第三章热电偶温度测量ppt课件

1、第三章 热电偶温度测量w第一节热电现象和关于热电偶的基本定律 w一、热电现象和热电偶温度计；w二、热电偶的基本定律w 第二节标准化与非标准化热电偶 w 一、热电极材料及其热电性质；w二、标准化热电偶；w三、非标准化热电偶w四、热电偶的构造w 第三节热电偶冷端温度补偿问题w 一、计算法；w二、冰点槽法；w三、补偿电桥法(冷端补偿器)；w四、多点冷端温度补偿法；w五、晶体管PN结 温度补偿法w w 第四节热电偶的校验第一节 热电现象和关于热电偶的基本定律w热电偶温度计由热电偶、电测仪表和连接导线组成。w测量1001600温度w较高准确度w温度信号转变成电信号，便于信号的远传和实现多点切换测量w在工

2、业生产和科学研究领域中被广泛用于测量温度。一、热电现象和热电偶温度计w 由两种不同的导体(或半导体)A、B组成的闭合回路中，如果使两个接点t、t0处于不同温度，回路就会出现电动势，称为热电势，这一现象称为热电现象，这是塞贝克在1821年发现的，故又称为塞贝克效应。w热电势是由温差电势和接触电势组成的。温差电势(汤姆逊电势)w是一根导体上因两端温度不同而产生的热电动势。w当同一导体的两端温度不同时，高温端的电子能量比低温端的电子能量大，因而从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多w高温端因失去电子而带正电荷，低温端因得到电子而带负电荷，从而在高、低温端之间形成一个从高温端指向低温端的

3、静电场。温差电势w该电场阻止电子从高温端跑向低温端，同时加速电子从低温端跑向高温端，最后达到动平衡状态，即从高温端跑向低温端的电子数等于从低温端跑向高温端的电子数。w动平衡状态时在导体两端产生一个相应的电位差，该电位差称为温差电势。w此电势只与导体性质和导体两端的温度有关，而与导体长度、截面大小、沿导体长度上的温度分布无关。接触电势(珀尔帖电势)w是在两种不同的导体A和B接触时产生的。wA、B金属有不同的电子密度，设导体A的电子密度NA大于导体B的电子密度NB，则从A扩散到B的电子数要比从B扩散到A的多，A因失去电子而带正电荷，B因得到电子而带负电荷，于是在A、B的接触面上便形成了一个从A到B

4、的静电场。w这个电场将阻碍电子扩散的继续进行，同时加速电子向相反方向转移，即从B回到A的电子数增多，最后达到动平衡状态。w在动平衡状态时A、B之间形成一个电位差，这个电位差称为接触电势(见图33)，其数值取决于两种不同导体的性质和接触点的温度。w如导体A和B相接触，接点温度为t则接点处的接触电势的形式只与A和B的性质有关 热电势w 一个由A、B两种均匀导体组成的热电偶，当两个接点温度分别时，按顺时针取向，热电偶产生的热电势为温差电势和接触电势之和。热电偶测量温度的工作原理w即热电偶所产生的热电势E只和温度有关，因而，测量热电势的大小，就可求得温度t的数值了，这就是用热电偶测量温度的工作原理。w

5、组成热电偶的两种导体，称为热电极。w通常把t0热电偶的参考端、自由端或冷端，而t端称为测量端、工作端或热端(下统称冷端、热端)。w如果在冷端电流从导体A流向导体B，则称为正热电极,B称为负热电极。二、热电偶的基本定律w在使用热电偶测量温度时，还需要应用关于热电偶的三条基本定律，它们已由实验所确立.w1均质导体定律w2中间导体定律w3连接温度定律 1均质导体定律w由一种均质导体(或半导体)组成的闭合回路，不论导体(半导体)的截面积如何以及各处的温度分布如何，都不能产生热电势。w由此定律可以得到如下的结论：w 1)热电偶必须由两种不同性质的材料构成w 2)由一种材料组成的闭合回路存在温差时，回路如

