熱電偶基礎(chǔ)知識(shí)介紹

1、2021-12-28第四章 非電量的電測(cè)技術(shù) 1 熱電偶傳感器介紹熱電偶傳感器介紹在工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度是需要測(cè)量和控制的重要參在工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度是需要測(cè)量和控制的重要參數(shù)之一。在溫度測(cè)量中，熱電偶的應(yīng)用極為廣泛，它數(shù)之一。在溫度測(cè)量中，熱電偶的應(yīng)用極為廣泛，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、測(cè)量范圍廣、精度高、慣具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、測(cè)量范圍廣、精度高、慣性小和輸出信號(hào)便于遠(yuǎn)傳等許多優(yōu)點(diǎn)性小和輸出信號(hào)便于遠(yuǎn)傳等許多優(yōu)點(diǎn), ,在溫度測(cè)量中在溫度測(cè)量中占有重要的地位。其測(cè)溫范圍較寬，一般為占有重要的地位。其測(cè)溫范圍較寬，一般為-50-5016001600，最高的可達(dá)到，最高的可達(dá)到30003000

2、。 另外，由于熱電偶是一種有源傳感器，測(cè)量時(shí)不需外另外，由于熱電偶是一種有源傳感器，測(cè)量時(shí)不需外加電源，使用十分方便，所以常被用作測(cè)量爐子、管加電源，使用十分方便，所以常被用作測(cè)量爐子、管道內(nèi)的氣體或液體的溫度及固體的表面溫度。道內(nèi)的氣體或液體的溫度及固體的表面溫度。2021-12-28第四章 非電量的電測(cè)技術(shù) 2一、一、 熱電偶的測(cè)溫原理熱電偶的測(cè)溫原理先看一個(gè)實(shí)驗(yàn)先看一個(gè)實(shí)驗(yàn)熱電偶工作原理演示熱電偶工作原理演示 結(jié)論：當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度不相同時(shí)，回路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。結(jié)論：當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度不相同時(shí)，回路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。 熱電極熱電極A A右端稱為：右端稱為：自由端自由端（參考端、（參考端、冷端）冷

3、端） 左端稱為：左端稱為：測(cè)量端（工測(cè)量端（工作端、熱端）作端、熱端） 熱電極熱電極B B熱電勢(shì)熱電勢(shì)A AB B2021-12-28第四章 非電量的電測(cè)技術(shù) 3從實(shí)驗(yàn)到理論：從實(shí)驗(yàn)到理論：熱電效應(yīng)熱電效應(yīng) 18211821年，德國物理學(xué)家賽貝克用兩種不同金屬組成閉年，德國物理學(xué)家賽貝克用兩種不同金屬組成閉合回路，并用酒精燈加熱其中一個(gè)接觸點(diǎn)（稱為結(jié)合回路，并用酒精燈加熱其中一個(gè)接觸點(diǎn)（稱為結(jié)點(diǎn)），發(fā)現(xiàn)放在回路中的指南針發(fā)生偏轉(zhuǎn)（說明什點(diǎn)），發(fā)現(xiàn)放在回路中的指南針發(fā)生偏轉(zhuǎn)（說明什么？），如果用兩盞酒精燈對(duì)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)同時(shí)加熱，指么？），如果用兩盞酒精燈對(duì)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)同時(shí)加熱，指南針的偏轉(zhuǎn)角反而減?。ㄓ?/p>

4、說明什么？）。南針的偏轉(zhuǎn)角反而減?。ㄓ终f明什么？）。顯然，指南針的偏轉(zhuǎn)說明回路中有電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生并有電顯然，指南針的偏轉(zhuǎn)說明回路中有電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生并有電流在回路中流動(dòng)，電流的強(qiáng)弱與兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫差有關(guān)。流在回路中流動(dòng)，電流的強(qiáng)弱與兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫差有關(guān)。 2021-12-28第四章 非電量的電測(cè)技術(shù) 4通過以上演示得出結(jié)論通過以上演示得出結(jié)論有關(guān)熱電偶熱電勢(shì)的討論有關(guān)熱電偶熱電勢(shì)的討論將兩種不同的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）將兩種不同的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）A A、B B組合成閉合回路。組合成閉合回路。若兩結(jié)點(diǎn)處溫度不同，則回路中將有電流流動(dòng)，即回若兩結(jié)點(diǎn)處溫度不同，則回路中將有電流流動(dòng)，即回路中有熱電動(dòng)勢(shì)存在。路中有熱電動(dòng)

5、勢(shì)存在。此電動(dòng)勢(shì)的大小除了與材料本身的性質(zhì)有關(guān)以外此電動(dòng)勢(shì)的大小除了與材料本身的性質(zhì)有關(guān)以外, ,還還決定于結(jié)點(diǎn)處的溫差，這種現(xiàn)象稱為決定于結(jié)點(diǎn)處的溫差，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)或塞貝熱電效應(yīng)或塞貝克效應(yīng)克效應(yīng)。熱電偶就是根據(jù)此原理設(shè)計(jì)制作的將溫差轉(zhuǎn)換為電勢(shì)熱電偶就是根據(jù)此原理設(shè)計(jì)制作的將溫差轉(zhuǎn)換為電勢(shì)量的熱電式傳感器。熱電效應(yīng)產(chǎn)生的熱電勢(shì)是由接觸量的熱電式傳感器。熱電效應(yīng)產(chǎn)生的熱電勢(shì)是由接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)兩部分組成的。電勢(shì)和溫差電勢(shì)兩部分組成的。2021-12-28第四章 非電量的電測(cè)技術(shù) 5（一）接觸電勢(shì)（一）接觸電勢(shì)產(chǎn)生原因：兩種不同的金屬互相接觸時(shí)，由于不同金產(chǎn)生原因：兩種不同的金屬互相接

