熱電偶溫度計

熱電偶溫度計第1頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日

熱電偶溫度計由熱電偶、電測儀表、連接導(dǎo)線等組成。第2頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日

固定螺紋錐形固定法蘭式固定螺紋式第3頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日防水式防噴式鎧裝熱電偶第4頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日第5頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日§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。第6頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日

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)t≥t0，eA(t,t0)稱為溫差電勢。第7頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日

溫差電勢可表達為

e：單位電勢，4.802×10-10絕對靜電單位；

K：玻爾茲曼常數(shù)，1.38×10-23J/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。第8頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日

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)=ψA(t)-ψA(t0)；

ψA(t)與材料、溫度有關(guān)。第9頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日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)NA>NB，eAB(t)為接觸電勢。第10頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日接觸電勢可表達為

∴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。第11頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日熱電勢

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)t>t0，NA>NB，按順時針方向取向。第12頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日

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)+ψB(t)-ψB(t0)-eAB(t0)-ψA(t)+ψA(t0)=[eAB(t)-ψA(t)+ψB(t)]-[eAB(t0)-ψA(t0)+ψB(t0)]=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)。第13頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日

∴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稱為負電極。第14頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日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Δt引起的ΔE并不相等。第15頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日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，便說明該材料是不均勻的。第16頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日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。第17頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日證：設(shè)t>t0,NA>NB>NCEtotal=eAB(t)+eB(t,t0)+eBC(t0)+eC(t0,t0)-eAC(t0)-eA(t,t0)第18頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日

∴Etotal=eAB(t)+eB(t,t0)-eAB(t0)-eA(t,t0)=eAB(t)+ψB(t)-ψB(t0)-eAB(t0)-ψA(t)+ψA(t0)=[eAB(t)-ψA(t)+ψB(t)]-[eAB(t0)-ψA(t)+ψB(t0)]=fAB(t)-fAB(t0)=EAB(t,t0)第19頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日

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。第20頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日如果兩導(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)-fAC(t0)+fCB(t)-fCB(t0)=[eAC(t)-ψA(t)+ψC(t)]-[eAC(t0)-ψA(t0)+ψC(t0)]+[eCB(t)-ψC(t)+ψB(t)]-[eCB(t0)-ψC(t0)+ψB(t0)]=[eAC(t)+eCB(t)-ψA(t)+ψB(t)]-[eAC(t0)+eCB(t0)-ψA(t0)+ψB(t0)]第21頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日∴原式=[eAB(t)-ψA(t)+ψB(t)]-[eAB(t0)-ψA(t0)+ψB(t0)]=EAB(t,t0)第22頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日例：已知，E銅-鉑(100,0)=0.75mv，E康銅-鉑(100,0)=-0.35mv；求：E銅-康銅(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。第23頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日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)第24頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日§4.2標準化熱電偶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。第25頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日

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??；當兩電極是由兩種純金屬組成時，熱電勢率平均為20μV/℃,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1000μV/℃），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。第26頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日2標準化熱電偶標準化熱電偶是指制造工藝較成熟、應(yīng)用廣泛、能成批生產(chǎn)、性能優(yōu)良且穩(wěn)定并已列入專業(yè)或國家工業(yè)標準化文件中的那些熱電偶。

標準化熱電偶：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）第27頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日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。第28頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日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。第29頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日4補償導(dǎo)線a:Ea=EAB(t,tn)+EAB(tn,t0)b:Eb=EAB(t,tn)+EA’B’(tn,t0)

要使A’B’起到補償導(dǎo)線的作用，則A’B’的接入應(yīng)不影響Ea，

∴Ea=Eb，∴EA’B’(tn,t0)=EAB(tn,t0)第30頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日滿足上式有兩種情況：A’=A，B’=B，即材質(zhì)與熱電偶相同，延伸型補償導(dǎo)線；A’≠A，B’≠B，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。第31頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日§4.3熱電偶冷端補償問題1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分度表得EK(30,0)=1.203，EK(40,0)=1.612，∴EK(35,0)=1.408mv∴EK(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℃。第32頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日2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℃。第33頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日3儀表機械零點調(diào)整法當冷端溫度比較穩(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。第34頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日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ΔE；

電橋電壓變化為ΔUab,當ΔE=ΔUab,則補償。第35頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日§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工作原理

第36頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日第37頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日當動圈內(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=F·2r=2nrLBI=nABI=C1IA：動圈面積(2rL)。第38頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日動圈在力矩的作用下產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)過α角度，張絲也轉(zhuǎn)過α，張絲產(chǎn)生反作用力矩MfMf=KαK：與張絲性能及張力有關(guān)的系數(shù)。當M=Mf時，動圈處于平衡位置，有

即動圈的偏轉(zhuǎn)角α與流過動圈的電流成正比。當動圈儀表輸入為熱電偶的熱電勢E(t,0)時，

α=CI=CE(t,0)/Rtotal,在回路總電阻Rtotal一定時，α與E(t,0)成正比。第39頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日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=15Ω。第40頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日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：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直流電位差計第41頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日第42頁，共48頁，2