第4章 熱電偶溫度計

1、第4章 熱電偶溫度計 熱電偶溫度計由熱電偶、電測儀表、連接導(dǎo)線等組成。 固定螺紋錐形固定法蘭式固定螺紋式防水式防噴式鎧裝熱電偶4.1熱電現(xiàn)象和熱電偶的基本定律1 熱電現(xiàn)象和熱電偶溫度計 由兩種不同的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）A、B組成的閉合回路，當(dāng)接點1、2處于不同溫度時，回路就會出現(xiàn)電動勢，稱為熱電動勢，簡稱為熱電勢。 這一由溫度產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象稱為熱電現(xiàn)象。 這兩根導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）稱為熱電極。 進一步的研究表明，熱電勢是由溫差電勢和接觸電勢組成。溫差電勢 溫差電勢是由于一根導(dǎo)體兩端溫度不同而產(chǎn)生的熱電動勢。 設(shè)tt0， eA(t ,t0)稱為溫差電勢。 溫差電勢可表達為 e：單位電勢，4.80210

2、-10絕對靜電單位； K：玻爾茲曼常數(shù)，1.3810-23J/K； NA：電子密度，是溫度的函數(shù)。 從上式可見，eA(t ,t0)的大小取決于兩端溫差和電子密度。)(1),(00ttAAAtNdNeKtte 電子密度與材料有關(guān)， eA(t,t0)=f(材料，t,t0） 因此，eA(t,t0)只與熱電極性質(zhì)、兩端溫度有關(guān)，而與電極長度、截面積大小、沿長度的溫度分別無關(guān)。 溫差越大，eA(t,t0)也越大；兩端溫度相同時，溫差電勢為零。 為了表達方便，eA(t,t0)=A(t)-A(t0)； A(t)與材料、溫度有關(guān)。接觸電勢 是由于兩種材料電子密度不同而產(chǎn)生的電勢。 設(shè)NANB， eAB(t)為

3、接觸電勢。接觸電勢可表達為 接觸電勢的大小與接觸處溫度的高低和導(dǎo)體種類有關(guān)， eAB(t)=f(T,NAt-NBt)。 接觸處溫度越高，接觸電勢越大。BtAtABNNeKTteln)(熱電勢 綜合溫差電勢和接觸電勢可以知道由兩種不同材料組成的熱電偶的熱電勢EAB(t , t0)。 設(shè)tt0，NANB，按順時針方向取向。 熱電偶熱電勢EAB(t ,t0)為： EAB(t ,t0)=eAB(t)+eB(t ,t0)-eAB(t0)-eA(t ,t0) =eAB(t)+B(t)-B(t0)-eAB(t0)-A(t)+A(t0) =eAB(t)-A(t)+B(t)-eAB(t0)-A(t0)+B(t0

4、) =fAB(t)-fAB(t0)eA(t,t0)=f(材料，t,t0）, eAB(t)=f(T,NAt-NBt),fAB(t)與A的性質(zhì)、B的性質(zhì)、t有關(guān)，fAB(t0)與A的性質(zhì)、B的性質(zhì)、t0有關(guān)。 當(dāng)材料確定后，fAB(t)、fAB(t0)只與t、t0有關(guān)，而與長度、截面積等無關(guān)。 EAB(t,t0)只與t、t0有關(guān)。 保持t0不變，則fAB(t0)不變， EAB(t,t0)=fAB(t)-C，熱電勢只與t有關(guān)， 只要測出EAB(t,t0)就可求出溫度t的數(shù)值。 t稱為熱端、工作端、測量端；t0稱為冷端、自由端、參考端。 在冷端，電流從導(dǎo)體A流向?qū)wB，則A稱為正熱電極，B稱為負(fù)電極。

5、熱電偶的分度表 函數(shù)fAB的形式并不清楚，所以EAB(t ,t0)與t的關(guān)系只能用實驗方法確定。 用實驗確定熱電性質(zhì)時，使t0=0，然后制成EAB(t,t0)與t的表格。稱為熱電偶的分度表。 使用分度表時需注意：EAB(t,t0)是兩端溫度函數(shù)的差值，并不是線性的。因此，在不同的溫域內(nèi)，t0相同時，相同的t引起的E并不相等。2 熱電偶的基本定律1）均質(zhì)導(dǎo)體定律 由一種均質(zhì)導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）組成的閉合回路，不論導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）的截面積如何以及各處的溫度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢。 由該定律可以得到如下的結(jié)論：熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的材料構(gòu)成；由一種材料組成的閉合回路存在溫差時，回路如產(chǎn)生熱電勢，