6、觸時(shí)，由于不同金屬內(nèi)自由電子的密度不同，在兩金屬屬內(nèi)自由電子的密度不同，在兩金屬A A和和B B的接觸點(diǎn)處的接觸點(diǎn)處會(huì)發(fā)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象。自由電子將從密度大的會(huì)發(fā)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象。自由電子將從密度大的金屬金屬A A擴(kuò)散到密度小的金屬擴(kuò)散到密度小的金屬B B，使，使A A失去電子帶正電，失去電子帶正電，B B得到電子帶負(fù)電，從而產(chǎn)生接觸電勢(shì)：得到電子帶負(fù)電，從而產(chǎn)生接觸電勢(shì)：自自由由電電子子ABe eABAB(T)(T)T TBtAtABNNekttEln)(k k：波爾茲曼常數(shù)；：波爾茲曼常數(shù)； e e：?jiǎn)挝浑姾呻娏?；：?jiǎn)挝浑姾呻娏浚?N NATAT、N NBTBT：溫度為：溫度為T

7、T時(shí)時(shí), ,導(dǎo)體導(dǎo)體A A、B B的的自由電子密度。自由電子密度。2021-12-28第四章 非電量的電測(cè)技術(shù) 6（二）溫差電動(dòng)勢(shì)（二）溫差電動(dòng)勢(shì)溫度標(biāo)志著物質(zhì)內(nèi)溫度標(biāo)志著物質(zhì)內(nèi)部大量分子無規(guī)則部大量分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。溫度越高，表示物溫度越高，表示物體內(nèi)部分子熱運(yùn)動(dòng)體內(nèi)部分子熱運(yùn)動(dòng)越劇烈。越劇烈。 模擬圖：在一個(gè)密閉的空間里，氣體分子在高溫時(shí)的運(yùn)動(dòng)模擬圖：在一個(gè)密閉的空間里，氣體分子在高溫時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度比低溫時(shí)快！速度比低溫時(shí)快！溫度的影響溫度的影響2021-12-28第四章 非電量的電測(cè)技術(shù) 7定義：同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電定義：同一導(dǎo)體的兩端因其溫度

8、不同而產(chǎn)生的一種熱電勢(shì)勢(shì)溫差電動(dòng)勢(shì)溫差電動(dòng)勢(shì)同一導(dǎo)體的兩端溫度不同時(shí)同一導(dǎo)體的兩端溫度不同時(shí), , 高溫端的電子能量要比低溫高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大端的電子能量大, , 因而從高溫端跑到低溫端的電子數(shù)比從因而從高溫端跑到低溫端的電子數(shù)比從低溫端跑到高溫端的要多低溫端跑到高溫端的要多, , 結(jié)果高溫端因失去電子而帶正結(jié)果高溫端因失去電子而帶正電電, , 低溫端因獲得多余的電子而帶負(fù)電低溫端因獲得多余的電子而帶負(fù)電, , 形成一個(gè)靜電場(chǎng)，形成一個(gè)靜電場(chǎng)，該靜電場(chǎng)阻止電子繼續(xù)向低溫端遷移，最后達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。該靜電場(chǎng)阻止電子繼續(xù)向低溫端遷移，最后達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。因此，因此， 在導(dǎo)體兩端便形

9、成溫差電勢(shì)，公式：在導(dǎo)體兩端便形成溫差電勢(shì)，公式：E EA A（t t，t t0 0）=U=UAtAt-U-UAt0At0dTdttNdNekUUttEAtAtAttAA),(1),(tt000考慮：如果同一導(dǎo)體各點(diǎn)溫度相同，即考慮：如果同一導(dǎo)體各點(diǎn)溫度相同，即t tt t0 0，則回路總電，則回路總電動(dòng)勢(shì)必為零？動(dòng)勢(shì)必為零？2021-12-28第四章 非電量的電測(cè)技術(shù) 8（三）熱電偶回路的熱電勢(shì)（三）熱電偶回路的熱電勢(shì)熱電偶回路中總的熱電勢(shì)應(yīng)是接觸電勢(shì)與溫差電勢(shì)之熱電偶回路中總的熱電勢(shì)應(yīng)是接觸電勢(shì)與溫差電勢(shì)之和。和。E EABAB（t t，t t0 0）= =E EABAB（t t） +E

10、EB B（t t，t t0 0） - -E EABAB（t t0 0）- -E EA A（t t，t t0 0）經(jīng)實(shí)踐證明，在熱電偶中起主要作用的是接觸電動(dòng)勢(shì)，溫差經(jīng)實(shí)踐證明，在熱電偶中起主要作用的是接觸電動(dòng)勢(shì)，溫差電動(dòng)勢(shì)只占極小部分?？梢院雎圆挥?jì)：電動(dòng)勢(shì)只占極小部分?？梢院雎圆挥?jì)：E EABAB（t t，t t0 0）= = E EABAB（t t）- -E EABAB（t t0 0）dTNNekBtAtlntt02021-12-28第四章 非電量的電測(cè)技術(shù) 9綜上所述，如下結(jié)論：綜上所述，如下結(jié)論：熱電偶回路中熱電動(dòng)勢(shì)的大小，與組成熱電偶的導(dǎo)熱電偶回路中熱電動(dòng)勢(shì)的大小，與組成熱電偶的導(dǎo)體材

