第四章溫度測量交流

第四章溫度測量交流第一頁，共五十三頁，2022年，8月28日

鎧裝式熱電偶第二頁，共五十三頁，2022年，8月28日熱電偶溫度計的特點結構簡單，制作方便，測量范圍寬，準確度高，熱慣性小;可測量流體溫度，固體溫度;可測量靜態(tài)溫度，動態(tài)溫度;能直接輸出直流電壓信號，或轉換成線性化的直流電流信號;便于測量、信號傳輸、自動記錄和自動控制等。熱電偶到底如何測溫的呢？第三頁，共五十三頁，2022年，8月28日一、熱電偶的測溫原理及特點熱電效應及熱電勢（1）熱電效應：兩種不同的導體或半導體材料A和B組成閉合回路，如果兩個接合點處的溫度不相同，則回路中就會有電流存在，即有電動勢存在，這種現(xiàn)象叫做熱電效應。（2）熱電勢：由該熱電效應所產生的電動勢，通常稱為熱電勢。第四頁，共五十三頁，2022年，8月28日熱電勢接觸電勢溫差電勢第五頁，共五十三頁，2022年，8月28日接觸電勢溫差電勢第六頁，共五十三頁，2022年，8月28日1、接觸電勢當兩種不同性質的導體或半導體材料相互接觸時，由于內部電子密度不同，若NA>NB，則會有一部分電子從A擴散到B,使得A失去電子而呈正電位，B獲得電子而呈負電位，最終形成由A向B的靜電場。靜電場的作用又阻止電子由A向B擴散，同時加速電子向相反方向轉移。當擴散力和電場力達到平衡時，材料A和B之間形成一個電位差，稱為接觸電勢。第七頁，共五十三頁，2022年，8月28日方向：BA第八頁，共五十三頁，2022年，8月28日2、溫差電勢溫差電勢是由于同一種導體或半導體材料其兩端溫度不同而產生的一種電動勢。因材料兩端溫度不同，則兩端的電子所具有的能量不同，溫度較高的一端電子具有較高的能量，其電子將向溫度較低的一端運動，于是在材料兩端之間形成一個由高溫端指向低溫端的靜電場。電子遷移力和靜電場力達到平衡時形成的電位差叫溫差電勢。其方向由低溫端指向高溫端。第九頁，共五十三頁，2022年，8月28日方向：T0T第十頁，共五十三頁，2022年，8月28日3、熱電偶回路的總熱電動勢第十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日由A和B兩種材料組成熱電偶回路，回路中存在兩個接觸電勢EAB(T)和EAB(T0)；兩個溫差電勢EA(T，T0)和EB(T，T0)。按順時針取向，回路中總熱電勢為：經過計算可得：第十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日若材料A和B已定，則NA和NB只是溫度的函數(shù)，上式表示為：或寫為攝氏度形式：第十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日所得結論如下：（1）熱電偶回路熱電勢的大小，只與組成熱電偶的材料和材料兩端連接點處的溫度有關，與熱電偶絲的直徑、長度及沿程溫度分布無關。（2）相同材料組成的閉合回路不會產生熱電勢。（3）兩個熱電極材料確定之后，熱電勢的大小只與熱電偶兩端接點的溫度有關。如果T0已知且恒定，則為常數(shù)。回路總熱電勢只是溫度T的單值函數(shù)。（4）只要測量熱電勢的大小，就可以求得溫度T的數(shù)值。第十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日熱電偶測量溫度時，總是把兩個接點之一放置于被測溫度為T的介質中，此接點稱為熱電偶的熱端或測量端；熱電偶的另一接點處于已知恒定溫度T0，此接點稱為熱電偶的冷端或參比端。當溫度量值為攝氏度，參比端溫度定為0℃，熱電勢寫為EAB(t,t0)。如果t0=0℃時,則為E(t,0)，簡寫為E(t)。工程上使用的各種熱電偶均把E(t)和t的關系制成表格形式，稱為熱電偶分度表。第十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日二、熱電偶回路的性質掌握熱電偶的基本規(guī)律；靈活而熟練地應用到實際測溫種。第十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日1、均質材料定律定義：由一種均質材料組成的閉合回路，不論沿材料長度方向各處溫度如何分布，回路中均不產生熱電勢。否則，如果回路中有熱電勢存在，則材料必為非均質的。要求組成熱電偶的兩種材料必須各自都是均質，否則會產生附加電勢，引入測溫誤差。利用此定律可以檢查單支熱電極是否均質。第十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日2、中間導體定律定義：在熱電偶回路中插入第三種（或多種）均質材料，只要所插入的材料兩端連接點溫度相同，則所插入的第三種材料不影響原回路的熱電勢。第十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日如果兩種導體A、B對另一參考導體C的熱電勢為已知，則A、B兩種導體組成熱電偶的熱電勢為A和C以及B和C熱電勢的代數(shù)和。EABC(T0)=EAB(T0)+EBC(T0)+ECA(T0)=0第十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日EABC(T,T0)=EAB(T,T0)第二十頁，共五十三頁，2022年，8月28日中間導體定律的應用第二十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日第二十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日3、中間溫度定律兩種不同材料組成的熱電偶回路，其接點溫度分別為t和t0時的熱電勢EAB(t,t0)等于熱電偶在連接點溫度為(t,tn)和(tn,t0)時相應的熱電勢EAB(t,tn)和EAB(tn,t0)的代數(shù)和，其中tn為中間溫度。

