第二章-热电偶原理课件

热电偶测温技术课程纲要温度测定方法概述热电偶的背景及特点热电偶三大定律热电偶种类及结构热电偶的补偿导线及二次仪表热电偶使用时误差热电偶的具体应用ITS-90国际实用温标温度单位热力学温度（符号为T）的单位为开尔文（符号为K），定义为水三相点的热力学温度的1/273.16国际温标ITS-90的通则ITS-90由0.65K向上到普朗克辐射定律使用单色辐射实际可测量的最高温度四个温区第一温区为0.65K到5.00K之间,由3He和4He的蒸气压与温度的关系式来定义。第二温区为3.0K到氖三相点(24.5661K)之间，用氦气体温度计来定义.第三温区为平衡氢三相点(13.8033K)到银的凝固点(961.78℃)之间,

由铂电阻温度计来定义.银凝固点(961.78℃)以上的温区,

按普朗克辐射定律来定义的,复现仪器为光学高温计温度测定方法的分类接触式测温膨胀式温度计，测温范围为-200～600℃，就地测量压力表式温度计，测温范围为-0～600℃，近距离热电阻温度计，测温范围为-200~960℃，远距离热电偶温度计，测温范围宽，远距离非接触式测温光学辐射式高温计红外辐射仪，适于测量较低温度温度计的选择原则使用温度范围、准确度等级及测量误差是否能达到要求响应速度、互换性及可取性如何读数、记录、控制、报警等操作是否方便使用寿命，耐热、耐蚀、抗震性能如何价格高低热电偶的由来（1）1819年哥本哈根的H.C.Oersted电变磁现象法拉第在其后用了十年时间发现了磁变电现象热电效应由德国医生T.J.Seebeck于1821年发现Seebeck效应部分用Cu部分用Bi的电路来研究奥斯特的实验没加电流时磁针偏转热磁效应热电效应－奥斯特热电偶的由来（2）由A.C.Becquerel于1823年把热电效应应用于测温实践，“相加定律”Pouillet研制了Pt-Fe热电偶LeChatelier开发了真正适用的高温计PtRh10-Pt热电偶的发展（1）1821～第一次世界大战采用的配对法：将感兴趣的待试材料直接配成热电偶，实验测定该热电偶的热电势特性。多年来实测了近300种热电材料组合的热电特性。热电温度计制造厂生产的二次仪表也开始建立了统一的分度表对材料提出了控制质量，符合一定规范的要求，引起对材料性能研究的重视。热电偶的发展（2）第一次世界大战后40年对材料热电性能的研究的重视，对金属和合金热电性理论的研究在出现了空前的热潮。比较法：选择一种热电性能稳定，化学性能好的材料作标准电极．各种被试材料分别与标准电极组成热电偶，测定这些热电偶的热电势－温度特性曲线。1958年，美国标准局正式推荐用此法作为热电偶材料试验的标准方法。热电偶的发展（3）60年代至今对材料热电性能和测试方法十分重视，在发展新型热电偶材料方面取得了不少成绩．铠装热电偶材料得到普遍推广使用，产品规格和性能试验多已标准化．分析法：以现代热电理论为指导，综合冶金、物理、化学的理论与经验规律来进行热电偶合金的性能研究和综合设计。国际比对试验结果：PtRh－Pt标准热电偶复现温标的精度远低于高温铂电阻．故在1990年修订国际实用温标时，热电偶不再被当作温标的标推仪器使用，代之以标推高温铂电阻温度计。热电偶的特点可将温度直接转换成电信号，测量调节控制放大和变换都很容易进行，既有利于远距离传送，便于集中管理，又很适合就地自动控制和电子计算机处理。价格低廉，国际标准化的产品容易获得，结构简单，使用方便，安装、维修、保养都很方便。测温精度较高，经单支分度可达0.1℃。工业月S型和R型热电偶的精度可达0.1%t(t为校测温度)。