第4章热电偶温度计

1、第4章 热电偶温度计 热电偶温度计由热电偶、电测仪表、连接导线等组成。 固定螺纹锥形固定法兰式固定螺纹式防水式防喷式铠装热电偶4.1热电现象和热电偶的基本定律1 热电现象和热电偶温度计 由两种不同的导体（或半导体）A、B组成的闭合回路，当接点1、2处于不同温度时，回路就会出现电动势，称为热电动势，简称为热电势。 这一由温度产生电动势的现象称为热电现象。 这两根导体（或半导体）称为热电极。 进一步的研究表明，热电势是由温差电势和接触电势组成。温差电势 温差电势是由于一根导体两端温度不同而产生的热电动势。 设tt0， eA(t ,t0)称为温差电势。 温差电势可表达为 e：单位电势，4.80210

2、-10绝对静电单位； K：玻尔兹曼常数，1.3810-23J/K； NA：电子密度，是温度的函数。 从上式可见，eA(t ,t0)的大小取决于两端温差和电子密度。)(1),(00ttAAAtNdNeKtte 电子密度与材料有关， eA(t,t0)=f(材料，t,t0） 因此，eA(t,t0)只与热电极性质、两端温度有关，而与电极长度、截面积大小、沿长度的温度分别无关。 温差越大，eA(t,t0)也越大；两端温度相同时，温差电势为零。 为了表达方便，eA(t,t0)=A(t)-A(t0)； A(t)与材料、温度有关。接触电势 是由于两种材料电子密度不同而产生的电势。 设NANB， eAB(t)为

3、接触电势。接触电势可表达为 接触电势的大小与接触处温度的高低和导体种类有关， eAB(t)=f(T,NAt-NBt)。 接触处温度越高，接触电势越大。BtAtABNNeKTteln)(热电势 综合温差电势和接触电势可以知道由两种不同材料组成的热电偶的热电势EAB(t , t0)。 设tt0，NANB，按顺时针方向取向。 热电偶热电势EAB(t ,t0)为： EAB(t ,t0)=eAB(t)+eB(t ,t0)-eAB(t0)-eA(t ,t0) =eAB(t)+B(t)-B(t0)-eAB(t0)-A(t)+A(t0) =eAB(t)-A(t)+B(t)-eAB(t0)-A(t0)+B(t0

4、) =fAB(t)-fAB(t0)eA(t,t0)=f(材料，t,t0）, eAB(t)=f(T,NAt-NBt),fAB(t)与A的性质、B的性质、t有关，fAB(t0)与A的性质、B的性质、t0有关。 当材料确定后，fAB(t)、fAB(t0)只与t、t0有关，而与长度、截面积等无关。 EAB(t,t0)只与t、t0有关。 保持t0不变，则fAB(t0)不变， EAB(t,t0)=fAB(t)-C，热电势只与t有关， 只要测出EAB(t,t0)就可求出温度t的数值。 t称为热端、工作端、测量端；t0称为冷端、自由端、参考端。 在冷端，电流从导体A流向导体B，则A称为正热电极，B称为负电极。

5、热电偶的分度表 函数fAB的形式并不清楚，所以EAB(t ,t0)与t的关系只能用实验方法确定。 用实验确定热电性质时，使t0=0，然后制成EAB(t,t0)与t的表格。称为热电偶的分度表。 使用分度表时需注意：EAB(t,t0)是两端温度函数的差值，并不是线性的。因此，在不同的温域内，t0相同时，相同的t引起的E并不相等。2 热电偶的基本定律1）均质导体定律 由一种均质导体（或半导体）组成的闭合回路，不论导体（或半导体）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。 由该定律可以得到如下的结论：热电偶必须由两种不同性质的材料构成；由一种材料组成的闭合回路存在温差时，回路如产生热电势，

