热电偶测温讲解

三 热电偶测温仪表 组成 热电偶1连接导线2显示仪表3 基于热电效应原理的测温仪表 广泛应用于生产和研究领域 测温精度高 性能稳定 结构简单 易于制造 产品互换性好 便于信号远传和实现多点切换 测温范围广 可达 200 2000 形式多样 适用于各种测温条件 2 三 热电偶测温仪表 一 热电偶测温仪表工作原理1 热电效应热电偶的测温原理是以热电效应为基础的 两种不同材料的导体A B组成一个闭合回路 当回路两端接点t0 t的温度不相同时 假设t t0 回路中就会产生一定大小的电势 形成电流 这个电流的大小与导体材料性质和接点温度有关 这种原理称为热电效应 这种现象早在1821年首先由西拜克 Seeback 发现 所以又称西拜克效应 3 术语 热电偶 两种不同材料的组合体称为热电偶 热电极 构成热电偶的两种导体称为热电极 测量端 工作端 热端 插入被测介质中感受被测温度的一端 如图中接点t 参考端 自由端 冷端 处于周围环境中的一端 如图中接点t0 参考端 测量端 4 2 热电势热电势是接触电势和温差电势共同作用的结果 1 接触电势由于两种不同导体的电子密度不同 从而在接点处发生电子扩散而形成的电动势 它只与A B导体的性质和接点处温度有关 记作eAB t 电子浓度NA NB k 波尔曼系数 k 1 38 10 23 J e 单位电荷 e 4 802 10 10 NA NB 电子密度 5 2 温差电势由于同一根导体中电子从高温端向低温端迁移而引起的电动势 只与导体材料性质和两端温度有关 记作eA t t0 eA t eA t0 温差电势原理图 6 3 热电势公式推导 可得热电势公式为 对于给定热电偶 热电势是其两端温度函数之差 若其冷端温度t0恒定 则f t0 是定值 热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关 与热电偶的长度 粗细无关 根据电磁场理论得 温差电势远小于接触电势 7 中规定写在前面的A和t分别为正极和高温 写在后面的B和t0分别为负极和低温 若它们的位置互换 则热电势的极性就反相 4 热电极的极性 测量端失去电子的热电极为正极 得到电子的热电极为负极 符号 例 二 热电偶的基本定律 1 匀质导体定律匀质导体的回路不论各处温度分布如何都不会产生热电势 热电偶必须由两个不同质的材料组成 同一导体回路是否有热电势可用来判定导体是否匀质 9 T2 T1 Aa B C 2 3 EABa A T0 2 3 A B EAB T1 T2 C T0 a b T0 T0 第三种材料接入热电偶回路图 2 中间导体定律由两种不同导体构成的热电偶回路中 接入第三种导体 只要保持第三种导体两端温度相等 则对回路热电势没有影响 E T0 T0 T E T0 T1 T1 T 电位计接入热电偶回路 根据上述原理 可以在热电偶回路中接入电位计E 只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等 就不会影响回路中原来的热电势 接入的方式见下图所示 也允许采用不同方法来焊接热电偶 3 中间温度定律热电偶回路中 热端温度为t 冷端为t0时的热电势 等于此热电偶热端为t 冷端为tn 及同一热电偶热端为tn 冷端为t0时热电势的代数和 中间温度定律是制定热电偶分度表的理论基础 由于热电偶分度表都是以冷端温度为0 时做出的 但一般工程测量中冷端都不为0 因此 只要测出热端与冷端时的热电势 便可利用中间温度定律求出热端温度 作用 12 两种金属构成热电偶的热电势 可以用这两种金属分别与第三种金属构成的热电势之差来表示 A A t B B C C t0 这里C称为标准电极 标准电极通常采用纯铂丝制成 因为铂容易提纯 熔点高 性能稳定 标准电极定律使热电偶的选配工作大为简化 只要知道一些材料与标准电极相配时的热电势 就可求出任何两种材料配成热电偶的热电势 作用 4 标准电极定律 t t0 t t0 三 常用热电偶测温系统 E 1 热电偶信号传输到控制室 若A B 为普通铜导线 则 t0 为现场环境温度 不稳定 从而导致E与t的关系不唯一 1 采用普通铜导线 E 现场 控制室 三 常用热电偶测温系统 E E 现场 控制室 t0在控制室内 温度稳定 则保证E与t的单值对应关系 1 热电偶信号传输到控制室 2 采用补偿导线 若A B 的热电特性与A B热电特性在t0 t0范围内相似 则 补偿导线 是在一定的温度范围内 0 100 或0 200 与所接的热电偶热电性能相同的廉价金属丝 补偿导线只是改变了冷端的位置 根据热电偶的基本定律 利用接入的补偿导线 使冷端远离测温现场 并同测量仪表一起放在恒温或温度波动较小的控制室里 t0 tn t 3 B A B A 2 补偿导线 16 热电偶的分度表 热电偶的线性较差 多数情况下采用查表法 我国从1991年开始采用国际计量委员会规定的 1990年国际温标 简称ITS 90 的新标准 按此标准 制定了相应的分度表 并且有相应的线性化集成电路与之对应 直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是 自由端 冷端 温度必须为0 C 温度单位 电压单位 mV参考温度点 自由端温度 0 冰点 K型 镍铬 镍硅 热电偶分度表 ITS 90 18 四 热电偶冷端温度的影响及处理 热电偶的分度表所表征的是冷端温度为0 时的热电势 温度关系 与热电偶配套使用的显示仪表就是根据这一关系进行刻度的 因此 尽管使用补偿导线可以把热电偶的冷端延伸到温度易稳定的地方 但此时冷端温度可能还有变化 或者不等于0 造成测量误差 因此 在实际应用中 必须采取措施来保证冷端温度恒为0 或补偿冷端温度不等于0 时带来的测量误差 常用的冷端温度补偿方法有 恒温法 示值修正法 冷端温度补偿电桥法等 19 1 恒温法把热电偶冷端置于人造恒温装置中 1 冰点槽 2 电热式恒温箱 mV A B A B T C C 仪表 铜导线 试管 补偿导线 热电偶 冰点槽 冰水溶液 T0 2 示值修正法一般显示仪表的分度是在冷端温度恒定为0 条件下进行的 若冷端温度t0 0 时 示值不能正确反映被测温度 需要修正 机械零位调整法 预先把仪表的机械零件调整到冷端温度t0处 相当预加电势E t0 0 即计算修正法 假设冷端温度t0 0 被测温度为t 有 21 3 冷端温度补偿电桥法利用不平衡电桥产生的电压作为补偿电压 以抵消因冷端温度变化引起的热电势的变化 当冷端温度升高时 热电势Ex逐渐减小 电桥中RCu增大 Uab随之增大 若 Uab Ex 则UAB Uab Ex不会随冷端温度变化而变化 22 热电偶测温系统的构成 1 热电偶 测温元件 2 导线 补偿导线 3 显示 控制仪表 输入mV 带冷端补偿 1 热电偶 显示 控制 显示仪表 A B A B t0 现场 控制室 mV t0 注意 补偿导线和显示仪表都是与热电偶配用的 t t0 23 例5 3 有一个实际的热电偶测温系统 两个热电极的材料为镍铬和镍硅 L1和L2分别为配镍铬 镍硅补偿导线 测量系统配K型热电偶的温度显示仪表 带补偿电桥 来显示被测温度的大小 设t