熱電偶溫度計(jì)

熱電偶溫度計(jì)第1頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日

熱電偶溫度計(jì)由熱電偶、電測(cè)儀表、連接導(dǎo)線等組成。第2頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日

固定螺紋錐形固定法蘭式固定螺紋式第3頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日防水式防噴式鎧裝熱電偶第4頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日第5頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日§4.1熱電現(xiàn)象和熱電偶的基本定律1熱電現(xiàn)象和熱電偶溫度計(jì)

由兩種不同的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）A、B組成的閉合回路，當(dāng)接點(diǎn)1、2處于不同溫度時(shí)，回路就會(huì)出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì)，稱為熱電動(dòng)勢(shì)，簡(jiǎn)稱為熱電勢(shì)。這一由溫度產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為熱電現(xiàn)象。這兩根導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）稱為熱電極。第6頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日

進(jìn)一步的研究表明，熱電勢(shì)是由溫差電勢(shì)和接觸電勢(shì)組成。溫差電勢(shì)溫差電勢(shì)是由于一根導(dǎo)體兩端溫度不同而產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)。設(shè)t≥t0，eA(t,t0)稱為溫差電勢(shì)。第7頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日

溫差電勢(shì)可表達(dá)為

e：?jiǎn)挝浑妱?shì)，4.802×10-10絕對(duì)靜電單位；

K：玻爾茲曼常數(shù)，1.38×10-23J/K；

NA：電子密度，是溫度的函數(shù)。

從上式可見，eA(t,t0)的大小取決于兩端溫差和電子密度。第8頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日

電子密度與材料有關(guān)，

∴eA(t,t0)=f(材料，t,t0）因此，eA(t,t0)只與熱電極性質(zhì)、兩端溫度有關(guān)，而與電極長(zhǎng)度、截面積大小、沿長(zhǎng)度的溫度分別無關(guān)。溫差越大，eA(t,t0)也越大；兩端溫度相同時(shí)，溫差電勢(shì)為零。為了表達(dá)方便，eA(t,t0)=ψA(t)-ψA(t0)；

ψA(t)與材料、溫度有關(guān)。第9頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日接觸電勢(shì)是由于兩種材料電子密度不同而產(chǎn)生的電勢(shì)。設(shè)NA>NB，eAB(t)為接觸電勢(shì)。第10頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日接觸電勢(shì)可表達(dá)為

∴接觸電勢(shì)的大小與接觸處溫度的高低和導(dǎo)體種類有關(guān)，

eAB(t)=f(T,NAt-NBt)。接觸處溫度越高，接觸電勢(shì)越大。第11頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日熱電勢(shì)

綜合溫差電勢(shì)和接觸電勢(shì)可以知道由兩種不同材料組成的熱電偶的熱電勢(shì)EAB(t,t0)。設(shè)t>t0，NA>NB，按順時(shí)針方向取向。第12頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日

熱電偶熱電勢(shì)EAB(t,t0)為：

EAB(t,t0)=eAB(t)+eB(t,t0)-eAB(t0)-eA(t,t0)=eAB(t)+ψB(t)-ψB(t0)-eAB(t0)-ψA(t)+ψA(t0)=[eAB(t)-ψA(t)+ψB(t)]-[eAB(t0)-ψA(t0)+ψB(t0)]=fAB(t)-fAB(t0)∵eA(t,t0)=f(材料，t,t0）,eAB(t)=f(T,NAt-NBt),∴fAB(t)與A的性質(zhì)、B的性質(zhì)、t有關(guān)，fAB(t0)與A的性質(zhì)、B的性質(zhì)、t0有關(guān)。當(dāng)材料確定后，fAB(t)、fAB(t0)只與t、t0有關(guān)，而與長(zhǎng)度、截面積等無關(guān)。第13頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日

∴EAB(t,t0)只與t、t0有關(guān)。保持t0不變，則fAB(t0)不變，∴EAB(t,t0)=fAB(t)-C，熱電勢(shì)只與t有關(guān)，