11、料和兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)，而與熱電偶的形狀尺體材料和兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)，而與熱電偶的形狀尺寸無關(guān)。當(dāng)熱電偶兩電極材料固定后，熱電動(dòng)勢(shì)便寸無關(guān)。當(dāng)熱電偶兩電極材料固定后，熱電動(dòng)勢(shì)便是兩接點(diǎn)溫度為是兩接點(diǎn)溫度為t t和和t t0 0時(shí)的函數(shù)差：時(shí)的函數(shù)差：對(duì)于已選定的熱電偶對(duì)于已選定的熱電偶, , 當(dāng)參考端溫度當(dāng)參考端溫度t t0 0恒定時(shí)恒定時(shí), , E EABAB(t(t0 0) )為常數(shù)為常數(shù), ,則總的熱電動(dòng)勢(shì)就只與溫度則總的熱電動(dòng)勢(shì)就只與溫度t t成單值成單值函數(shù)關(guān)系函數(shù)關(guān)系, , 即即 ABAB(t,t(t,t0 0)=E)=EABAB(t)-C=(t)-C=(t)(t)E EABAB（t

12、t，t t0 0）= = E EABAB（t t）- -E EABAB（t t0 0）)f(t-f(t)t(t,E00AB2021-12-28第四章 非電量的電測(cè)技術(shù) 10（四）實(shí)際應(yīng)用（四）實(shí)際應(yīng)用我國從我國從1991年開始采用國際計(jì)量委員會(huì)規(guī)定的年開始采用國際計(jì)量委員會(huì)規(guī)定的“1990年國際溫標(biāo)年國際溫標(biāo)”（簡(jiǎn)稱（簡(jiǎn)稱ITS-90）的新標(biāo)準(zhǔn)。按）的新標(biāo)準(zhǔn)。按此標(biāo)準(zhǔn)，制定了相應(yīng)的分度表，并且有相應(yīng)的線性化此標(biāo)準(zhǔn)，制定了相應(yīng)的分度表，并且有相應(yīng)的線性化集成電路與之對(duì)應(yīng)。集成電路與之對(duì)應(yīng)。 目前熱電偶統(tǒng)一規(guī)定在目前熱電偶統(tǒng)一規(guī)定在T0=0的條件下，給出測(cè)量的條件下，給出測(cè)量端溫度與熱電勢(shì)的數(shù)值對(duì)

13、照表，即分度表自由端（約端溫度與熱電勢(shì)的數(shù)值對(duì)照表，即分度表自由端（約束條件：冷端溫度必須為束條件：冷端溫度必須為0 ）。實(shí)際測(cè)溫時(shí)，根）。實(shí)際測(cè)溫時(shí)，根據(jù)測(cè)出的熱電勢(shì)可通過查對(duì)應(yīng)的分度表，查得所測(cè)的據(jù)測(cè)出的熱電勢(shì)可通過查對(duì)應(yīng)的分度表，查得所測(cè)的溫度值。溫度值。本教材本教材p366的的附錄附錄列出了工業(yè)中常用的分度表列出了工業(yè)中常用的分度表 2021-12-28第四章 非電量的電測(cè)技術(shù) 11二、有關(guān)熱電偶的幾點(diǎn)結(jié)論二、有關(guān)熱電偶的幾點(diǎn)結(jié)論規(guī)定：規(guī)定：ABAB(t,t(t,t0 0) )的含義，按位置順序的含義，按位置順序A A表示熱電偶正極；表示熱電偶正極；B B表示負(fù)極表示負(fù)極t t表示測(cè)量

14、端溫度；表示測(cè)量端溫度；t0t0表示冷端溫度；表示冷端溫度；符號(hào)變化，位置規(guī)定的含義不變。符號(hào)變化，位置規(guī)定的含義不變。ABAB(t,t(t,t0 0)=-E)=-EBABA(t,t(t,t0 0)=-E)=-EABAB(t(t0 0,t),t)解釋：當(dāng)解釋：當(dāng)N NA ANNB B,A,A為正極，為正極，B B為負(fù)極。腳注為負(fù)極。腳注ABAB的順序表的順序表示電動(dòng)勢(shì)的方向。當(dāng)腳注順序改變時(shí)，電動(dòng)勢(shì)前面的示電動(dòng)勢(shì)的方向。當(dāng)腳注順序改變時(shí)，電動(dòng)勢(shì)前面的符號(hào)（、）隨之改變。符號(hào)（、）隨之改變。利用熱電偶作為傳感器來檢測(cè)溫度時(shí)，必須在熱電偶回路中引入顯示或記錄儀表，利用熱電偶作為傳感器來檢測(cè)溫度時(shí)，

15、必須在熱電偶回路中引入顯示或記錄儀表，并用連接導(dǎo)線將它們連接起來，因此必須掌握下面的基本定律，以保證能夠正確并用連接導(dǎo)線將它們連接起來，因此必須掌握下面的基本定律，以保證能夠正確的選擇和使用熱電偶。的選擇和使用熱電偶。2021-12-28第四章 非電量的電測(cè)技術(shù) 121）熱電勢(shì)的大小僅與材料的性質(zhì)及其兩端點(diǎn)的溫度）熱電勢(shì)的大小僅與材料的性質(zhì)及其兩端點(diǎn)的溫度有關(guān)，而與熱電偶的形狀、大小無關(guān)。有關(guān)，而與熱電偶的形狀、大小無關(guān)。燒斷的熱電偶可重新焊接，用于測(cè)溫。燒斷的熱電偶可重新焊接，用于測(cè)溫。2）如果構(gòu)成熱電偶的兩個(gè)熱電極為材料相同的均質(zhì)）如果構(gòu)成熱電偶的兩個(gè)熱電極為材料相同的均質(zhì)導(dǎo)體，則無論兩結(jié)