6、便說明該材料是不均勻的。2）中間導(dǎo)體定律 由不同材料組成的閉合回路中，若各種材料接觸點的溫度都相同，則回路中熱電勢的總和等于零。由此定律可以得到如下的結(jié)論：在熱電偶回路中加入第三種均質(zhì)材料，只要接入導(dǎo)體的兩端溫度相同，則不影響原熱電偶熱電勢的大小。證：設(shè)tt0, NANBNC Etotal=eAB(t)+eB(t,t0)+eBC(t0)+eC(t0,t0)-eAC(t0)-eA(t,t0) Etotal=eAB(t)+eB(t,t0)-eAB(t0)-eA(t,t0) =eAB(t)+B(t)-B(t0)-eAB(t0)-A(t)+A(t0) =eAB(t)-A(t)+B(t)-eAB(t0)

7、-A(t)+B(t0) =fAB (t)-fAB(t0)=EAB(t,t0)CACBACBCNNeKTNNeKTtetelnln)()(0000)()(ln000teteNNeKTABBAAB 根據(jù)該推論，只要顯示儀表和連接導(dǎo)線接入熱電偶回路的兩端溫度相同，那么儀表和導(dǎo)線的接入不會影響到熱電偶產(chǎn)生的熱電勢大小。 在測量鋼水溫度、固體表面溫度時的應(yīng)用。如果兩導(dǎo)體A、B對另一種參考導(dǎo)體C的熱電勢為已知，則這兩種導(dǎo)體組成熱電偶AB的熱電勢是它們對參考導(dǎo)體C熱電勢的代數(shù)和。 即， EAB(t, t0)=EAC(t, t0)+ECB(t, t0)證：EAC(t, t0)+ECB(t, t0)=fAC(t

8、)-fAC(t0)+fCB(t)-fCB(t0) =eAC(t)-A(t)+C(t)-eAC(t0)-A(t0)+C(t0) +eCB(t)-C(t)+B(t)-eCB(t0)-C(t0)+B(t0) = eAC(t)+ eCB(t )-A(t)+B(t)-eAC(t0)+eCB(t0)- A(t0)+B(t0)原式=eAB(t)-A(t)+B(t)-eAB(t0)-A(t0)+B(t0) =EAB(t,t0)(lnlnln)()(teNNeKTNNNNeKTteteABBABCCACBAC例：已知，E銅-鉑(100,0)=0.75mv，E康銅-鉑(100,0)=-0.35mv； 求：E銅-康

9、銅(100,0)。 解：E銅-康銅(100,0)=E銅-鉑(100,0)+E鉑-康銅(100,0) = E銅-鉑(100,0)-E康銅-鉑(100,0) =0.75-(-0.35)=1.10mv。3) 中間溫度定律 接點溫度為t1和t3的熱電偶，它的熱電勢等于接點溫度分別為(t1,t2)和(t2,t3)的兩支同性質(zhì)的熱電偶的熱電勢代數(shù)和。 即 EAB(t1,t3)=EAB(t1,t2)+EAB(t2,t3)4.2 標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶1 熱電極材料的選擇對熱電極材料的要求：物理性能穩(wěn)定，能在較寬的溫度范圍內(nèi)使用，其熱電特性不隨時間變化；化學(xué)性能穩(wěn)定，不易氧化和電極間不相互滲透；熱電勢和熱電勢率要大（溫

10、度變化1引起的熱電勢變化），熱電勢與溫度間呈線性關(guān)系；復(fù)制性好，以便互換；價格便宜，加工方便。 只有滿足上述要求的材料才能制成熱電偶。但實際上，很難找到全部滿足上述要求的電極材料，只能根據(jù)所使用的條件范圍，選擇合適的熱電極材料。純金屬電極：熱電極容易復(fù)制，熱電勢率?。划?dāng)兩電極是由兩種純金屬組成時，熱電勢率平均為20V/,所以熱電偶的兩電極很少均采用純金屬。非金屬電極：電勢率大（可達1000V/），熔點高，復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性較差。合金電極：熱電性質(zhì)和工藝性能介于兩者之間。 常用的熱電偶一般是用純金屬與合金相配，或是合金與合金相配。2 標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶 標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶是指制造工藝較成熟、應(yīng)用廣泛、能成批生產(chǎn)

11、、性能優(yōu)良且穩(wěn)定并已列入專業(yè)或國家工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化文件中的那些熱電偶。 標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶：S（鉑銠10-鉑）、R（鉑銠13-鉑）、B（鉑銠30-鉑銠6）、K（鎳鉻-鎳硅）、J（鐵-康銅）、T（銅-康銅）、N（鎳鉻硅-鎳硅）3 熱電偶的構(gòu)造普通型熱電偶 組成：熱電極、絕緣材料、保護套管。鎧裝熱電偶 也是由三部分組成：熱電極、絕緣材料、保護套管。經(jīng)拉伸成為一體。4 補償導(dǎo)線a: Ea=EAB(t, tn)+EAB(tn, t0)b: Eb=EAB(t, tn)+EAB(tn, t0) 要使AB起到補償導(dǎo)線的作用，則AB的接入應(yīng)不影響Ea， Ea=Eb， EAB(tn,t0)=EAB(tn,t0)滿足上式有兩