EAB(t,t0)=EAB(t,tn)+EAB(tn,t0)第二十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日當熱電偶參比端溫度t0不等于0℃時，只要能測得熱電勢EAB(t,t0)，且t0已知，仍可以采用熱電偶分度表求得被測溫度t值。若設tn=0℃,則有：

EAB(t,t0)=EAB(t,0)+EAB(0,t0)

=EAB(t,0)-EAB(t0,0)則有：

EAB(t,0)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0)中間溫度定律應用第二十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日例題：1、有鉑銠10－鉑熱電偶，熱端溫度為1600℃，冷端溫度為50℃，則熱電動勢為多少mV?若采用熱端與冷端的溫度差查分度表求熱電動勢會造成多大的誤差？解：（1）Es（1600，50）＝Es（1600）－Es（50）＝16.777－0.299＝16.478mV（2）Es（1600-50，0）＝16.182mV

誤差：＝-0.296mV第二十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日2、已知某熱電偶熱電動勢有E(1000,0)=41.276mV,E(20,0)=0.798mV,E(30,20)=0.405mV.試求熱電偶熱電動勢E(30,0)，E(1000,20)和E(30,1000)？第二十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日4、連接導體定律第二十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日在熱電偶回路中，如果熱電偶的電極材料A和B分別與連接導線A’和B’相連接，各接點溫度為t，tn和t0，那么回路的總熱電動勢等于EAB(t,tn)和EA’B’(tn,t0)的代數(shù)和。

EABB’A’=EAB(t,tn)+EA’B’(tn,t0)中間溫度定律和連接導體定律是工業(yè)熱電偶測溫中應用補償導線的理論依據。第二十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日例題：應用熱電偶定律，試求下圖所示的三種熱電極組成回路的總熱電動勢的值，并指出其電流方向？第二十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日三、常用熱電偶的材料、特點和結構對熱電偶測溫元件材料的要求：（1）兩種材料組成的熱電偶應輸出較大的熱電勢，以得到較高的靈敏度，且要求熱電勢與溫度之間盡可能呈線性關系。（2）能應用于較寬的溫度范圍，物理化學性能、熱電特性穩(wěn)定。即有較好的耐熱性、抗氧化性、抗還原性、抗腐蝕等性能。（3）有較高的導電率，較低的電阻溫度系數(shù)。（4）具有較好的工藝性能，便于成批生產。具有滿意的復現(xiàn)性，便于采用統(tǒng)一分度表。第三十頁，共五十三頁，2022年，8月28日熱電偶的類型及特點1、鉑銠10－鉑熱電偶（分度號S）（1）是一種貴金屬熱電偶；（2）常用金屬絲的直徑0.35~0.5mm；（3）優(yōu)點：精度高，物理化學性能穩(wěn)定，測溫上限高，短期可達1600℃；（4）缺點：熱電勢較小，靈敏度較低，價格昂貴；（5）適用條件：適于在氧化或中性氣氛介質中使用，在高溫還原介質中容易被侵蝕和污染；（6）可用于工業(yè)和實驗室測溫，可作為傳遞國際實用溫標的各等級標準熱電偶。第三十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日2、鉑銠30－鉑銠6熱電偶（分度號B）（1）是一種貴金屬熱電偶；（2）熱電偶絲直徑0.3~0.5mm；（3）優(yōu)點：精度高，測溫上限短時間可達