16、點(diǎn)溫度如何，熱電偶回路內(nèi)的總熱導(dǎo)體，則無論兩結(jié)點(diǎn)溫度如何，熱電偶回路內(nèi)的總熱電勢(shì)為零電勢(shì)為零均質(zhì)導(dǎo)體定律均質(zhì)導(dǎo)體定律必須采用兩種不同的材料作為熱電極。必須采用兩種不同的材料作為熱電極。0ln),(tt00dTNNekttEAtAtAB溫差電動(dòng)溫差電動(dòng)勢(shì)只占極小勢(shì)只占極小部分部分2021-12-28第四章 非電量的電測(cè)技術(shù) 133 3）如果熱電偶兩結(jié)點(diǎn)溫度相等）如果熱電偶兩結(jié)點(diǎn)溫度相等t=tt=t0 0，熱電偶回路內(nèi)的總，熱電偶回路內(nèi)的總電勢(shì)亦為零。電勢(shì)亦為零。4 4）熱電偶）熱電偶ABAB的熱電勢(shì)與的熱電勢(shì)與A A、B B材料的中間溫度無關(guān)，只材料的中間溫度無關(guān)，只與結(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)。與結(jié)點(diǎn)溫度有

17、關(guān)。5 5）中間導(dǎo)體定律中間導(dǎo)體定律 利用熱電偶進(jìn)行測(cè)溫利用熱電偶進(jìn)行測(cè)溫, , 必須在回路中必須在回路中引入連接導(dǎo)線和引入連接導(dǎo)線和儀表儀表, , 接入導(dǎo)線和儀表后會(huì)不會(huì)影響回路中的熱電勢(shì)接入導(dǎo)線和儀表后會(huì)不會(huì)影響回路中的熱電勢(shì)呢？呢？0ln),(tt00dTNNekttEBtAtAB中間導(dǎo)體定律：在熱電偶測(cè)中間導(dǎo)體定律：在熱電偶測(cè)溫回路內(nèi)溫回路內(nèi), , 接入接入第三種導(dǎo)體第三種導(dǎo)體C C, , 只要其兩端溫度相同只要其兩端溫度相同, , 則對(duì)回則對(duì)回路的總熱電勢(shì)沒有影響。路的總熱電勢(shì)沒有影響。2021-12-28第四章 非電量的電測(cè)技術(shù) 14l證明證明: :中間導(dǎo)體定律中間導(dǎo)體定律 由于溫

18、差電勢(shì)可忽略不計(jì)由于溫差電勢(shì)可忽略不計(jì), , 則回路中的總熱電勢(shì)等于則回路中的總熱電勢(shì)等于各接點(diǎn)的接觸電勢(shì)之和。即各接點(diǎn)的接觸電勢(shì)之和。即E EABCABC(T,T(T,T0 0)=e)=eABAB(T)+e(T)+eBCBC(T(T0 0)+e)+eCACA(T(T0 0) ) （* *）當(dāng)當(dāng)T=TT=T0 0時(shí)時(shí), ,有有E EABCABC(T(T0 0)=e)=eABAB(T(T0 0 )+e )+eBCBC(T(T0 0)+e)+eCACA(T(T0 0)=0)=0由此得由此得e eABAB(T(T0 0 ) )-e-eBCBC(T(T0 0)-e)-eCACA(T(T0 0)=0)=

19、0代入代入（* *）式式ABCABC(T,T(T,T0 0)=e)=eABAB(T)-e(T)-eABAB(T(T0 0)=e)=eABAB(T,T(T,T0 0) ) 同理同理, ,加入第四、第五種導(dǎo)體后加入第四、第五種導(dǎo)體后, ,只要加入的導(dǎo)體兩端溫只要加入的導(dǎo)體兩端溫度相等度相等, ,同樣不影響回路中的總熱電勢(shì)。同樣不影響回路中的總熱電勢(shì)。 2021-12-28第四章 非電量的電測(cè)技術(shù) 15利用熱電偶測(cè)溫時(shí)，連接導(dǎo)線和顯示儀表等均可看成中間導(dǎo)體。利用熱電偶測(cè)溫時(shí)，連接導(dǎo)線和顯示儀表等均可看成中間導(dǎo)體。根據(jù)中間導(dǎo)體定律只要保證連接導(dǎo)線和顯示儀表各自兩端的溫度根據(jù)中間導(dǎo)體定律只要保證連接導(dǎo)線

20、和顯示儀表各自兩端的溫度相同，則對(duì)熱電偶的熱電勢(shì)沒有影響。因此中間導(dǎo)體定律對(duì)熱電相同，則對(duì)熱電偶的熱電勢(shì)沒有影響。因此中間導(dǎo)體定律對(duì)熱電偶的實(shí)際應(yīng)用有十分重要的意義。圖利用中間導(dǎo)體定律制成開路偶的實(shí)際應(yīng)用有十分重要的意義。圖利用中間導(dǎo)體定律制成開路電偶測(cè)量金屬和金屬壁面的溫度。電偶測(cè)量金屬和金屬壁面的溫度。根據(jù)此定律，除可在熱電偶測(cè)溫回路中接入各種類型的顯示儀表根據(jù)此定律，除可在熱電偶測(cè)溫回路中接入各種類型的顯示儀表或調(diào)節(jié)器外，也可以推廣到對(duì)液態(tài)金屬材料和固態(tài)金屬材料表面或調(diào)節(jié)器外，也可以推廣到對(duì)液態(tài)金屬材料和固態(tài)金屬材料表面的溫度測(cè)量，如圖所示。有時(shí)為了提高測(cè)量精度，或者為了使用的溫度測(cè)量，

