大物實(shí)驗(yàn)熱電偶制作與測溫

大物實(shí)驗(yàn)熱電偶制作與測溫第一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五第一部分實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.探究人點(diǎn)偶的測量原理2.了解溫差電熱與不同材料間的關(guān)系3.學(xué)習(xí)制作熱電偶的方法4.學(xué)會(huì)熱電偶的定標(biāo)及測溫的方法第二頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五

第二部分實(shí)驗(yàn)原理

熱電偶的測溫原理

熱電偶溫度計(jì)以熱電偶作為感溫元件，一般用于測量500℃以上的高溫，長期使用時(shí)其測溫上限可達(dá)1300℃，短期使用時(shí)可達(dá)1600℃，特殊材料制成的熱電偶可測量的溫度范圍為2000～3000℃。

特點(diǎn)：熱電偶具有性能穩(wěn)定、測溫高、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、經(jīng)濟(jì)耐用、容易維護(hù)和體積小等優(yōu)點(diǎn)，還便于信號(hào)遠(yuǎn)傳和實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)切換測量。

應(yīng)用：電廠生產(chǎn)過程中的主蒸汽溫度、過熱器管壁溫度、煙氣高溫等都是采用熱電偶來測量的。

第三頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五熱電偶測溫主要利用熱電現(xiàn)象1、熱電現(xiàn)象(塞貝克效應(yīng)）熱電偶由兩種不同材料的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）A和B組成。A、B是熱偶絲，也叫熱電極。放在被測對(duì)象中，感受溫度變化的那端稱為熱端另一端稱為冷端。當(dāng)熱端和冷端溫度不同時(shí)回路中有電流流過，此電流稱為熱電流，產(chǎn)生熱電流的電動(dòng)勢(shì)稱為熱電勢(shì)，這種物理現(xiàn)象稱為熱電現(xiàn)象。熱電偶

理論和實(shí)踐都證實(shí)，熱電現(xiàn)象中產(chǎn)生的熱電勢(shì)是由接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)兩種電勢(shì)的綜合效果。第四頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五第五頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五二、熱電偶的基本定律

這些定律已在理論分析和實(shí)踐中得到證明，對(duì)保證熱電偶正確測量溫度至關(guān)重要。

1、均質(zhì)導(dǎo)體定律

該定律內(nèi)容是：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、長度和各處溫度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢(shì)。

結(jié)論：

（1）熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的材料構(gòu)成。

（2）由一種材料組成的閉合回路存在溫差時(shí)，回路如產(chǎn)生熱電勢(shì)，便說明該材料是不均勻的。據(jù)此，可檢查熱電極材料的均勻性。

第六頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五2、中間導(dǎo)體定律

該定律內(nèi)容是：由不同材料組成的閉合回路中，若各種材料接觸點(diǎn)的溫度都相同，則回路中熱電勢(shì)的總和等于零。結(jié)論：

（1）在熱電偶回路中接入第三種均質(zhì)材料，只要保證所接入材料兩端溫度相同，就不會(huì)影響熱電偶的熱電勢(shì)。下圖為兩種接入中間導(dǎo)體的熱電偶回路。

第七頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五1.顯示儀表接入熱電偶回路時(shí)，只要保證連接導(dǎo)線和顯示儀表接入熱電偶回路時(shí)兩連接端的溫度相同，就不會(huì)改變回路熱電勢(shì)。

2.熱電偶的熱端焊接點(diǎn)也相當(dāng)于第三種金屬，只要它與熱電極接觸良好，整個(gè)接點(diǎn)溫度一致，也不會(huì)影響熱電偶回路的熱電勢(shì)。第八頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五3.中間溫度定律

已知熱電偶在某一給定冷端溫度下進(jìn)行的分度，只要引入適當(dāng)?shù)男拚?，就可在另外的冷端溫度下使用?/p>

該定律為制定和使用熱電偶的熱電勢(shì)一溫度關(guān)系即分度表奠定了理論基礎(chǔ)。

因?yàn)闊犭娕挤侄缺硎窃诶涠藴囟萾0=0℃時(shí)熱電勢(shì)與熱端溫度的關(guān)系，根據(jù)中間溫度定律便可以算出任何冷端溫度時(shí)的熱電勢(shì)值。

EAB（t，0）＝EAB（t，tn）＋EAB（tn，0）第九頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五需要說明的幾個(gè)問題：

分度表的建立

熱電偶分度表是在冷端溫度t0=0℃時(shí)熱電勢(shì)與熱端溫度的關(guān)系，可用表格形式給出，不同材料制成的熱電偶有不同的分度表。

注意：熱電偶的熱電勢(shì)與熱端溫度的關(guān)系一般為非線性關(guān)系。第十頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五確定了某一熱電偶的材料質(zhì)的情況下：式中a,b為電偶常熟，t為熱端溫度，t0為冷端溫度。第十一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五