12、種情況：A=A，B=B，即材質(zhì)與熱電偶相同，延伸型補償導(dǎo)線；AA，BB，在一定溫度范圍內(nèi)熱電特性相同，補償型補償導(dǎo)線。使用時應(yīng)注意：補償導(dǎo)線只能與相應(yīng)型號的熱電偶匹配使用；不得將極性接反；補償導(dǎo)線與熱電偶連接點的溫度，不得超過規(guī)定的使用溫度范圍；兩連接點溫度必須相同。4.3 熱電偶冷端補償問題1 計算法計算法 熱電偶測溫時，熱端為t，冷端為t0，測得的電勢為E(t,t0)。 根據(jù)中間溫度定律有：E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0) 可查表得E(t0,0)，求出E(t,0),查表得t。 例：已知K型熱電偶，在t0=35時，測得 EK(t,t0)=33.34mv。求t。解:由P263分度表

13、得 EK(30,0)=1.203， EK(40,0)=1.612， EK(35,0)=1.408mvEK(t,0)=EK(t,t0)+EK(t0,0)=33.34+1.408=34.748, 經(jīng)內(nèi)插查表得t=836.1。2 冷端恒溫法冷端恒溫法 熱電偶測溫時，如果保持冷端為0，則可直接應(yīng)用分度表，所以將冷端放置到冰點槽中，冰點槽保持在0。3 儀表機械零點調(diào)整法 當(dāng)冷端溫度比較穩(wěn)定時，測出t0，將顯示儀表零點調(diào)整到t0，熱電偶電勢輸入后，便可指示出熱端溫度t。 注意 此時是電勢相加，E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)，不是溫度相加。4 補償電橋法在熱電偶回路中串聯(lián)一個不平衡電橋，此電橋

14、輸出的電壓隨冷端溫度變化，從而修正熱電偶冷端溫度波動引起的誤差。 Es=f(t)-f(t0),t0變化引起的熱電勢變化為E； 電橋電壓變化為Uab,當(dāng)E= Uab,則補償。4.5 熱電勢的測量方法常用的測量熱電勢的儀表有動圈式儀表、手動電位差計、電子電位差計和數(shù)字電壓表等。1 動圈式溫度指示儀測量方法動圈式溫度指示儀測量方法工作原理 當(dāng)動圈內(nèi)流過電流時，動圈受到力的作用，作用方向由左手定則判定，與直徑方向垂直。 F=nBLI (N) n：動圈匝數(shù)；I：電流(A)；B：磁感應(yīng)強度(T)； L：動圈有效長度(m)。由F產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩為 M=F2r=2nrLBI =nABI=C1I A：動圈面積(2

15、rL)。動圈在力矩的作用下產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)過角度，張絲也轉(zhuǎn)過，張絲產(chǎn)生反作用力矩Mf Mf=K K：與張絲性能及張力有關(guān)的系數(shù)。當(dāng)M=Mf時，動圈處于平衡位置，有 即動圈的偏轉(zhuǎn)角與流過動圈的電流成正比。當(dāng)動圈儀表輸入為熱電偶的熱電勢E(t,0)時， =CI=CE(t,0)/Rtotal,在回路總電阻Rtotal一定時，與E(t,0)成正比。KIC1KIC /1CI測量線路中電阻的溫度補償 Rtotal=R內(nèi)R外 在R內(nèi)中，由于動圈電阻RD會隨溫度變化，需補償； R外=熱電偶電阻+補償導(dǎo)線電阻+連接導(dǎo)線電阻， 需要用調(diào)整電阻，使R外=15。2 手動電位差計測量方法形成已知電勢的電路有兩種：分壓線路：

16、從滑線電阻上取出電壓，與熱電勢進行比較；橋式線路：從橋路兩端取出電壓，與熱電勢進行比較。 UJ33D-1數(shù)顯電位差計UJ36a直流電位差計測量原理應(yīng)注意：校正工作電流 校正工作電流I1是為了產(chǎn)生精確的電流，使得可以從觸點位置確定熱電勢。 K打到標(biāo)準(zhǔn)側(cè)有： EN-I1RN=iR R包括檢流計內(nèi)阻、 標(biāo)準(zhǔn)電池內(nèi)阻。 調(diào)整RS，改變I1，使i=0， I1=EN/RN。經(jīng)過校正后，I1準(zhǔn)確度好。檢流計G應(yīng)有足夠的靈敏度 檢流計G的靈敏度直接影響到測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。測量回路的總電阻要適當(dāng)。 回路總電阻并不影響測量結(jié)果，但電阻過大，測量回路電流i很小，不利于檢流計檢出，造成測量誤差。熱電偶測量溫度誤差分析某200MW機組，正常運行時保持主