21、如圖所示。有時(shí)為了提高測(cè)量精度，或者為了使用上的方便，將熱電極上的方便，將熱電極A A和和B B直接插入液態(tài)金屬或焊在固體金屬表面直接插入液態(tài)金屬或焊在固體金屬表面上。例如，用熱電偶連續(xù)測(cè)量鐵水的溫度就是這樣的。在連續(xù)測(cè)上。例如，用熱電偶連續(xù)測(cè)量鐵水的溫度就是這樣的。在連續(xù)測(cè)量過程中，熱電極不斷地被鐵水熔掉，而根據(jù)這個(gè)定律，就不需量過程中，熱電極不斷地被鐵水熔掉，而根據(jù)這個(gè)定律，就不需要先焊接了。要先焊接了。 T0ABT金屬壁面MM連接管熱電偶液態(tài)金屬2021-12-28第四章 非電量的電測(cè)技術(shù) 166）標(biāo)準(zhǔn)電極定律）標(biāo)準(zhǔn)電極定律當(dāng)結(jié)點(diǎn)溫度為當(dāng)結(jié)點(diǎn)溫度為t, t0時(shí)，用導(dǎo)體時(shí)，用導(dǎo)體A，B組成

22、的熱電偶組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)等于的熱電動(dòng)勢(shì)等于AC熱電偶和熱電偶和CB熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和。的代數(shù)和。)t(t,E-)t(t,E)t(t,E0BC0AC0AB+Att0+tt0+tt0CCBBA)(tE-(t)E)t(t,E0ACAC0AC)(tE-(t)E)t(t,E0BCBC0BC如圖，導(dǎo)體如圖，導(dǎo)體A A、B B分別與標(biāo)準(zhǔn)電極分別與標(biāo)準(zhǔn)電極C C組成熱電偶，若它們所產(chǎn)生的組成熱電偶，若它們所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)為已知，即熱電動(dòng)勢(shì)為已知，即那么，導(dǎo)體那么，導(dǎo)體A A與與B B組成的熱電偶，其組成的熱電偶，其熱電動(dòng)勢(shì)可由下式求得：熱電動(dòng)勢(shì)可由下式求得：2021-12-28第四

23、章 非電量的電測(cè)技術(shù) 17應(yīng)用：標(biāo)準(zhǔn)電極定律是一個(gè)極為實(shí)用的定律。應(yīng)用：標(biāo)準(zhǔn)電極定律是一個(gè)極為實(shí)用的定律。純金屬的種類很多，合金類型更多。要得出這些金屬純金屬的種類很多，合金類型更多。要得出這些金屬之間組合而成熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)，工作量極大。由于之間組合而成熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)，工作量極大。由于鉑的物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，熔點(diǎn)高，易提純，所以，鉑的物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，熔點(diǎn)高，易提純，所以，通常選用高純鉑絲作為標(biāo)準(zhǔn)電極，只要測(cè)得各種金屬通常選用高純鉑絲作為標(biāo)準(zhǔn)電極，只要測(cè)得各種金屬與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)表與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)表4-24-2，則各種金屬之，則各種金屬之間相互組合而成的熱電偶的熱

24、電動(dòng)勢(shì)可直接計(jì)算。間相互組合而成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)可直接計(jì)算。例如：熱端為例如：熱端為100100，冷端為，冷端為00時(shí)，鎳鉻合金與純鉑時(shí)，鎳鉻合金與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)為組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)為2.95mV2.95mV，考銅與純鉑組成，考銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)為的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)為-4.0mV-4.0mV；則鎳鉻和考銅組合成；則鎳鉻和考銅組合成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)：的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)：2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV用于制造用于制造鉑鉑熱電偶熱電偶的各種的各種鉑鉑熱電偶絲熱電偶絲2021-12-28第四章 非電量

25、的電測(cè)技術(shù) 18三、熱電偶冷端溫度補(bǔ)償三、熱電偶冷端溫度補(bǔ)償熱電效應(yīng)的原理可知，熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)與熱電效應(yīng)的原理可知，熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)與兩端溫度有關(guān)。只有將冷端的溫度恒定，熱電動(dòng)兩端溫度有關(guān)。只有將冷端的溫度恒定，熱電動(dòng)勢(shì)才是熱端溫度的單值函數(shù)。勢(shì)才是熱端溫度的單值函數(shù)。必要性：必要性：1 1、用熱電偶的分度表查毫伏數(shù)、用熱電偶的分度表查毫伏數(shù)- -溫度時(shí)，溫度時(shí)，必須滿足必須滿足t t0 0=0=0 C C的條件的條件。在實(shí)際測(cè)溫中，冷端溫度常隨環(huán)境溫。在實(shí)際測(cè)溫中，冷端溫度常隨環(huán)境溫度而變化，這樣度而變化，這樣t t0 0不但不是不但不是0 0 C C，而且也不恒定，而且也不恒定，