只要測(cè)出EAB(t,t0)就可求出溫度t的數(shù)值。

t稱為熱端、工作端、測(cè)量端；t0稱為冷端、自由端、參考端。

在冷端，電流從導(dǎo)體A流向?qū)wB，則A稱為正熱電極，B稱為負(fù)電極。第14頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日熱電偶的分度表函數(shù)fAB的形式并不清楚，所以EAB(t,t0)與t的關(guān)系只能用實(shí)驗(yàn)方法確定。用實(shí)驗(yàn)確定熱電性質(zhì)時(shí)，使t0=0℃，然后制成EAB(t,t0)與t的表格。稱為熱電偶的分度表。

使用分度表時(shí)需注意：EAB(t,t0)是兩端溫度函數(shù)的差值，并不是線性的。因此，在不同的溫域內(nèi)，t0相同時(shí)，相同的Δt引起的ΔE并不相等。第15頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日2熱電偶的基本定律1）均質(zhì)導(dǎo)體定律由一種均質(zhì)導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）組成的閉合回路，不論導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）的截面積如何以及各處的溫度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢(shì)。由該定律可以得到如下的結(jié)論：熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的材料構(gòu)成；由一種材料組成的閉合回路存在溫差時(shí)，回路如產(chǎn)生熱電勢(shì)，便說明該材料是不均勻的。第16頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日2）中間導(dǎo)體定律由不同材料組成的閉合回路中，若各種材料接觸點(diǎn)的溫度都相同，則回路中熱電勢(shì)的總和等于零。由此定律可以得到如下的結(jié)論：在熱電偶回路中加入第三種均質(zhì)材料，只要接入導(dǎo)體的兩端溫度相同，則不影響原熱電偶熱電勢(shì)的大小。第17頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日證：設(shè)t>t0,NA>NB>NCEtotal=eAB(t)+eB(t,t0)+eBC(t0)+eC(t0,t0)-eAC(t0)-eA(t,t0)第18頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日

∴Etotal=eAB(t)+eB(t,t0)-eAB(t0)-eA(t,t0)=eAB(t)+ψB(t)-ψB(t0)-eAB(t0)-ψA(t)+ψA(t0)=[eAB(t)-ψA(t)+ψB(t)]-[eAB(t0)-ψA(t)+ψB(t0)]=fAB(t)-fAB(t0)=EAB(t,t0)第19頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日

根據(jù)該推論，只要顯示儀表和連接導(dǎo)線接入熱電偶回路的兩端溫度相同，那么儀表和導(dǎo)線的接入不會(huì)影響到熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)大小。

在測(cè)量鋼水溫度、固體表面溫度時(shí)的應(yīng)用。第20頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日如果兩導(dǎo)體A、B對(duì)另一種參考導(dǎo)體C的熱電勢(shì)為已知，則這兩種導(dǎo)體組成熱電偶AB的熱電勢(shì)是它們對(duì)參考導(dǎo)體C熱電勢(shì)的代數(shù)和。即，EAB(t,t0)=EAC(t,t0)+ECB(t,t0)證：EAC(t,t0)+ECB(t,t0)=fAC(t)-fAC(t0)+fCB(t)-fCB(t0)=[eAC(t)-ψA(t)+ψC(t)]-[eAC(t0)-ψA(t0)+ψC(t0)]+[eCB(t)-ψC(t)+ψB(t)]-[eCB(t0)-ψC(t0)+ψB(t0)]=[eAC(t)+eCB(t)-ψA(t)+ψB(t)]-[eAC(t0)+eCB(t0)-ψA(t0)+ψB(t0)]第21頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日∴原式=[eAB(t)-ψA(t)+ψB(t)]-[eAB(t0)-ψA(t0)+ψB(t0)]=EAB(t,t0)第22頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日例：已知，E銅-鉑(100,0)=0.75mv，E康銅-鉑(100,0)=-0.35mv；求：E銅-康銅(100,0)。解：E銅-康銅(100,0)=E銅-鉑(100,0)+E鉑-康銅(100,0)=E銅-鉑(100,0)-E康銅-鉑(100,0)=0.75-(-0.35)=1.10mv。第23頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日3)中間溫度定律接點(diǎn)溫度為t1和t3的熱電偶，它的熱電勢(shì)等于接點(diǎn)溫度分別為(t1,t2)和(t2,t3)的兩支同性質(zhì)的熱電偶的熱電勢(shì)代數(shù)和。即EAB(t1,t3)=EAB(t1,t2)+EAB(t2,t3)第24頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日§4.2標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶1熱電極材料的選擇對(duì)熱電極材料的要求：物理性能穩(wěn)定，能在較寬的溫度范圍內(nèi)使用，其熱電特性不隨時(shí)間變化；化學(xué)性能穩(wěn)定，不易氧化和電極間不相互滲透；熱電勢(shì)和熱電勢(shì)率要大（溫度變化1℃引起的熱電勢(shì)變化），熱電勢(shì)與溫度間呈線性關(guān)系；復(fù)制性好，以便互換；價(jià)格便宜，加工方便。第25頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日

