第三章 热电偶温度测量

2020/1/231第三章热电偶温度测量2020/1/23西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦874882772第一节热电现象和关于热电偶的基本定律一、热电现象和热电偶温度计；二、热电偶的基本定律第二节标准化与非标准化热电偶一、热电极材料及其热电性质；二、标准化热电偶；三、非标准化热电偶四、热电偶的构造第三节热电偶冷端温度补偿问题一、计算法；二、冰点槽法；三、补偿电桥法(冷端补偿器)；四、多点冷端温度补偿法；五、晶体管PN结温度补偿法第四节热电偶的校验2020/1/23西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦874882773第一节热电现象和关于热电偶的基本定律热电偶温度计由热电偶、电测仪表和连接导线组成。测量100～1600℃温度较高准确度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在工业生产和科学研究领域中被广泛用于测量温度。2020/1/23西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦8748827742020/1/23西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦874882775一、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。热电势是由温差电势和接触电势组成的。2020/1/23西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦874882776温差电势(汤姆逊电势)是一根导体上因两端温度不同而产生的热电动势。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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静电场。2020/1/23西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦874882777温差电势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。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。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。2020/1/23西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦874882778接触电势(珀尔帖电势)是在两种不同的导体A和B接触时产生的。A、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的静电场。2020/1/23西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦874882779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。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3—3)，其数值取决于两种不同导体的性质和接触点的温度。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2020/1/23西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦8748827710热电势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。2020/1/23西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦8748827711热电偶测量温度的工作原理即热电偶所产生的热电势E只和温度有关，因此，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。组成热电偶的两种导体，称为热电极。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)。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。2020/1/23西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦8748827712二、热电偶的基本定律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.1．均质导体定律2．中间导体定律3．连接温度定律2020/1/23西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦87488277131．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(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。由此定律可以得到如下的结论：1)热电偶必须由两种不同性质的材料构成2)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，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。2020/1/23西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦87488277142．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。结论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。2020/1/23西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦8748827715如图3—5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。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。2020/1/23西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦87488277162020/1/23西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦87488277172020/1/23西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦8748827718如果两种导体A、B对另一种参考导体C的热电势为已知。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和(见图3—6)。2020/1/23西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦8748827719标准电极参考导体亦称标准电极。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。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。2020/1/23西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦87488277203．连接温度(或中间温度)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的两支同性质热电偶的热电势的代数和，如图3—7所示，可以写出它的热电势。2020/1/23西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦8748827721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)。但这种方法要耗费许多贵重的热电极材料，因此。一般是用一种所谓补偿导线和热电偶的冷端相连接(如图3—8所示)。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(0～100℃)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。2020/1/23西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦8748827722补偿导线补偿导线分为补偿型和延伸型两种。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。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。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。补偿导线电阻率较小，线径较粗，这有利于减小热电偶回路的电阻。2020/1/23西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦87488277232020/1/23西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦8748827724连接温度定律的推论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。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。2020/1/23西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦8748827725第二节标准化与非标准化热电偶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。2020/1/23西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦8748827726一、热电极材料及其热电性质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；2)化学性能稳定，在高温下不易被氧化和腐蚀；3)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；4)电导率高，电阻温度系数小；5)复制性好，以便互换；6)价格便宜。2020/1/23西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦8748827727二、标准化热电偶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。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。标准化热电偶具有统一的分度表。对于同一型号的标准化热电偶具有互换性，使用十分方便。2020/1/23西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦87488277281．铂铑10——铂热电偶(分度号s)贵金属热电偶，直径通常钓为0．5mm，它长期使用的最高温度可达1300℃，短期使用可达1600℃。这种热电偶的复制性好，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，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。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。电势较小，价格较贵。2020/1/23西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦87488277292．铂铑13——铂热电偶(分度号R)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。2020/1/23西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦87488277303．铂铑30——铂铑6热电偶(分度号B)这也是贵金属热电偶，直径通常为0．5mm，长期使用最高温度可达1600℃，短期使用可达1800℃。它宜在氧化性或中性气氛中使用，在真空中可短期使用。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。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。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。2020/1/23西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦87488277314．镍铬——镍硅(镍铬——镍铝)热电偶(分度号K)贱金属热电偶，热电极直径一般为0．3～3．2mm，直径不同，它的最高使用温度也不同。以直径3．2mm为例，它长期使用的最高温度为1200℃，短期测温可达1300℃。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。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