6、便说明该材料是不均匀的。2）中间导体定律 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。由此定律可以得到如下的结论：在热电偶回路中加入第三种均质材料，只要接入导体的两端温度相同，则不影响原热电偶热电势的大小。证：设tt0, NANBNC Etotal=eAB(t)+eB(t,t0)+eBC(t0)+eC(t0,t0)-eAC(t0)-eA(t,t0) Etotal=eAB(t)+eB(t,t0)-eAB(t0)-eA(t,t0) =eAB(t)+B(t)-B(t0)-eAB(t0)-A(t)+A(t0) =eAB(t)-A(t)+B(t)-eAB(t0)

7、-A(t)+B(t0) =fAB (t)-fAB(t0)=EAB(t,t0)CACBACBCNNeKTNNeKTtetelnln)()(0000)()(ln000teteNNeKTABBAAB 根据该推论，只要显示仪表和连接导线接入热电偶回路的两端温度相同，那么仪表和导线的接入不会影响到热电偶产生的热电势大小。 在测量钢水温度、固体表面温度时的应用。如果两导体A、B对另一种参考导体C的热电势为已知，则这两种导体组成热电偶AB的热电势是它们对参考导体C热电势的代数和。 即， EAB(t, t0)=EAC(t, t0)+ECB(t, t0)证：EAC(t, t0)+ECB(t, t0)=fAC(t

8、)-fAC(t0)+fCB(t)-fCB(t0) =eAC(t)-A(t)+C(t)-eAC(t0)-A(t0)+C(t0) +eCB(t)-C(t)+B(t)-eCB(t0)-C(t0)+B(t0) = eAC(t)+ eCB(t )-A(t)+B(t)-eAC(t0)+eCB(t0)- A(t0)+B(t0)原式=eAB(t)-A(t)+B(t)-eAB(t0)-A(t0)+B(t0) =EAB(t,t0)(lnlnln)()(teNNeKTNNNNeKTteteABBABCCACBAC例：已知，E铜-铂(100,0)=0.75mv，E康铜-铂(100,0)=-0.35mv； 求：E铜-康

9、铜(100,0)。 解：E铜-康铜(100,0)=E铜-铂(100,0)+E铂-康铜(100,0) = E铜-铂(100,0)-E康铜-铂(100,0) =0.75-(-0.35)=1.10mv。3) 中间温度定律 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)的两支同性质的热电偶的热电势代数和。 即 EAB(t1,t3)=EAB(t1,t2)+EAB(t2,t3)4.2 标准化热电偶1 热电极材料的选择对热电极材料的要求：物理性能稳定，能在较宽的温度范围内使用，其热电特性不随时间变化；化学性能稳定，不易氧化和电极间不相互渗透；热电势和热电势率要大（温

10、度变化1引起的热电势变化），热电势与温度间呈线性关系；复制性好，以便互换；价格便宜，加工方便。 只有满足上述要求的材料才能制成热电偶。但实际上，很难找到全部满足上述要求的电极材料，只能根据所使用的条件范围，选择合适的热电极材料。纯金属电极：热电极容易复制，热电势率小；当两电极是由两种纯金属组成时，热电势率平均为20V/,所以热电偶的两电极很少均采用纯金属。非金属电极：电势率大（可达1000V/），熔点高，复现性和稳定性较差。合金电极：热电性质和工艺性能介于两者之间。 常用的热电偶一般是用纯金属与合金相配，或是合金与合金相配。2 标准化热电偶 标准化热电偶是指制造工艺较成熟、应用广泛、能成批生产

11、、性能优良且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。 标准化热电偶：S（铂铑10-铂）、R（铂铑13-铂）、B（铂铑30-铂铑6）、K（镍铬-镍硅）、J（铁-康铜）、T（铜-康铜）、N（镍铬硅-镍硅）3 热电偶的构造普通型热电偶 组成：热电极、绝缘材料、保护套管。铠装热电偶 也是由三部分组成：热电极、绝缘材料、保护套管。经拉伸成为一体。4 补偿导线a: Ea=EAB(t, tn)+EAB(tn, t0)b: Eb=EAB(t, tn)+EAB(tn, t0) 要使AB起到补偿导线的作用，则AB的接入应不影响Ea， Ea=Eb， EAB(tn,t0)=EAB(tn,t0)满足上式有两