只有滿足上述要求的材料才能制成熱電偶。但實(shí)際上，很難找到全部滿足上述要求的電極材料，只能根據(jù)所使用的條件范圍，選擇合適的熱電極材料。純金屬電極：熱電極容易復(fù)制，熱電勢(shì)率小；當(dāng)兩電極是由兩種純金屬組成時(shí)，熱電勢(shì)率平均為20μV/℃,所以熱電偶的兩電極很少均采用純金屬。非金屬電極：電勢(shì)率大（可達(dá)1000μV/℃），熔點(diǎn)高，復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性較差。合金電極：熱電性質(zhì)和工藝性能介于兩者之間。常用的熱電偶一般是用純金屬與合金相配，或是合金與合金相配。第26頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日2標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶是指制造工藝較成熟、應(yīng)用廣泛、能成批生產(chǎn)、性能優(yōu)良且穩(wěn)定并已列入專業(yè)或國(guó)家工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化文件中的那些熱電偶。

標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶：S（鉑銠10-鉑）、R（鉑銠13-鉑）、B（鉑銠30-鉑銠6）、K（鎳鉻-鎳硅）、J（鐵-康銅）、T（銅-康銅）、N（鎳鉻硅-鎳硅）第27頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日3熱電偶的構(gòu)造普通型熱電偶組成：熱電極、絕緣材料、保護(hù)套管。第28頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日鎧裝熱電偶也是由三部分組成：熱電極、絕緣材料、保護(hù)套管。經(jīng)拉伸成為一體。第29頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日4補(bǔ)償導(dǎo)線a:Ea=EAB(t,tn)+EAB(tn,t0)b:Eb=EAB(t,tn)+EA’B’(tn,t0)

要使A’B’起到補(bǔ)償導(dǎo)線的作用，則A’B’的接入應(yīng)不影響Ea，

∴Ea=Eb，∴EA’B’(tn,t0)=EAB(tn,t0)第30頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日滿足上式有兩種情況：A’=A，B’=B，即材質(zhì)與熱電偶相同，延伸型補(bǔ)償導(dǎo)線；A’≠A，B’≠B，在一定溫度范圍內(nèi)熱電特性相同，補(bǔ)償型補(bǔ)償導(dǎo)線。使用時(shí)應(yīng)注意：補(bǔ)償導(dǎo)線只能與相應(yīng)型號(hào)的熱電偶匹配使用；不得將極性接反；補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶連接點(diǎn)的溫度，不得超過規(guī)定的使用溫度范圍；兩連接點(diǎn)溫度必須相同。第31頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日§4.3熱電偶冷端補(bǔ)償問題1計(jì)算法熱電偶測(cè)溫時(shí)，熱端為t℃，冷端為t0℃，測(cè)得的電勢(shì)為E(t,t0)。根據(jù)中間溫度定律有：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型熱電偶，在t0=35℃時(shí)，測(cè)得EK(t,t0)=33.34mv。求t。解:由P263分度表得EK(30,0)=1.203，EK(40,0)=1.612，∴EK(35,0)=1.408mv∴EK(t,0)=EK(t,t0)+EK(t0,0)=33.34+1.408=34.748,

