热电偶微电动势和补偿导线应用原理.doc

热电偶微电动势和补偿导线应用原理 在 工业生产过程中，测量温度的热电偶应用极为广泛，它具有结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯性小和输出信号便于远传等许多优点，所以常被用作测量 炉子、管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度。但是热电偶的材料一般都比较贵重，而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采 用补偿导线把热电偶的冷端 ( 自由端 ) 延伸到温度比较稳定的控制室内的仪表端子上。补偿导线是在一定温度范围内。具有与热电偶匹配的热电动势标称值相同的一对带绝缘包覆的导线，其作用只起延伸 热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上。它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。 一、回路电动势的构成 当 由两种不同的导体或半导体组成一个回路，其两端相互连接时只要两结点处的温度不同，如一端温度为 T ，称为工作端或热端，另一端温度为 TO 称为自由端 ( 也称参比端或冷端 ) ，回路中将产生一个电动势该电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关。这种现象称为“热电效应” , 产生的电动势则称为“热电动势”。热电动势由两部分电动势组成，一部分是两种导体的接触电动势 ( 帕尔贴电势 ) ，另一部分是单一导体的温差电动势 ( 汤姆逊电势 ) 。 1 接触电动势 当 A 和 B 两种不同材料的导体接触时，由于两者的自由电子体密度存在差异，就会在接触处产生自由电子的扩散运动 , 形成扩散电子流。设导体 A 自由电子的体密度 (NAt) 大于导体 B 的体密度 (NBt) ，扩散运动的结果，接触处的 A 端因失去电子而带正电 B 端因得到电子而带负电，从而在电场作用下产生漂移运动，形成与扩散运动方向相反的漂移电子流。二者达到动态平衡形成稳定的电场，产生接触电动势。 由于接触电动势的大小由导体的自由电子体密度差异决定，因此只与导体的材料、接点的温度有关，与导体的直径、长度及几何形状无关。对于温度分别为 t 和 t0 的两接点，可得下列接触电动势公式： 式中： K 为波尔兹曼常数； t 以绝对温度表示的温度值； e 为电子电荷量。 2 温差电动势 对 于导体 A 或 B ，将其两端分别置于不同的温度场 t 、 to 中 (tto) 在导体内部，热端的自由电子具有较大的动能，将向冷端移动，从而使热端失去电子带正电荷冷端得到电子带负电荷。这样，导体两端便产生了一个由热端指向冷 端的静电场。该电场阻止电子从热端继续跑到冷端并使电子反方向移动最后达到动态平衡状态。这样，导体两端便产生了电位差该电位差称为温差电动势。温差 电动势的大小取决于导体的材料及两端的温度，如下式所示： 从上式可以看出，如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，无论两接点的温度如何，热电动势为零。 3 补偿导线对热电动势的影响 若在热电偶中引入补偿导线，在一定的温度范围内具有与热电偶匹配的热电动势标称值相同，在两接点温度 t 、 to 的热电动势等于该热电偶在接点温度为 t 、 tn 和 tn 、 to 的相应热电动势的代数和。 该式为补偿导线的使用提供了理论依据。它表明：若热电偶的热电极被导体延长，只要接入的导体组成热电偶的热电特性与被延长的热电偶的热电特性相同且它们之间连接的两点温度相同，则总回路的热电动势与连接点温度无关，只与延长以后的热电偶两端的温度有关。 4 中间导体定律 在 热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变。与此相似，对于传热均匀的材料，补偿导线的合金丝可以直接插入 金属中或直接焊在金属表面进行温度测量。但是，对于通常条件下的固体传热块的温度测量，应尽可能将补偿导线测量端焊接成一体以尽可能减小结点温度不均匀 给测量带来的误差。 二、热电极用材料的选择 根据金属的热电效应原理，任意两种不同材料的导体都可以作为热电极组成热电偶。但在实际应用中，用作热电极的材料应具备如下几方面的条件： 1 温度测量范围广 要求在规定的温度测量范围内有较高的测量精确度，有较大的热电动势。温度与热电动势的关系是单值函数最好是呈线性关系。 2 性能稳定 要求在规定的温度测量范围内使用时热电性能稳定均匀性和复现性好。通过改进的同种材料组成热电偶产生热电势的试验，发现有微弱热电势产生。这说明由于某种作用使同种材料的均质性遭到破坏，不均质性产生附加热电势因此在合金丝的选择要尽量避免这种情况出现。 3 物理化学性能好 要求在规定的温度测量范围内使用时不产生蒸发现象。有良好的化学稳定性、抗氧化性或抗还原性能。 满 足上述条件的热电偶材料并不很多。目前我国大量生产和使用、性能符合专业标准或国家标准并具有统一分度表的热电偶材料称为定型热电偶材料，共有六个品种。 它们分别是：铜一康铜、镍铬一考铜、镍铬一镍硅、镍铬一镍铝、铂铑 10 一铂及铂铑 30 一铂铑 6 。其中镍铬一考铜热电偶材料将逐渐地被淘汰。根据国际电工委员会 (IEC) 标准的规定我国将发展镍铬一康铜、铁一康铜热电偶材料。此外，我国还生产一些未定型热电偶材料，如铂铑 13- 铂、铑 40- 铱、钨铼 5- 钨铼 26 等等。 在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与热电偶热动势相近。补偿导线与所配热电偶见附表。 三、补偿导线的选择使用 为了保证补偿可靠、稳定地工作，对它的结构就有一定的要求。首先两根导体彼此之间应很好地绝缘，以防短路，此时测量端将会延伸到短路处，而不是需测量部位的温度。因此，在选择热电偶补偿导线的时候，尤其要注意绝缘耐热温度，外护套应能保证热电极与有害介质充分隔离。 一般用补偿导线的绝缘层是以聚氯乙烯为主体材料的，根据其使用的最高温度 70 和 100 分别标记，对于高耐温场合下应选择耐热材料绝缘，如聚四氟乙烯。耐高温硅橡胶绝缘等。 耐热用补偿导线的护套是以聚四氟乙烯 ( 用“ F ”标记 ) 或无碱玻璃丝为主体材料。用无碱玻璃丝编制做护套必