26、 因因此將產(chǎn)生誤差。此將產(chǎn)生誤差。2 2、 一般情況下，冷端溫度均高于一般情況下，冷端溫度均高于0 0 C C，熱電勢(shì)總是偏，熱電勢(shì)總是偏小。應(yīng)想辦法消除或補(bǔ)償熱電偶的冷端損失小。應(yīng)想辦法消除或補(bǔ)償熱電偶的冷端損失 。2021-12-28第四章 非電量的電測(cè)技術(shù) 19（一）補(bǔ)償導(dǎo)線法（一）補(bǔ)償導(dǎo)線法采用相對(duì)廉價(jià)的補(bǔ)償導(dǎo)線，可延長(zhǎng)熱電偶的冷端，使采用相對(duì)廉價(jià)的補(bǔ)償導(dǎo)線，可延長(zhǎng)熱電偶的冷端，使之遠(yuǎn)離高溫區(qū)；可節(jié)約大量貴金屬；易彎曲，便于敷之遠(yuǎn)離高溫區(qū)；可節(jié)約大量貴金屬；易彎曲，便于敷設(shè)。設(shè)。 所謂補(bǔ)償導(dǎo)線：實(shí)際上是一對(duì)材料化學(xué)成分不同的導(dǎo)所謂補(bǔ)償導(dǎo)線：實(shí)際上是一對(duì)材料化學(xué)成分不同的導(dǎo)線，在線，在0

27、100溫度范圍內(nèi)與配接的熱電偶有一致溫度范圍內(nèi)與配接的熱電偶有一致的熱電特性，但價(jià)格相對(duì)要便宜。若利用補(bǔ)償導(dǎo)線，的熱電特性，但價(jià)格相對(duì)要便宜。若利用補(bǔ)償導(dǎo)線，將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的場(chǎng)所將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的場(chǎng)所(如儀表室如儀表室)，其實(shí)質(zhì)是相當(dāng)于將熱電極延長(zhǎng)。其實(shí)質(zhì)是相當(dāng)于將熱電極延長(zhǎng)。2021-12-28第四章 非電量的電測(cè)技術(shù) 20補(bǔ)償導(dǎo)線型號(hào)補(bǔ)償導(dǎo)線型號(hào)書書p70 p70 表表4 43 3 2021-12-28第四章 非電量的電測(cè)技術(shù) 21補(bǔ)償導(dǎo)線外形補(bǔ)償導(dǎo)線外形 AABB屏蔽層屏蔽層保護(hù)層保護(hù)層2021-12-28第四章 非電量的電測(cè)技術(shù) 22在使用延長(zhǎng)線時(shí)的應(yīng)注意以下

28、幾方面：在使用延長(zhǎng)線時(shí)的應(yīng)注意以下幾方面：各種延長(zhǎng)線只能與相應(yīng)型號(hào)的熱電偶配用，而且必各種延長(zhǎng)線只能與相應(yīng)型號(hào)的熱電偶配用，而且必須在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)使用；須在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)使用；注意極性，不能接反，否則會(huì)造成更大的誤差；注意極性，不能接反，否則會(huì)造成更大的誤差；延長(zhǎng)線與熱電偶連接的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)，其溫度必須相同。延長(zhǎng)線與熱電偶連接的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)，其溫度必須相同。2021-12-28第四章 非電量的電測(cè)技術(shù) 23例例:采用鎳鉻采用鎳鉻-鎳硅熱電偶測(cè)量爐溫。熱端溫度為鎳硅熱電偶測(cè)量爐溫。熱端溫度為800，冷端溫度為，冷端溫度為50。為了進(jìn)行爐溫的調(diào)節(jié)及顯示，必須將熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)。為了進(jìn)行爐溫的調(diào)節(jié)

29、及顯示，必須將熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào)送到儀表室，儀表室的環(huán)境溫度恒為信號(hào)送到儀表室，儀表室的環(huán)境溫度恒為20。由鎳鉻由鎳鉻- -鎳硅熱電偶分度表查出它在冷端溫度為鎳硅熱電偶分度表查出它在冷端溫度為0 0，熱端溫度為，熱端溫度為800800時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)為時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)為E(800E(800，0)0)= =33.275mV33.275mV；熱端溫度為；熱端溫度為5050時(shí)的時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)為熱電動(dòng)勢(shì)為E(50E(50，0)0)= =2.023mV2.023mV；熱端溫度為；熱端溫度為2020時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)為時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)為E(20E(20，0)=0.798mV0)=0.798mV。如果熱電偶與儀表之間直接

30、用銅導(dǎo)線連接，根據(jù)中間導(dǎo)體定律，輸入如果熱電偶與儀表之間直接用銅導(dǎo)線連接，根據(jù)中間導(dǎo)體定律，輸入儀表的熱電動(dòng)勢(shì)為：儀表的熱電動(dòng)勢(shì)為：E(800E(800，50)=E(80050)=E(800，0)-E(500)-E(50，0)=(33.277-0)=(33.277-2.022)mV=31.255mV(2.022)mV=31.255mV(相當(dāng)于相當(dāng)于751751) )。如果熱電偶與儀表之間用補(bǔ)償導(dǎo)線連接，相當(dāng)于將熱電偶延伸到儀表如果熱電偶與儀表之間用補(bǔ)償導(dǎo)線連接，相當(dāng)于將熱電偶延伸到儀表室，輸入儀表的熱電動(dòng)勢(shì)為室，輸入儀表的熱電動(dòng)勢(shì)為：E(800E(800，20)=E(80020)=E(800，

31、0)-E(200)-E(20，0)=(33.277-0.798)mV=32.479mV(0)=(33.277-0.798)mV=32.479mV(相當(dāng)于相當(dāng)于781781) )。與爐內(nèi)的真實(shí)溫與爐內(nèi)的真實(shí)溫度相差分別為：度相差分別為： 751751-800-800=-49=-49 781 781-800-800=-19=-19 可見，補(bǔ)償導(dǎo)線的作用是很明顯的?？梢?，補(bǔ)償導(dǎo)線的作用是很明顯的。2021-12-28第四章 非電量的電測(cè)技術(shù) 24例例4-82021-12-28第四章 非電量的電測(cè)技術(shù) 25（二）冷端恒溫法（二）冷端恒溫法A A、00恒溫器恒溫器將熱電偶的冷端置于溫度為將熱電偶的冷端置