（1）熱電偶的熱電勢(shì)是熱電偶兩端溫度的函數(shù)之差，其大小取決于熱電偶兩個(gè)熱電極材料的性質(zhì)和兩端接點(diǎn)溫度，而與熱電極幾何尺寸無關(guān)。

（2）如果保持熱電偶冷端溫度t0恒定不變，對(duì)一定材料的熱電偶，其eAB（t0）亦為常數(shù)，設(shè)為C，則熱電偶的熱電勢(shì)只與熱電偶熱端溫度t有關(guān)，若測得EAB(t,t0)值，便可知溫度t值，這就是熱電偶測溫原理。即

EAB(t,t0)=fAB(t)–C

我們選取0攝氏度為冷端參考端，C等于零。第十二頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五

標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶與非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶

所謂標(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)、性能優(yōu)良而穩(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。由于標(biāo)準(zhǔn)化文件對(duì)同一型號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶規(guī)定了統(tǒng)一的熱電極材料及其化學(xué)成分、熱電性質(zhì)和允許偏差，也就是說標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶具有統(tǒng)一的分度表。對(duì)于同一型號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶具有互換性、使用十分方便。

非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶是為適應(yīng)更高或更低的溫度以及特殊的介質(zhì)氣氛而出現(xiàn)的,它們沒有統(tǒng)一的國家標(biāo)準(zhǔn)和統(tǒng)一的分度號(hào)。它們是標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的補(bǔ)充。第十三頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五常用的標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶

?鉑銠10-鉑熱電偶（分度號(hào)S）

?鉑銠13-鉑熱電偶（分度號(hào)R）

?鉑銠30-鉑銠6熱電偶（分度號(hào)B）

?鎳鉻一鎳硅（鎳鉻一鎳鋁）熱電偶（分度號(hào)K）

?鎳鉻硅一鎳硅鎂熱電偶（分度號(hào)N）

?鎳鉻一康銅熱電偶（分度號(hào)E）

?鐵一康銅熱電偶（分度號(hào)J）

?銅一康銅熱電偶（分度號(hào)T）

注意了解各種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的分度號(hào)、特點(diǎn)。第十四頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五第十五頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五熱電偶冷端溫度處理

