熱電偶測(cè)溫講解

三、熱電偶測(cè)溫儀表

組成熱電偶1連接導(dǎo)線2顯示儀表3

311tt022基于熱電效應(yīng)原理的測(cè)溫儀表。

廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和研究領(lǐng)域：測(cè)溫精度高、性能穩(wěn)定；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，產(chǎn)品互換性好；便于信號(hào)遠(yuǎn)傳和實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)切換；測(cè)溫范圍廣，可達(dá)-200~2000℃；形式多樣，適用于各種測(cè)溫條件。三、熱電偶測(cè)溫儀表（一）熱電偶測(cè)溫儀表工作原理1.熱電效應(yīng)

熱電偶的測(cè)溫原理是以熱電效應(yīng)為基礎(chǔ)的。兩種不同材料的導(dǎo)體A、B組成一個(gè)閉合回路，當(dāng)回路兩端接點(diǎn)t0、t

的溫度不相同時(shí)（假設(shè)t＞t0），回路中就會(huì)產(chǎn)生一定大小的電勢(shì)，形成電流，這個(gè)電流的大小與導(dǎo)體材料性質(zhì)和接點(diǎn)溫度有關(guān)，這種原理稱為熱電效應(yīng)。這種現(xiàn)象早在1821年首先由西拜克（Seeback）發(fā)現(xiàn),所以又稱西拜克效應(yīng)。

AB2術(shù)語(yǔ)：熱電偶——兩種不同材料的組合體稱為熱電偶；熱電極——構(gòu)成熱電偶的兩種導(dǎo)體稱為熱電極；測(cè)量端（工作端，熱端）——插入被測(cè)介質(zhì)中感受被測(cè)溫度的一端，如圖中接點(diǎn)t；參考端（自由端，冷端）——處于周圍環(huán)境中的一端，如圖中接點(diǎn)t0。t0teAB(t0)eA(t,t0)eB(t,t0)ABeAB(t)參考端測(cè)量端32.熱電勢(shì)

熱電勢(shì)是接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)共同作用的結(jié)果。(1)接觸電勢(shì)由于兩種不同導(dǎo)體的電子密度不同，從而在接點(diǎn)處發(fā)生電子擴(kuò)散而形成的電動(dòng)勢(shì)。它只與A、B導(dǎo)體的性質(zhì)和接點(diǎn)處溫度有關(guān)，記作eAB(t)。電子濃度NA>NB+++eAB(t)ABNANB－－－tk-波爾曼系數(shù),k=1.38×10－23(J/℃)e-單位電荷,e=4.802×10－10NA,NB-電子密度4(2)溫差電勢(shì)由于同一根導(dǎo)體中電子從高溫端向低溫端遷移而引起的電動(dòng)勢(shì)，只與導(dǎo)體材料性質(zhì)和兩端溫度有關(guān)，記作

eA(t,t0)=eA(t)-eA(t0)。溫差電勢(shì)原理圖+++eA(t,t0)t>t0熱端t冷端t05(3)熱電勢(shì)公式推導(dǎo)：可得熱電勢(shì)公式為：對(duì)于給定熱電偶，熱電勢(shì)是其兩端溫度函數(shù)之差。若其冷端溫度

t0恒定，則f

(t0)是定值。熱電偶回路熱電勢(shì)只與組成熱電偶的材料及兩端溫度有關(guān)；與熱電偶的長(zhǎng)度、粗細(xì)無(wú)關(guān)。t0teAB(t0)eA(t,t0)eB(t,t0)ABeAB(t)根據(jù)電磁場(chǎng)理論得溫差電勢(shì)遠(yuǎn)小于接觸電勢(shì)6

中規(guī)定寫在前面的A和t分別為正極和高溫，寫在后面的B和t0分別為負(fù)極和低溫。若它們的位置互換，則熱電勢(shì)的極性就反相。(4)熱電極的極性測(cè)量端失去電子的熱電極為正極，得到電子的熱電極為負(fù)極。符號(hào)例：7（二）熱電偶的基本定律(1)勻質(zhì)導(dǎo)體定律勻質(zhì)導(dǎo)體的回路不論各處溫度分布如何都不會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)。熱電偶必須由兩個(gè)不同質(zhì)的材料組成；同一導(dǎo)體回路是否有熱電勢(shì)可用來(lái)判定導(dǎo)體是否勻質(zhì)。T2T1AaBC23EABaAT023ABEABT1T2CT0(a)(b)T0T0第三種材料接入熱電偶回路圖(2)中間導(dǎo)體定律由兩種不同導(dǎo)體構(gòu)成的熱電偶回路中，接入第三種導(dǎo)體，只要保持第三種導(dǎo)體兩端溫度相等，則對(duì)回路熱電勢(shì)沒有影響。9ET0T0TET0T1T1T電位計(jì)接入熱電偶回路