32、于溫度為00的恒溫器內(nèi)的恒溫器內(nèi)( (如冰水混如冰水混合物合物) )，使冷端溫度處于，使冷端溫度處于00。這種裝置通常用于實(shí)驗(yàn)。這種裝置通常用于實(shí)驗(yàn)室或精密的溫度測(cè)量。室或精密的溫度測(cè)量。在冰杯中，冰水混合物的溫在冰杯中，冰水混合物的溫度能較長(zhǎng)時(shí)間地保持在度能較長(zhǎng)時(shí)間地保持在0 0 C C不變。不變。冰浴法，它消除了t0不等于0而引入的誤差，由于冰融化較快，所以一般只適用于實(shí)驗(yàn)室中。 2021-12-28第四章 非電量的電測(cè)技術(shù) 26B B、其他恒溫器、其他恒溫器將熱電偶的冷端置于各種恒溫器內(nèi)，使之保持溫度恒將熱電偶的冷端置于各種恒溫器內(nèi)，使之保持溫度恒定，避免由于環(huán)境溫度的波動(dòng)而引入誤差。這

33、類恒溫定，避免由于環(huán)境溫度的波動(dòng)而引入誤差。這類恒溫器可以是盛有變壓器油的容器，利用變壓器油的熱惰器可以是盛有變壓器油的容器，利用變壓器油的熱惰性恒溫；也可以是電加熱的恒溫器。這類恒溫器的溫性恒溫；也可以是電加熱的恒溫器。這類恒溫器的溫度不為度不為0，故最后還需對(duì)熱電偶進(jìn)行冷端溫度修正。，故最后還需對(duì)熱電偶進(jìn)行冷端溫度修正。 1 1被測(cè)流體管道被測(cè)流體管道 2 2熱電偶熱電偶 3 3接線盒接線盒 4 4補(bǔ)償導(dǎo)線補(bǔ)償導(dǎo)線 5 5銅質(zhì)導(dǎo)銅質(zhì)導(dǎo)線線 6 6毫伏表毫伏表 7 7恒溫器恒溫器 8 8混合物混合物 9 9試管試管 1010新冷端新冷端 2021-12-28第四章 非電量的電測(cè)技術(shù) 27（三

34、）冷端溫度的修正計(jì)算（三）冷端溫度的修正計(jì)算當(dāng)熱電偶的冷端溫度當(dāng)熱電偶的冷端溫度t t0 000時(shí)，由于熱端與冷端的溫時(shí)，由于熱端與冷端的溫差隨冷端的變化而變化，所以測(cè)得的熱電勢(shì)差隨冷端的變化而變化，所以測(cè)得的熱電勢(shì)E EABAB（t t，t t0 0）與冷端為與冷端為00時(shí)所測(cè)得的熱電勢(shì)時(shí)所測(cè)得的熱電勢(shì)E EABAB（t t，00）不等。若）不等。若冷端溫度高于冷端溫度高于00，則，則E EABAB（t t，t t0 0）EEABAB（t t，00）。下）。下式計(jì)算并修正測(cè)量誤差：式計(jì)算并修正測(cè)量誤差：E EABAB（t t，0 0）=E=EABAB（t t，t t0 0）+E+EABAB（

35、t t0 0，0 0）E EABAB(t(t，0)0)為熱電偶熱端溫度為為熱電偶熱端溫度為t t，冷端，冷端溫度為溫度為0 0時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)；時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)；E EABAB(t(t，t t0 0) )為熱電偶熱端溫度為為熱電偶熱端溫度為t t，冷端，冷端溫度為溫度為t t0 0時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)；時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)；E EABAB(t(t0 0，0)0)為熱電偶熱端溫度為為熱電偶熱端溫度為t t0 0，冷，冷端溫度為端溫度為0 0時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)。時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)。2021-12-28第四章 非電量的電測(cè)技術(shù) 28例：用鎳鉻例：用鎳鉻- -鎳硅熱電偶測(cè)爐溫，當(dāng)冷端溫度為鎳硅熱電偶測(cè)爐溫，當(dāng)冷端溫度為30 30 ( (

36、且為恒定時(shí)且為恒定時(shí)) )，測(cè)出熱端溫度為，測(cè)出熱端溫度為t t時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)為時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)為39.17mV39.17mV，求爐子的真實(shí)溫度。，求爐子的真實(shí)溫度。由鎳鉻由鎳鉻- -鎳硅熱電偶分度表查出鎳硅熱電偶分度表查出E(30E(30，0)=1.203mV0)=1.203mV根根據(jù)公式計(jì)算出據(jù)公式計(jì)算出再通過分度表查出其對(duì)應(yīng)的實(shí)際溫度為：再通過分度表查出其對(duì)應(yīng)的實(shí)際溫度為：t=977t=9772021-12-28第四章 非電量的電測(cè)技術(shù) 29（四）電橋補(bǔ)償法（四）電橋補(bǔ)償法電橋補(bǔ)償法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓來自電橋補(bǔ)償法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓來自動(dòng)補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引

