差仪器内部的测温的位置无法接近5522内部的参考温度测量和补偿大面积厚铜片保证等温体,5522参考温度测量电路Fluke Calibration,高精度热敏电阻,38,总结-1 热电偶温度计的校准正确选择和使用补偿导线选择合适的冷端补偿热电偶检定系统热偶炉的操作便利性，独立控温热偶炉温场性能选择可靠的整体解决方案,Fluke Calibration,39,总结-2 热电偶温度校验仪表的校准温度校准仪及过程校准器的功能众多，需要的校准设备也比较多国内常用的校准方法在校准热电偶温度功能时工作量大，计算量也大特别是补偿线修正工作需要设备多，工作量大福禄克提供的两种改进方法，使用设备少，简单易行55XX校准器+7526+8508A是校准温度校准仪及过程校准仪的全面解决方案,7526A热工多产品校准器Fluke Calibration,8508A高精度数字表,5522A多产品校准器,40,