根據(jù)上述原理，可以在熱電偶回路中接入電位計(jì)E，只要保證電位計(jì)與連接熱電偶處的接點(diǎn)溫度相等，就不會(huì)影響回路中原來(lái)的熱電勢(shì)，接入的方式見下圖所示。也允許采用不同方法來(lái)焊接熱電偶。(3)中間溫度定律熱電偶回路中，熱端溫度為t、冷端為t0時(shí)的熱電勢(shì)，等于此熱電偶熱端為t、冷端為tn

，及同一熱電偶熱端為tn

、冷端為t0時(shí)熱電勢(shì)的代數(shù)和。中間溫度定律是制定熱電偶分度表的理論基礎(chǔ)。由于熱電偶分度表都是以冷端溫度為0℃時(shí)做出的，但一般工程測(cè)量中冷端都不為0℃

，因此，只要測(cè)出熱端與冷端時(shí)的熱電勢(shì)，便可利用中間溫度定律求出熱端溫度。作用：ttnt0AABBtt0AABBtntn=

兩種金屬構(gòu)成熱電偶的熱電勢(shì)，可以用這兩種金屬分別與第三種金屬構(gòu)成的熱電勢(shì)之差來(lái)表示：A

A

t

=－BBCCt0這里C稱為標(biāo)準(zhǔn)電極。標(biāo)準(zhǔn)電極通常采用純鉑絲制成，因?yàn)殂K容易提純，熔點(diǎn)高，性能穩(wěn)定。標(biāo)準(zhǔn)電極定律使熱電偶的選配工作大為簡(jiǎn)化，只要知道一些材料與標(biāo)準(zhǔn)電極相配時(shí)的熱電勢(shì)，就可求出任何兩種材料配成熱電偶的熱電勢(shì)。作用：(4)標(biāo)準(zhǔn)電極定律t

t0t

t012（三）常用熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)E1.熱電偶信號(hào)傳輸?shù)娇刂剖胰鬉′，B′為普通銅導(dǎo)線，則t0′為現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度，不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致E與t的關(guān)系不唯一。（1）采用普通銅導(dǎo)線E現(xiàn)場(chǎng)控制室（三）常用熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)EE現(xiàn)場(chǎng)控制室t0在控制室內(nèi)，溫度穩(wěn)定，則保證E與t的單值對(duì)應(yīng)關(guān)系。1.熱電偶信號(hào)傳輸?shù)娇刂剖遥?）采用補(bǔ)償導(dǎo)線

若A’、B’

的熱電特性與A、B熱電特性在t0’~t0范圍內(nèi)相似，則

補(bǔ)償導(dǎo)線：是在一定的溫度范圍內(nèi)（0-100℃或0-200℃）與所接的熱電偶熱電性能相同的廉價(jià)金屬絲。補(bǔ)償導(dǎo)線只是改變了冷端的位置，根據(jù)熱電偶的基本定律，利用接入的補(bǔ)償導(dǎo)線，使冷端遠(yuǎn)離測(cè)溫現(xiàn)場(chǎng)，并同測(cè)量?jī)x表一起放在恒溫或溫度波動(dòng)較小的控制室里。t0tnt3BAB’A’2補(bǔ)償導(dǎo)線熱電偶的分度表

——熱電偶的線性較差，多數(shù)情況下采用查表法

我國(guó)從1991年開始采用國(guó)際計(jì)量委員會(huì)規(guī)定的“1990年國(guó)際溫標(biāo)”（簡(jiǎn)稱ITS-90）的新標(biāo)準(zhǔn)。按此標(biāo)準(zhǔn)，制定了相應(yīng)的分度表，并且有相應(yīng)的線性化集成電路與之對(duì)應(yīng)。