6、产生热电势，便说明该材料是不均匀的。据此，可检查热电极材料的均匀性。 2中间导体定律w由不同材料组成的闭合回路中，若各种材料接触点的温度都相同，则回路中热电势的总和等于零。w结论w 1)在热电偶回路中加入第三种均质材料，只要它的两端温度相同，对回路的热电势就没有影响。w如图35所，利用热电偶测温时，只要热电偶连接显示仪表的两个接点的温度相同，那么仪表的接入对热电偶的热电势没有影响。w而且对于任何热电偶接点，只要它接触良好，温度均一，不论用何种方法构成接点，都不影响热电偶回路的热电势。w如果两种导体A、B对另一种参考导体C的热电势为已知。w这两种导体组成热电偶的热电势是它们对参考导体热电势的代数

7、和(见图36)。 标准电极w参考导体亦称标准电极。w铂的物理、化学性能稳定，熔点高，易提纯，复制性好，所以标准电极常用纯铂丝制作。w这个结论大大简化了热电偶的选配工作。只要取得一些热电极与标准铂电极配对的热电势，其中任何两种热电极配对时的热电势就可通过计算求得。3连接温度(或中间温度)定律w接点温度为t1和t3的热电偶，它的热电势等于接点温度分别为t1,t2和t2,t3的两支同性质热电偶的热电势的代数和，如图37所示，可以写出它的热电势。w在测温时，为了使热电偶的冷端温度保持恒定，可以把热电偶做得很长，使冷端远离热端，并连同测量仪表一起放置到恒温或温度波动较小的地方(如集中控制室)。w但这种方

8、法要耗费许多贵重的热电极材料，因而。一般是用一种所谓补偿导线和热电偶的冷端相连接(如图38所示)。w这种补偿导线是两种不同的金属材料，它在一定的温度范围内(0100)和所连接的热电偶具有相同的热电性质，可用它们来做热电偶的延伸线。补偿导线w补偿导线分为补偿型和延伸型两种。w补偿型补偿导线的材料与对应的热电偶不同，是用贱金属制成的，但在低温下它们的热电性质是相同的。w延伸型补偿导线的材料与对应的热电偶相同，但其热电性能的准确度要求略低。w补偿导线的结构与电缆一样，有单芯、双芯等,芯线又分单股硬线和多股软线；芯线外为绝缘层和保护层，有的还有屏蔽层。w补偿导线电阻率较小，线径较粗，这有利于减小热电偶

9、回路的电阻。连接温度定律的推论w 1)已知热电偶在某一给定冷端温度下进行的分度，只要引入适当的修正，就可在另外的冷端温度下使用。这就为制订热电偶的热电势温度关系分度表奠定了理论基础。w 2)和热电偶具有同样热电性质的补偿导线可以引入热电偶的回路中，相当于把热电偶延长而不影响热电偶应有的热电势，这就为工业测温中应用补偿导线提供了理论依据。第二节 标准化与非标准化热电偶w 常用的热电偶是由热电极(热偶丝)、绝缘材料(绝缘管)和保护套管等部分构成的。一、热电极材料及其热电性质w 1)物理性能稳定。能在较宽的温度范围内使用，其热电性质不随时间变化；w 2)化学性能稳定，在高温下不易被氧化和腐蚀；w 3

10、)热电势和热电势率(温度每变化1引起的热电势的变化)大，热电势与温度之间呈线性关系；w 4)电导率高，电阻温度系数小；w 5)复制性好，以便互换；w 6)价格便宜。 二、标准化热电偶w是指制造工艺较成熟、应用广泛、能成批生产、性能优良而稳定并已列入专业或国家工业标准化文件中的那些热电偶。w标准化文件对同一型号的标准化热电偶规定了统一的热电极材料及其化学成分、热电性质和允许偏差。w标准化热电偶具有统一的分度表。w对于同一型号的标准化热电偶具有互换性，使用十分方便。 1铂铑10铂热电偶(分度号s)w贵金属热电偶，直径通常钓为05mm，它长期使用的最高温度可达1300 ，短期使用可达1600。这种热