1800℃；（4）缺點：靈敏度較低，價格昂貴；（5）適用條件：適于在氧化或中性氣氛中使用，不宜在還原介質中使用；第三十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日3、鎳鉻－鎳硅熱電偶（分度號K）（1）是一種賤金屬熱電偶；（2）金屬絲直徑工業(yè)應用一般0.5~3mm；（3）優(yōu)點：價格低，靈敏度高，復現(xiàn)性好，高溫下抗氧化能力強，應用廣泛；（4）適用條件：在還原性介質或含硫化物氣氛中易被侵蝕。第三十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日4、銅－康銅熱電偶（分度號T）（1）是一種賤金屬熱電偶；（2）常用熱電偶絲直徑為0.2~1.6mm；（3）優(yōu)點：測量精度高，穩(wěn)定性好，低溫時靈敏度高，價格低；（4）適用范圍：適用于-200~400℃范圍測溫。第三十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日5、鎳鉻－康銅熱電偶（分度號E）（1）是一種賤金屬熱電偶；（2）工業(yè)用熱電偶絲直徑為0.5~3mm；（3）優(yōu)點：在常用熱電偶中靈敏度最高，價格最便宜；（4）適用條件：抗氧化及抗硫化物介質的能力較差，適于在中性或還原性氣氛中使用。（5）目前在我國將取代鎳鉻－考銅熱電偶。第三十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日6、鐵－康銅熱電偶（分度號J）（1）是一種賤金屬熱電偶；（2）工業(yè)用熱電偶絲直徑為0.5～3mm；（3）優(yōu)點：穩(wěn)定性好，靈敏度高，價格低廉；（4）適用條件：適于在中性或還原性氣氛中使用。第三十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日7、鉑銠13－鉑熱電偶（分度號R）它的基本性能和使用條件和鉑銠10－鉑熱電偶相同，只是熱電動勢略大。歐美等國家使用較多。以上七種熱電偶可以看作是標準化熱電偶：工藝成熟、成批生產、性能優(yōu)良穩(wěn)定，并已列入專業(yè)或國家工業(yè)標準化文件。具有統(tǒng)一的分度表，同種型號可互換。第三十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日非標準化熱電偶1、鎢錸5－鎢錸20（1）可以測到2400～2800℃高溫；（2）在高溫下易氧化，只能用于真空和惰性氣氛中。2、銥銠40－銥熱電偶（1）當前唯一能在氧化氣氛中測到2000℃高溫的熱電偶。（2）成為宇航火箭技術中的重要測溫工具。3、鎳鉻－金鐵熱電偶是一種較為理想的低溫熱電偶，可在2～273K范圍內使用。第三十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日工業(yè)用熱電偶第三十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日1、普通型熱電偶（1）熱電偶熱端通常采用焊接方式。為了減小熱傳導誤差和滯后，焊點宜小，直徑不超過兩倍熱電極直徑。（2）絕緣套管：為了使兩根熱電極很好地絕緣，以防短路。

通常為氧化鋁和工業(yè)陶瓷。（3）保護套管：為了防止熱電極遭受化學腐蝕和機械損傷。

測量1000℃以下，一般用金屬套管；1000℃以上多用工業(yè)陶瓷或氧化鋁。導熱系數(shù)要高。科學研究中為了減小熱慣性，提高測量精度，通常不用。第四十頁，共五十三頁，2022年，8月28日（4）接線盒：接線盒中有接線端子，它將熱電極和連接導線連接起來。接線盒起密封和保護接線端子的作用。第四十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日第四十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日2、鎧裝式熱電偶特點：結構緊湊，熱慣性小，性能穩(wěn)定，牢固、抗震且可撓。由熱電極、耐高溫的金屬氧化物粉末（如Al2O3）、不銹鋼套管三者一起拉細。熱端型式：碰底型、不碰底型、露頭型和帽望型。第四十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日3、薄膜式熱電偶第四十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日工藝：采用真空蒸鍍或化學涂層等制造工藝將兩種熱電極材料蒸鍍到絕緣基板上。熱端接點極薄，約0.01~0.1μm，適于壁面溫度測量?；逵稍颇富蚪n酚醛塑料片做成。測溫范圍一般在300℃以下。第四十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日作業(yè)題1、熱電偶的測溫原理是什么？2、用鎳鉻－鎳硅熱電偶測量爐溫，熱電偶的冷端溫度為40℃，測得的熱電勢為35.714mV。問被測爐溫為多少？3、某測量者采用鉑銠10－鉑熱電偶測溫，并采用兩根普通銅導線將熱電偶的輸出延伸至顯示儀表端，如下圖所示。試計算被測溫度。若簡單地通過E(t,0)=Eout查表求被測溫度，會造成多大誤差？第四十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日第四十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日四、熱電偶的參比端（冷端）處理1、冰點法精度最高的處理方法，使t0穩(wěn)定在0℃。第四十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日