直接從熱電偶的分度表查溫度與熱電勢(shì)的關(guān)系時(shí)的約束條件是：自由端（冷端）溫度必須為0C。

16溫度0-10-20-30-40-50-60-70-80-90-95-100-200-5.8914-6.0346-6.1584-6.2618-6.3438-6.4036-6.4411-6.4577

-100-3.5536-3.8523-4.1382-4.4106-4.669-4.9127-5.1412-5.354-5.5503-5.7297-5.8128-5.891400-0.3919-0.7775-1.1561-1.5269-1.8894-2.2428-2.5866-2.9201-3.2427-3.3996-3.5536溫度010203040506070809095100000.39690.79811.20331.61182.02312.43652.85123.26663.68193.88924.09621004.09624.50914.91995.32845.73456.13836.54026.94067.347.73917.93878.13852008.13858.53868.93999.34279.747210.153410.561310.970911.382111.794712.001512.208630012.208612.623613.039613.456613.874514.293114.712615.132715.553615.97516.18616.397140016.397116.819817.243117.666918.091118.515818.940919.366319.792120.218120.431220.644350020.644321.070621.497121.923622.3522.776423.202723.628824.054724.480224.692924.905560024.905525.330325.754726.178626.60227.024927.447127.868628.289528.709628.919429.12970029.12929.547629.965330.382230.798331.213531.627732.04132.453432.864933.070333.275480033.275433.684934.093434.50134.907535.313135.717736.121236.523836.925437.125837.325990037.325937.725538.12438.521538.91839.313539.70840.101540.493940.885341.080641.2756100041.275641.664942.053142.440342.826343.211243.595143.977744.359344.739644.929345.1187110045.118745.496645.873346.248746.622746.995547.366847.736848.105448.472648.655648.8382120048.838249.202449.565149.926350.285850.643951.000351.355251.708552.060252.235452.4103130052.410352.758853.105853.451253.795254.137754.478854.8186

溫度單位：℃

電壓?jiǎn)挝唬簃V

參考溫度點(diǎn)（自由端溫度）：0℃(冰點(diǎn))K型（鎳鉻－鎳硅）熱電偶分度表（ITS-90）（四）熱電偶冷端溫度的影響及處理

熱電偶的分度表所表征的是冷端溫度為0℃時(shí)的熱電勢(shì)-溫度關(guān)系，與熱電偶配套使用的顯示儀表就是根據(jù)這一關(guān)系進(jìn)行刻度的。因此，盡管使用補(bǔ)償導(dǎo)線可以把熱電偶的冷端延伸到溫度易穩(wěn)定的地方，但此時(shí)冷端溫度可能還有變化，或者不等于0℃，造成測(cè)量誤差。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，必須采取措施來(lái)保證冷端溫度恒為0℃或補(bǔ)償冷端溫度不等于0℃時(shí)帶來(lái)的測(cè)量誤差。常用的冷端溫度補(bǔ)償方法有：恒溫法、示值修正法、冷端溫度補(bǔ)償電橋法等。181.恒溫法把熱電偶冷端置于人造恒溫裝置中。(1)冰點(diǎn)槽(2)電熱式恒溫箱

mVABA’B’TCC’儀表銅導(dǎo)線試管補(bǔ)償導(dǎo)線熱電偶冰點(diǎn)槽冰水溶液T0192.示值修正法

一般顯示儀表的分度是在冷端溫度恒定為0℃條件下進(jìn)行的。若冷端溫度t0≠0℃時(shí)，示值不能正確反映被測(cè)溫度，需要修正。機(jī)械零位調(diào)整法：預(yù)先把儀表的機(jī)械零件調(diào)整到冷端溫度t0處，相當(dāng)預(yù)加電勢(shì)E(t0,0)，即計(jì)算修正法：假設(shè)冷端溫度t0≠0℃，被測(cè)溫度為t，有①實(shí)測(cè)②查表（修正量）④查表得實(shí)際t③t0tnt3BAB’A’2補(bǔ)償導(dǎo)線3.冷端溫度補(bǔ)償電橋法利用不平衡電橋產(chǎn)生的電壓作為補(bǔ)償電壓，以抵消因冷端溫度變化引起的熱電勢(shì)的變化。

當(dāng)冷端溫度升高時(shí)，熱電勢(shì)Ex逐漸減小，電橋中RCu增大，Uab隨之增大，若Uab=Ex，則