11、电偶的复制性好，测量准确度高，宜在氧化性及中性气氛中长期使用，在真空中可短期使用，w不能在还原性气氛及含有金属或非金属蒸气中使用，除非外面套有合适的非金属保护套管，防止这些气氛和它直接接触。w在高温下长期使用时，其晶粒会过分增大，导致铂电极折断。高温下铂电极对污染很敏感，热电势会下降，而且铂铑极中的铑会挥发或向铂电极扩散，热电势也会下降。w电势较小，价格较贵。2铂铑13铂热电偶(分度号R)w热电偶的基本性能和使用条件和铂铑10一铂热电偶相同，只是热电势略大些，欧美等国家使用较多。3铂铑30铂铑6热电偶(分度号B)w这也是贵金属热电偶，直径通常为05mm，长期使用最高温度可达1600，短期使用可

12、达1800。w它宜在氧化性或中性气氛中使用，在真空中可短期使用。w它不能在还原性气氛及含有金属或非金属蒸气的气氛中使用，除非外面套有合适的非金属保护套管。与铂铑10一铂热电偶相比。w由于它的两个热电极都是铂铑合金，因此抗污染能力增大，晶粒增大也很小，热电性质更为稳定。w这种热电偶的热电势及热电势率都比铂铑10一铂热电偶更小。由于它在低温时的热电势很小因此冷端在50以下使用时，可不必进行冷端温度补偿。4镍铬镍硅(镍铬镍铝)热电偶(分度号K)w贱金属热电偶，热电极直径一般为0332 mm， 直径不同，它的最高使用温度也不同。以直径32mm为例，它长期使用的最高温度为1200，短期测温可达1300。

13、w在500以下可在还原性、中性和氧化性气氛中可靠地工作，而在500以上只能在氧化性或中性气氛中工作。w镍铬镍硅热电偶可用于温度很低的含氢或氨的气氛中。而不能用于氧化还原交替的气氛中，也不能用于含硫的气氛中。在真空中只能短期使用(因为铬将挥发而改变分度值)。w镍铬镍铝热电偶与镍铬镍硅热电偶的热电特性几乎完全一致，但是镍硅合金比镍铝合金的抗氧化性更好，目前我国基本上已用镍铬镍硅热电偶取代镍铬镍铝热电偶。w镍铬镍硅热电偶的热电势率比铂铑10 铂热电偶的大45倍，而且温度和热电势关系较近似于直线关系。5镍铬康铜热电偶(分度号E)w这是贱金属热电偶，测温范围为一200900，热电极直径为0332mm。直

14、径不同，最高使用温度也不同，以直径32mm为例，长期使用最高温度为750，短期使用最高可达900。w这种热电偶适合在氧化性或中性气氛中使用。在其他气氛中使用所受的限制与镍铬镍硅热电偶相同。这种热电偶适合在0以下测量温度，因为它在高湿度气氛中不易腐蚀。w在常用热电偶中，这种热电偶每摄氏度对应的电势最高，因此经常使用这种热电偶，6铁康铜热电偶(分度号J)w贱金属热电偶，测温范围为-40750，热电极直径为0332mm，它的最高测量温度与热电极直径有关。w它适用于氧化、还原性气氛中测温，亦可用在真空、中性气氛中测温。它不能在538以上的含硫气氛中使用。w这种热电偶具有稳定性好，灵敏度高和价格低廉等优

15、点。7铜铜热电偶(分度号T)w贱金属热电偶，测温范围为-200+400，热电极直径为0216mm，它的最高测量温度与热电极直径有关。w它适合在氧化、复原、真空及中性气氛中使用，它在潮湿的气氛中是抗腐蚀的，特别适合于0以下温度的测量。w它的主要特点是测温准确度高，稳定性好，低温时灵敏度高以及价格低廉。8镍铬金铁热电偶(分度号NiCrAuFe007)及铜金铁热电偶(分度号CuAuFe007)w这两种热电偶适用于低温测量。其测量范围前者为-2700，后者为-270 196 。w这两种热电偶在低温下使用具有稳定性好、灵敏度高等优点，其分度表可查有关资料。w 1) S、R、B的贵金属来说，长期使用最高温