對(duì)熱電偶冷端溫度進(jìn)行處理的原因

熱電偶的測溫原理表明：熱電偶的熱電勢(shì)是兩個(gè)接點(diǎn)溫度的函數(shù)差，只有當(dāng)冷端溫度不變時(shí)，熱電勢(shì)才是熱端溫度的單值函數(shù)。但在實(shí)際應(yīng)用中，熱電偶冷端所處環(huán)境溫度總有波動(dòng)，從而使測量得不到正確結(jié)果，因此必須對(duì)熱電偶冷端溫度變化的影響采取補(bǔ)償措施，使熱電偶的熱電勢(shì)只反映熱端溫度（被測溫度）的變化，而不受冷端溫度變化的影響。第十六頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五總的來說，只有兩種均質(zhì)的導(dǎo)體組成的熱電偶在冷端熱端具有溫差的時(shí)候才會(huì)有熱電勢(shì)。并且材料確定后，熱電勢(shì)置于溫度有關(guān)，是溫度的二次函數(shù)。第十七頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五實(shí)驗(yàn)步驟1.測溫差電動(dòng)勢(shì)連接好實(shí)驗(yàn)裝置，如前面的圖，將熱電偶熱端置燒燒水壺中，將熱電偶冷端置于保溫杯的冰水混合物（0攝氏度），醬燒水壺中的水加熱至100攝氏度，讀出臺(tái)式萬用表上顯示的文差電動(dòng)勢(shì)。2.熱電偶定標(biāo)如步驟一，隨著熱水壺中的水降溫，每隔5攝氏度。度并記錄溫差電動(dòng)勢(shì)，而熱電偶冷端保持不變（0攝氏度）。做出熱電偶定標(biāo)曲線。這里我們用的是比較法第十八頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五第十九頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五3.擬合定標(biāo)曲線分別用一次曲線，和二次曲線去擬合定標(biāo)曲線，進(jìn)行多項(xiàng)式回歸顯著性檢驗(yàn)4.估計(jì)室溫值利用制成的簡單熱電偶“溫度計(jì)”測量室溫，根據(jù)曲線求出室溫。比較當(dāng)天天氣預(yù)報(bào)。第二十頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五注意事項(xiàng)①引線接點(diǎn)處要防水以防短路;②引線的正負(fù)極一定要與熱電偶的正負(fù)極相對(duì)應(yīng),否則會(huì)引起測量誤差;③冷端保持恒定，最好0℃減小動(dòng)態(tài)誤差:盡量④縮小熱電偶測量端的體積,以減小測量端的熱容量,提高響應(yīng)速度。⑤使用的檢測記錄儀表采集數(shù)據(jù)時(shí)選取時(shí)間間隔盡量小,達(dá)到秒級(jí)為宜;⑥根據(jù)熱電偶的最高使用溫度選擇合適的絕緣材料,保證在整個(gè)測溫范圍內(nèi)都能有足夠的絕緣電阻;⑦多點(diǎn)測量時(shí),選擇熱電偶要性能穩(wěn)定和一致性好的類型;⑧在測溫過程中定期對(duì)熱電偶進(jìn)行溫度標(biāo)定第二十一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄銅——康銅熱電偶定標(biāo)曲線溫度t（℃）熱電動(dòng)勢(shì)E（mV）0.00.050100.04.13095.03.85690.03.65285.03.42680.03.22775.02.99870.02.78765.02.57758.22.28755.02.16150.01.97345.01.75440.01.55534.91.34530.01.13524.40.91712.00.395第二十二頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五線性回歸模型第二十三頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五第二十四頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五二次回歸模型第二十五頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五線性回歸與二次回歸比較可以看到相關(guān)系數(shù)R2分別為0.999和1.000擬合效果都特別好，而且可一看到在二次回歸中，a=4.211E-5÷b=0.11%。所以完全可以用線性回歸來代替二次回歸來描銅康銅熱電偶定標(biāo)曲線第二十六頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五結(jié)論通過對(duì)銅-康銅熱電偶的制作標(biāo)定及多項(xiàng)式回歸分析表明,銅-康銅熱電偶的制作簡單,測頭光滑、無污染、不斷偶、一致性好、擬合優(yōu)度好。無論是線性擬合,還是二次擬合都能滿足測溫精度的要求。銅-康銅熱電偶在日常生產(chǎn)生活中,采用線性擬合,便于直接計(jì)算;利用二次擬合可獲得更為準(zhǔn)確的銅-康銅熱電偶的分度表。銅-康銅熱電偶測溫靈敏度高,熱電勢(shì)值大,測溫精度高,一致性好,價(jià)格低廉在使用銅-康銅熱電偶時(shí),為了保證測溫的準(zhǔn)確度,要注意參考端溫度、動(dòng)態(tài)誤差、測量端的絕緣性能等幾個(gè)方面的問題。第二十七頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五估計(jì)室溫當(dāng)日閔行最高氣溫12度。測得室溫對(duì)應(yīng)的是0.620mV，帶入曲線得到溫度17.7度，比室外高五度？是開空調(diào)了還是我們大家能夠呼出來五度。第二十八頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五誤差1.電偶是否接觸良好，是否表面光滑不斷偶。2.熱電偶直徑過大，也會(huì)影響精度。3.冷端溫度變化增加了動(dòng)態(tài)誤差。4導(dǎo)體不均勻。有附加熱電勢(shì)5.熱端接觸不良。6.被實(shí)驗(yàn)多次了的熱電偶絕緣變差從而對(duì)熱電勢(shì)有損耗，導(dǎo)線破了漆包線也是如此7.熱電偶的熱惰性及測量端過大8.顯示儀表誤差。9.還有其他如電路連接不當(dāng)接觸不良操作不當(dāng)?shù)取＜芭既徽`差。第二十九頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五幾點(diǎn)小結(jié)與小思考1.為什么在一次二次擬合曲線中，都出現(xiàn)了常數(shù)項(xiàng)？①.測溫端不恒為零，略比零度低。②.測量誤差及偶然誤差③.該電偶利用次數(shù)較多，含有雜質(zhì)，不均勻，導(dǎo)電性不好。2.查銅康銅的分度表，發(fā)現(xiàn)我的曲線每個(gè)溫度對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)比標(biāo)準(zhǔn)值低。以90℃為例，標(biāo)準(zhǔn)值為3.813我測3.652。誤差4.2%。原因和上面三條相同。第三十頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五思考題1.要不同的導(dǎo)電材料。必須均勻的兩種導(dǎo)體，否則會(huì)產(chǎn)生附加熱電勢(shì)干擾。2.不能，錫熔點(diǎn)低。還會(huì)引進(jìn)第三種金屬。但可以用熱鍍錫膜。3.冰水混合物。可以不取0度，可以采用恒溫箱保持冷端恒定，但是實(shí)驗(yàn)成本增加。4.不可以，電流過小，導(dǎo)線電阻也會(huì)帶來誤差5.用一次二次曲線定標(biāo)，定標(biāo)之后得到關(guān)系式?？梢郧笠欢ǚ秶鷥?nèi)任意溫度。第三十一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五6.插在冷端的鐵絲是第三種金屬。第二問兩個(gè)接頭溫度相同。7.不可以室溫波動(dòng)較大，而我們知道熱電偶實(shí)質(zhì)是測溫度差的，冷端溫度