經(jīng)內(nèi)插查表得t=836.1℃。第32頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日2冷端恒溫法熱電偶測(cè)溫時(shí)，如果保持冷端為0℃，則可直接應(yīng)用分度表，所以將冷端放置到冰點(diǎn)槽中，冰點(diǎn)槽保持在0℃。第33頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日3儀表機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整法當(dāng)冷端溫度比較穩(wěn)定時(shí)，測(cè)出t0，將顯示儀表零點(diǎn)調(diào)整到t0，熱電偶電勢(shì)輸入后，便可指示出熱端溫度t。

注意此時(shí)是電勢(shì)相加，E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)，不是溫度相加。第34頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日4補(bǔ)償電橋法在熱電偶回路中串聯(lián)一個(gè)不平衡電橋，此電橋輸出的電壓隨冷端溫度變化，從而修正熱電偶冷端溫度波動(dòng)引起的誤差。

Es=f(t)-f(t0),t0變化引起的熱電勢(shì)變化為ΔE；

電橋電壓變化為ΔUab,當(dāng)ΔE=ΔUab,則補(bǔ)償。第35頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日§4.5熱電勢(shì)的測(cè)量方法常用的測(cè)量熱電勢(shì)的儀表有動(dòng)圈式儀表、手動(dòng)電位差計(jì)、電子電位差計(jì)和數(shù)字電壓表等。1動(dòng)圈式溫度指示儀測(cè)量方法工作原理

第36頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日第37頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日當(dāng)動(dòng)圈內(nèi)流過電流時(shí)，動(dòng)圈受到力的作用，作用方向由左手定則判定，與直徑方向垂直。

F=nBLI(N)n：動(dòng)圈匝數(shù)；I：電流(A)；B：磁感應(yīng)強(qiáng)度(T)；

L：動(dòng)圈有效長(zhǎng)度(m)。由F產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩為

M=F·2r=2nrLBI=nABI=C1IA：動(dòng)圈面積(2rL)。第38頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日動(dòng)圈在力矩的作用下產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)過α角度，張絲也轉(zhuǎn)過α，張絲產(chǎn)生反作用力矩MfMf=KαK：與張絲性能及張力有關(guān)的系數(shù)。當(dāng)M=Mf時(shí)，動(dòng)圈處于平衡位置，有

即動(dòng)圈的偏轉(zhuǎn)角α與流過動(dòng)圈的電流成正比。當(dāng)動(dòng)圈儀表輸入為熱電偶的熱電勢(shì)E(t,0)時(shí)，

α=CI=CE(t,0)/Rtotal,在回路總電阻Rtotal一定時(shí)，α與E(t,0)成正比。第39頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日測(cè)量線路中電阻的溫度補(bǔ)償

Rtotal=R內(nèi)＋R外

在R內(nèi)中，由于動(dòng)圈電阻RD會(huì)隨溫度變化，需補(bǔ)償；

R外=熱電偶電阻+補(bǔ)償導(dǎo)線電阻+連接導(dǎo)線電阻，需要用調(diào)整電阻，使R外=15Ω。第40頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日2手動(dòng)電位差計(jì)測(cè)量方法形成已知電勢(shì)的電路有兩種：分壓線路：從滑線電阻上取出電壓，與熱電勢(shì)進(jìn)行比較；橋式線路：從橋路兩端取出電壓，與熱電勢(shì)進(jìn)行比較。

UJ33D-1數(shù)顯電位差計(jì)UJ36a直流電位差計(jì)第41頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日第42頁，共48頁，2