测温范围广，如E型等热电偶可测-200~700℃，而S、R型热电偶可测从0~1600℃．可以测量小物体的温度分布甚至点温。可以测量表面温度、高速过程的瞬变温度，其最大特点是可以测量温差。14气体出口(偶联接口)石英炉套反应性气体出口恒温天平室天平室保护性气体进口测试炉样品室开关电动机清洁气体或抽真空口隔热挡板样品盘样品温度传感器炉温传感器电加热片反应性气体进口加热炉外罩平行支架超微量或微量天平热电偶的缺点热电偶受测温现场环境气氛的限制测温精度难于达到土0.1％以上参考端温度要恒定(如在0℃)，若偏离参考温度，必须进行补偿，或使用补偿导线，从而增加经费．在高温下使用或长期工作时，由于热电势不稳定，将产生示值漂移，需要进行定期检定或修正均质回路定律用一种均匀的金属导体构成的回路，单靠局部加热或冷却或改变其横截面积的方法绝不能在其中保持电流中间金属定律如果回路的所有部分都处于同一均匀的温度，则由任何多种不同导体构成的回路中的热电动势之代数和为零参考电极定律中间温度定律为制定热电偶的热电势－温度关系分度表奠定理论基础为工业测温中应用补偿导线提供了理论依据热电偶种类（1）铂铑10－铂热电偶(s型热电偶)准确度最高,稳定性最好,测温温区宽,使用寿命长，1300/1600热电势率较小，灵敏度低，抗污染性差，价格昂贵铂铑13－铂热电偶(R型热电偶)与S型热电偶性能相当主要用于进口设备上测温铂铑30－铂铑6电偶(B型热电偶)与S型热电偶性能相当测温上限高，可达1600/1800.参考端通常不用补偿导线补偿热电偶种类（2）镍铬－镍硅热电偶(K型热电偶)价格便宜，用量最大，其用量为其他热电偶的总和线性度好、热电势大、灵敏度高，稳定性和均匀性较好镍铬硅－镍硅热电偶(N型热电偶)与K型性能相当，某些方面由于K型镍铬－铜镍（康铜）热电偶(E型热电偶)热电偶电动势最大，灵敏度最高，可制成热电堆，测量微小的温度变化。热电偶种类（3）铁－铜镍（康铜）热电偶(J型热电偶)不仅可适用与氧化和惰性气氛，还可适用于还原气氛铜－铜镍（康铜）热电偶(T型热电偶)最佳的测量低温的廉金属热电偶，－200～350度在－200～0区间内稳定性很好钨铼热电偶（WRe3-WRe25/WRe5-WRe26)综合性能与S型相当，但价格便宜，在钢厂使用很多最高温度2300度，能在还原气氛下使用，不适用于氧化气氛热电偶线径和温度关系热电偶结构裸露热电偶装配式热电偶铠装热电偶裸露热电偶两根成分不同的裸热电极焊在一起，构成测量接点未考虑热电极的电绝缘问题套以绝缘管（瓷管）－绝缘热电偶装配式热电偶绝缘热电偶外面加保护套管－装配式热电偶稳定、安装简便、操作容易尺寸较大，滞后时间长接线盒类型铠装热电偶由金属套管、绝缘材料（一般为氧化镁粉）和热电偶线三者组合而成的坚实体。按测量端：绝缘型、接壳型、露端型和分离式绝缘型；按固定装置：无、卡套式、螺纹、法兰等测量范围大和反应速度快安装使用方便使用寿命长，机械强度和耐压性能好从0.25mm~12mm直径范围，最大长度可到500m铠装热电偶测量端响应时间举例压簧固定式热电偶炉壁表面热电偶多点式热电偶补偿导线为了使热电偶的冷端温度保持恒定(最好为0℃)，可把热电偶做得很长这种方法一方面安装使用不方便，另一方面也要多耗费许多贵重的金属。在一定温度范围内，具有与所匹配的热电偶的热电动势标称值相同的一对带绝缘包覆的导线叫补偿导线，用它们将热电偶与测量装置联接，以补偿热电偶连接处的温度变化所产生的误差补偿导线特点补偿导线合金丝、绝缘层、护套、屏蔽层改善热电偶测温线路的物理性能和机械性能，采用多股线芯或小直径补偿导线可提高线路的挠性，使接线方便，也可调节线路电阻或屏蔽外界干挠；降低测量线路成本，当热电偶与测量装置距离很远．