16、度是指在干燥空气中热电偶在该温度下经过200h作后，其原始分度值的变化不超过05；短期使用的最高温度、工作气氛及原始值的变化与上述相同，经历时间则为20hw。w 2) K、E、J、T的贱金属来说，其长期使用的最高温度是指在干燥空气中热电偶在该温度下经过1000h工作后，其原始分度值的变化不超过075；短期使用的最高温度、工作气氛及原始值的变化与上述相同，经历时间则为100h。w 3)分度号为E、J、T热电偶的负极虽然都是康铜(铜镍合金)，但通常含有少量的不同元素，以控制热电势，并相应减少镍或铜的含量，或同时减少二者的含量。 三、非标准化热电偶w在高温、低温、超低温、高真空和有核辐射等被测对象中

17、，具有某些特别良好的性能。非标准化热电偶一般没有统一的分度表。w非金属热电偶材料的复制性还很差，故没有统一的分度表，也不能成批生产。w其机械强度较差，因此在使用中受到较大的限制。四、热电偶的构造w 1普通型热电偶w 常用的普通型热电偶本体是一端焊接的两根金属丝(热电极)。w考虑到两根热电极之间的电气绝缘和防止有害介质侵蚀热电极，在工业上使用的热电偶一般都有绝缘管和保护套管。w如果被测介质对热电偶不会发生侵蚀作用，也可不用保护套管，以减小接触测温误差与滞后。 (1)热电极w热电极的直径由材料的价格、机械强度、电导率以及热电偶的用途和测量范围等决定。w贵金属热电极的直径一般是0.30.65mm；w

18、贱金属热电极的直径一般是0.53.2mm。w热电偶的长度根据热端在介质中的插入深度来决定，通常为3502000mm。焊点的形式w热电偶热端通常采用焊接方式形成。w为了减小热传导误差和滞后，焊点宜小，焊点直径应不超过两倍热电极直径。w点焊w对焊w绞状点焊 (2)绝缘材料w热电偶的两根热电极要很好地绝缘，以防短路。w在低温下可用橡胶、塑料等作绝缘材料；w在高温下采用氧化铝、陶瓷等制成圆形或椭圆形的绝缘管，套在热电极上。 各 称 长期使用的温度上限 () 名 称 长期使用的温度上限 () 天然橡胶 聚乙烯 聚四氟乙烯 玻璃和玻璃纤维 6080 80 250 400 石 英 陶 瓷 氧化铝 氧化镁 1

19、100 1200 1600 2000 (3)保护套管w为防止热电极遭受化学腐蚀和机械损伤，热电偶通常都是装在不透气的、并带有接线盒的保护套管内。w接线盒内有连接热电极的两个接线柱，以便连接补偿导线或导线。w对保护套管材料的要求是能承受温度的剧变、耐腐蚀、有良好的气密性和足够的机械强度，有高的热导率，在高温下不致和绝缘材料及热电极起作用，也不产生对热电极有害的气体。w主要用于测量气体、蒸汽和液体等介质的热电偶。w按其安装时的连接形式可分为螺纹连接和法兰连接两种；w按其使用时被测介质的压力大小可分为密封常压式和高压固定螺纹式两种w 还有一种保护套管结构(称为焊接固定锥形热电偶)，其外形如图312(

20、g)所示。它是用在高温高压蒸汽管道上测量蒸汽温度用的。w 这些热电偶测温时的时间常数随保护套管的材料及直径而变化。 (4)接线盒w接线盒中有接线端子，它将热电极和连接导线连接起来。接线盒起密封和保护接线端子的作用。w普通式w防溅式w防水式w隔爆式w插座式 2铠装热电偶w铠装热电偶是由金属套管、绝缘材料和热电极经拉伸加工而成的坚实组合体，其结构如图3一13所示w套管材料有铜、不锈钢及镍基高温合金等。w热电偶与套管之间填满了绝缘材料的粉末，目前采用的绝缘材料绝大部分为氧化镁。铠装热电偶的热端w有露端形、接壳形、绝缘形、扁变截面形及圆变截面形等。铠装热电偶的主要优点p热端热容量小p动态响应快p机械强