37、起的熱電勢(shì)變化值，動(dòng)補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢(shì)變化值，可購買與被補(bǔ)償熱電偶對(duì)應(yīng)型號(hào)的補(bǔ)償電橋。可購買與被補(bǔ)償熱電偶對(duì)應(yīng)型號(hào)的補(bǔ)償電橋。 XT-WBC XT-WBC熱電偶端補(bǔ)償器熱電偶端補(bǔ)償器2021-12-28第四章 非電量的電測(cè)技術(shù) 30四、常用熱電偶及其特性四、常用熱電偶及其特性 國際電工委員會(huì)國際電工委員會(huì)19751975年向世界各國推薦七種標(biāo)準(zhǔn)型熱電年向世界各國推薦七種標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶。我國生產(chǎn)的符合偶。我國生產(chǎn)的符合IECIEC標(biāo)準(zhǔn)的熱電偶有六種，書上介紹：標(biāo)準(zhǔn)的熱電偶有六種，書上介紹：鉑銠鉑銠1010- -鉑熱電偶鉑熱電偶 這種熱電偶分度號(hào)為這種熱電偶分度號(hào)為“S”S”。它

38、的正極是鉑銠絲。它的正極是鉑銠絲( (鉑鉑90%90%，銠，銠l0%)l0%)，負(fù)極是純鉑絲。測(cè)溫范圍為，負(fù)極是純鉑絲。測(cè)溫范圍為0170001700。其特點(diǎn)是熱電性能穩(wěn)定，抗氧化性強(qiáng)，。其特點(diǎn)是熱電性能穩(wěn)定，抗氧化性強(qiáng)，宜 在 氧 化 性 、 惰 性 氣 氛 中 工 作 。 由 于 精 度 高 ， 故 國 際 溫 標(biāo) 中 規(guī) 定 它 為宜 在 氧 化 性 、 惰 性 氣 氛 中 工 作 。 由 于 精 度 高 ， 故 國 際 溫 標(biāo) 中 規(guī) 定 它 為630.741064.43630.741064.43溫度范圍內(nèi)復(fù)現(xiàn)溫標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)儀器。常用作標(biāo)準(zhǔn)熱電偶或用于高溫溫度范圍內(nèi)復(fù)現(xiàn)溫標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)儀器。常用

39、作標(biāo)準(zhǔn)熱電偶或用于高溫測(cè)量。測(cè)量。鎳鉻鎳鉻- -鎳硅熱電偶鎳硅熱電偶 這種熱電偶分度號(hào)為這種熱電偶分度號(hào)為“K K”。它的正極是鎳鉻合金。它的正極是鎳鉻合金( (鎳鎳90.5%90.5%，鉻，鉻9.5%)9.5%)，負(fù)極為鎳硅，負(fù)極為鎳硅( (鎳鎳97.5%97.5%，硅，硅2.5%)2.5%)。測(cè)溫范圍為。測(cè)溫范圍為-200+1300-200+1300。其特。其特點(diǎn)是測(cè)溫范圍很寬、熱電動(dòng)勢(shì)與溫度點(diǎn)是測(cè)溫范圍很寬、熱電動(dòng)勢(shì)與溫度關(guān)系近似線性關(guān)系近似線性、熱電動(dòng)勢(shì)大及價(jià)格低。缺點(diǎn)是、熱電動(dòng)勢(shì)大及價(jià)格低。缺點(diǎn)是熱電動(dòng)勢(shì)的穩(wěn)定性較熱電動(dòng)勢(shì)的穩(wěn)定性較B B型或型或S S型熱電偶差，且負(fù)極有明顯的導(dǎo)磁性

40、。型熱電偶差，且負(fù)極有明顯的導(dǎo)磁性。鎳鉻鎳鉻- -錳白銅熱電偶錳白銅熱電偶 這種熱電偶分度號(hào)為這種熱電偶分度號(hào)為“E”E”。它的正極是鎳鉻合金，負(fù)。它的正極是鎳鉻合金，負(fù)極是銅鎳合金極是銅鎳合金( (銅銅55%55%，鎳，鎳45%)45%)。測(cè)溫范圍為。測(cè)溫范圍為-200+1000-200+1000。其特點(diǎn)是熱電動(dòng)勢(shì)較其。其特點(diǎn)是熱電動(dòng)勢(shì)較其他常用熱電偶大。適宜在氧化性或惰性氣氛中工作。他常用熱電偶大。適宜在氧化性或惰性氣氛中工作。1.1.鉑銠鉑銠3030- -鉑銠鉑銠6 6熱電偶熱電偶 這種熱電偶分度號(hào)為這種熱電偶分度號(hào)為“B B”。它的正極是鉑銠絲。它的正極是鉑銠絲( (鉑鉑70%70%，

41、銠銠30%)30%)，負(fù)極也是鉑銠絲，負(fù)極也是鉑銠絲( (鉑鉑94%94%，銠，銠6%)6%)，故俗稱雙鉑銠。測(cè)溫范圍為，故俗稱雙鉑銠。測(cè)溫范圍為0170001700。其。其特點(diǎn)是測(cè)溫上限高。在冶金反應(yīng)、鋼水測(cè)量等高溫領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。特點(diǎn)是測(cè)溫上限高。在冶金反應(yīng)、鋼水測(cè)量等高溫領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。2021-12-28第四章 非電量的電測(cè)技術(shù) 31K K熱電偶的分熱電偶的分度表度表 比較查出的比較查出的三個(gè)熱電勢(shì)三個(gè)熱電勢(shì)，熱電勢(shì)是否熱電勢(shì)是否線性？線性？2021-12-28第四章 非電量的電測(cè)技術(shù) 32如何由熱電偶的熱電勢(shì)查熱端溫度值？如何由熱電偶的熱電勢(shì)查熱端溫度值？設(shè)冷端為設(shè)冷端為0 0 C C，根據(jù)以下電路中的毫伏表的示值及，根據(jù)以下電路中的毫伏表的示值及K K熱電偶的熱電偶的分度表，查出熱端的溫度分度表，查出熱端的溫度t tx x。2021-