使用补偿导线可以节省大量的热电偶材料，特别是使用贵金属热电偶时，经济效益更为明显。美安捷伦公司生产的HP34970A可配置成20至120个通道，0.004%基本直流精度，250通道/秒扫描速率，50000个读数存贮直接测量热电偶、电阻温度检测器、热敏电阻、直流电压、交流电压、电阻、直流电流、交流电流、频率和周期。标准HP-IB和RS232接口，实现远传热电偶使用时的误差热电偶本身精度所导致的误差测量过程由于测量方法也容易引起误差热区误差影响热电偶测量结果的误差源是“热分流”热电偶的理想安装方法，应当避免产生热分流误差，还应当保证接近热电偶测量端的热电极(具有足够长度)与被测物体温度相等．为了使热电偶的测量端与被测物体温度一致，通常采用5倍到10倍热电偶直径的长度作为热电偶测温时的“最小浸没深度”．如果热电仍直径很粗，或者是良导体，浸没深度为10倍直径也许还不够。温度梯度区误差热电势是产生在这一区域。因偶丝遭受严重污染或发生不可逆效应从而使其热电特性与其原始的标准分度特性严重偏离所引起的测温误差，称为“蜕变”误差或“飘移”。不同种类的标准化热电偶，不仅其标准分度特性不一样，而且在抗沾污能力、抗时效、耐高温等方面也有不同．因此，选择热电偶的型号就成为一个很重要的事情．补偿导线区误差注意在低温区补偿导线的热电特性须和热电偶的热电特性接近热电极与补偿导线合金丝之间的接点应尽量保持在等温区以避免由于接插件引起的附加误差。补偿导线的极性不要接反，否则会引起重大误差。参考端区误差假如想从测得的热电势来知道热点温度，则参考端温度很重要而且必须知道。两根热电极的参考端温度必须一致，否则会产生误差。铜导线应选取高质量、表面不涂锡的以避免产生其他误差源．在某些情况下，比如从热接点到电测仪表的距离相当长时，则可用普通铜电缆来代替合金热电极或补偿导线，以达到节约目的。电测仪表区误差当使用高质量的电位差计进行测量热电动势时测量误差是很小的，但用较高速的如模拟－数字转换器或计算机进行测量时，常常会引进约10℃的测量误差。如何减少管内流体温度测量误差把管道和套管外露部分一起进行保温，即用保温材料包起来，使套管外露部分的温度接近管道温度。增加温度计插入深度，减少外露部分，具体做法是将温度计在管道弯头处插入或斜向插入。使温度计迎着气流方向插入，感温元件头部放在管道中心线上，以得到最大的对流换热系数。减小温度计套管导热系数，不采用高导热系数的材料作套管？？？增加套管的外圆周长和截面积之比，在强度许可的条件下，应采用薄壁和小直径套管。热电偶测量高温烟气误差热电偶实测的温度壁烟气的真实温度低热接点的平衡温度热电偶与与周围气体的对流换热热电偶与气体、悬浮粒子及炉壁的辐射换热热电偶丝的导热气体的动能在热接点边界层内转化为热能热电偶测量高温烟气的导热误差热电偶测量高温烟气的辐射误差热接点受到气体的对流加热及烟气中的三原子气体和灰粒子的辐射加热热接点同时对水冷壁辐射加热减少热电偶测量气流温度的误差尽可能增加热电偶插入被测气流的长度以减少导热误差。采用细直径热电偶，可以减少导热误差，提高气流对热电偶接点前放热系数。一个121mm直径的铂丝探头，在1300k的气流温度辐射修正量为5K，在2100K时会上升到60K，对于501mm直径的探头，相应的数值则为35K和200K将廉价金属材料的热电偶接点上镀上黑度较小的金属膜如金、银(黑度只有0.05)，或铂(0.18)。采用遮热罩以减少辐射误差。用抽气热电偶，高速抽取被测高温气流，以加强对热电偶的对流加热。

抽气热电偶由热电偶元件、遮热罩和水冷抽气套管组成，与二次测量仪表(毫伏计、电位差计等)及抽气