21、度高p挠性好p耐高压、强烈震动和冲击p可安装在结构复杂的装置上 3薄膜热电偶w由两种金属薄膜连接而成的一种特殊结构的热电偶。w热端既小又薄，热容量很小，可以用于微小面积上的温度测量；动态响应快，可测量瞬变的表面温度。w片状结构的薄膜热电偶，是采用真空蒸镀法将两种热电极材料镀到绝缘基板上，上面再蒸镀一层二氧化硅薄膜作绝缘和保护层。w如果将热电极材料直接蒸镀在被测表面上，其时间常数可达微秒级，可用来测量变化极快的温度。w 也可将薄膜热电偶制成针状，针尖处为热端，可用来测量点的温度。 第三节 热电偶冷端温度补偿问题w 从热电偶的测温原理中知道，热电偶热电势的大小不但与热端温度有关，而且与冷端温度有关

22、，只有在冷端温度恒定的情况下，热电势才能正确反映热端温度高低。w在实际应用时，热电偶的冷端放置在距热端很近的大气中。受高温设备和环境温度波动的影响较大，因此冷端温度不可能是恒定值。w为消除冷端温度变化对测量的影响可采用下述几种冷端温度补偿方法。 一、计算法w各种热电偶的分度关系是在冷端温度为0的情况下得到的。w如果测温热电偶的热端为t，冷端不是0而是t0，这时不能用测得的E(t，0)去查分度表得，而应该根据下式计算热端为t、冷端为0时的热电势：w 热端为t时的热电势，该值可以从热电偶分度表中查得。w然后用E(t，0)从分度表中查得温度，就是通过计算法补偿了冷端温度不在0所产生的电势变化后得到的

23、热端温度。w w用计算法来补偿冷端温度变化的影响，适用于实验室测温;w对于现场使用的直读式仪表测温，用此方法补偿是很不方便的。二、冰点槽法w 如果在测温时将热电偶冷端置于0下，就不需要进行冷端温度补偿w这时需要设置一个温度恒为0的冰点槽。图3-16所示是一个简单的冰点槽，把清洁水制成冰屑，冰屑与清洁水相混合后放在保温瓶中。在一个大气压下,冰和水的平衡温度就是0。在瓶盖上插进几根盛有变压器油的试管是为了保证传热性能良好，将热电偶的冷端插到试管里。w 冰点槽法是一个准确度很高的冷端温度处理方法，然而需要保持冰水两相共存，使用起来比较麻烦，因此这个办法只用于实验室，工业生产中一般不采用。w补偿电桥法

24、是利用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶冷端温度变化而引起的热电势变化。w 三、补偿电桥法(冷端补偿器)w冷端温度补偿电桥是一个不平衡电桥。w桥臂电阻R和Rc u与热电偶冷端处于相同的环境温度。w是锰铜线绕电阻Rcu是铜导线绕制的补偿电阻。wE(=4V)是桥路直流电源w选择Rcu的阻值使桥路在20时处于平衡状态，此时桥路输出为0。w通过改变限流电阻尺，的阻值来改变流过桥臂的电流，可使补偿电桥与不同类型的热电偶配合使用。机械零点w 如果电桥平衡时的温度为20，则冷端温度=20。在使用时，与其配接的动圈表的机械零点应调至20。w 与热电偶配接的温度变送器及电子自动电位差计中也有温度补偿电路，而且就作

25、为仪表测量线路的一部分，它们都是将热电偶的冷端温度补偿至0。四、多点冷端温度补偿法w为了节省仪表，在同一设备或同一车间里，可利用多点切换开关把几支甚至几十支同一分度号的热电偶接到一块仪表上，这时只需要用一个公共的冷端补偿器。还有一个办法w把所有热电偶的冷端引到一个接线端子盒里，在这个盒子里放置着补偿热电偶的热端。w补偿热电偶可以是一支测温热电偶或是用测温热电偶的补偿导线制成的热电偶。w补偿热电偶和测温热电偶通过切换开关和仪表串接起来，使冷端温度变化引起测温热电偶和补偿热电偶的热电势变化相互补偿。w此时动圈表的机械零点应调整到补偿热电偶较为恒定的冷端温度处，w也可以把数支热电偶的冷端引到一个加热的恒温器内，恒温器用电阻丝加热，用水银接点温度计控制恒温器在某一恒定温度(