12、种情况：A=A，B=B，即材质与热电偶相同，延伸型补偿导线；AA，BB，在一定温度范围内热电特性相同，补偿型补偿导线。使用时应注意：补偿导线只能与相应型号的热电偶匹配使用；不得将极性接反；补偿导线与热电偶连接点的温度，不得超过规定的使用温度范围；两连接点温度必须相同。4.3 热电偶冷端补偿问题1 计算法计算法 热电偶测温时，热端为t，冷端为t0，测得的电势为E(t,t0)。 根据中间温度定律有：E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0) 可查表得E(t0,0)，求出E(t,0),查表得t。 例：已知K型热电偶，在t0=35时，测得 EK(t,t0)=33.34mv。求t。解:由P263分度表

13、得 EK(30,0)=1.203， EK(40,0)=1.612， EK(35,0)=1.408mvEK(t,0)=EK(t,t0)+EK(t0,0)=33.34+1.408=34.748, 经内插查表得t=836.1。2 冷端恒温法冷端恒温法 热电偶测温时，如果保持冷端为0，则可直接应用分度表，所以将冷端放置到冰点槽中，冰点槽保持在0。3 仪表机械零点调整法 当冷端温度比较稳定时，测出t0，将显示仪表零点调整到t0，热电偶电势输入后，便可指示出热端温度t。 注意 此时是电势相加，E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)，不是温度相加。4 补偿电桥法在热电偶回路中串联一个不平衡电桥，此电桥

14、输出的电压随冷端温度变化，从而修正热电偶冷端温度波动引起的误差。 Es=f(t)-f(t0),t0变化引起的热电势变化为E； 电桥电压变化为Uab,当E= Uab,则补偿。4.5 热电势的测量方法常用的测量热电势的仪表有动圈式仪表、手动电位差计、电子电位差计和数字电压表等。1 动圈式温度指示仪测量方法动圈式温度指示仪测量方法工作原理 当动圈内流过电流时，动圈受到力的作用，作用方向由左手定则判定，与直径方向垂直。 F=nBLI (N) n：动圈匝数；I：电流(A)；B：磁感应强度(T)； L：动圈有效长度(m)。由F产生的转动力矩为 M=F2r=2nrLBI =nABI=C1I A：动圈面积(2

15、rL)。动圈在力矩的作用下产生转动，转过角度，张丝也转过，张丝产生反作用力矩Mf Mf=K K：与张丝性能及张力有关的系数。当M=Mf时，动圈处于平衡位置，有 即动圈的偏转角与流过动圈的电流成正比。当动圈仪表输入为热电偶的热电势E(t,0)时， =CI=CE(t,0)/Rtotal,在回路总电阻Rtotal一定时，与E(t,0)成正比。KIC1KIC /1CI测量线路中电阻的温度补偿 Rtotal=R内R外 在R内中，由于动圈电阻RD会随温度变化，需补偿； R外=热电偶电阻+补偿导线电阻+连接导线电阻， 需要用调整电阻，使R外=15。2 手动电位差计测量方法形成已知电势的电路有两种：分压线路：

16、从滑线电阻上取出电压，与热电势进行比较；桥式线路：从桥路两端取出电压，与热电势进行比较。 UJ33D-1数显电位差计UJ36a直流电位差计测量原理应注意：校正工作电流 校正工作电流I1是为了产生精确的电流，使得可以从触点位置确定热电势。 K打到标准侧有： EN-I1RN=iR R包括检流计内阻、 标准电池内阻。 调整RS，改变I1，使i=0， I1=EN/RN。经过校正后，I1准确度好。检流计G应有足够的灵敏度 检流计G的灵敏度直接影响到测量结果的准确性。测量回路的总电阻要适当。 回路总电阻并不影响测量结果，但电阻过大，测量回路电流i很小，不利于检流计检出，造成测量误差。热电偶测量温度误差分析某200MW机组，正常运行时保持主