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1、项目四 温度检测仪表的校验与安装,任务一 热电偶温度计的校验 任务二 热电阻温度计的校验与安装 任务三 温度变送器的校验,返回,任务一 热电偶温度计的校验,【任务描述】 在学习热电偶工作原理的基础上，掌握热电偶的选型及校验方法。 【知识链接】 热电偶温度计是基于热电效应这一原理测量温度的。它的测温范围很广，可测量生产过程中01 600范围内液体、气体、蒸汽以及固体表面的温度。热电偶温度计结构简单、使用方便、测温准确可靠、稳定性好，便于远传和集中显示控制。 一、热电偶测温系统的组成 图4-1是热电偶测温系统原理图，它主要由三部分组成：热电偶1是系统中的测温元件，图4-2是其外形图；显示仪表3是用
2、来检测热电偶产生的热电势信号并显示温度的仪表；导线2用来传输热电偶测温信号给显示仪表。为了提高测量精度，一般都要采用补偿导线和考虑冷端温度补偿。下面分别对热电偶、补偿导线及冷端温度补偿作简单介绍。,下一页,返回,任务一 热电偶温度计的校验,二、热电偶工作原理 1.热电效应 将两种不同材料的导体组成一个闭合回路，当闭合回路的两个接点分别置于不同温度场中时，回路中将产生一个电动势。该电动势的大小和方向与这两种导体的类型及两接点的温度有关，这种现象称为“热电效应”。组成这个回路的两种导体称为“热电极”，由这两种导体组成的闭合回路称为“热电偶”，产生的电动势称为“热电势”。热电偶的两个接触点分别称为热
3、端（也称为工作端、测量端）和冷端（也称为自由端、参考端）。正常使用时，热电偶的冷端断开，与导线相连，以便将热电势传送给显示仪表，如图4-3所示。热电偶产生的热电势由两部分组成：一部分是由于两种导体接触产生的接触电势，另一部分是单一导体产生的温差电势。,上一页,下一页,返回,任务一 热电偶温度计的校验,2.接触电势 当两种不同材料的导体A和B接触时，由于两者内部的自由电子密度不同，在它们的交界处就会发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的导体A扩散到密度小的导体B，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，结果就在两导体的接触面两侧形成一个电场方向由A指向B的静电场，它的存在又阻止自由电子的进一
4、步扩散，如图4-4（a）所示。当扩散进行到一定程度时，扩散与反扩散建立了动态平衡。两导体接触面上的静电场及电势差eAB达到动态平衡，如图4-4（b）所示。这时的电势差仅和两种导体的类型及接触点的温度有关，称为接触电动势，简称接触电势。接触点温度越高，由A迁移到B的自由电子就越多，致使接触面处所产生的电场强度也增加，因而接触电势也增高。在导体材料A、B已经确定的情况下，所产生接触电势的大小只和接触点温度有关，记作eAB（t），下标A表示正极导体，下标B表示负极导体，如果下标次序改为BA，则e前面的符号亦应作相应的改变，即,上一页,下一页,返回,任务一 热电偶温度计的校验,若把导体的另一端也闭合，
5、形成闭合回路，则在两接点处就形成了两个方向相反的接触电势。 接触电势的大小与接点处温度和导体的电子密度有关。接触点温度越高，接触电势越大；两种导体电子密度的比值越大，接触电势越大。 3.温差电势 对于导体A或B，由于各自两端温度不同（tt0），则在导体内部，热端的自由电子具有较大的动能，因此向冷端移动，从而使热端失去电子带正电荷，冷端得到电子带负电荷。这样，在导体两端便产生了一个由热端指向冷端的静电场。该电场阻止电荷的进一步扩展。这样，导体两端便产生了电位差，该电位差称为温差电动势，简称温差电势，记作eA（t，t0）或eB（t，t0）。可见，温差电势的大小只与导体材料及两端温度有关。,上一页,
6、下一页,返回,任务一 热电偶温度计的校验,4.热电偶回路的总电势 将两根不同材料的导体A和B两端焊在一起，组成闭合回路，如果两接点的温度不相等，则在热电偶回路中存在着4个电动势，即2个接触电势和2个温差电势。热电偶回路的总电势为 在热电偶回路中接触电势远远大于温差电势，所以温差电势可以忽略不计，故上式可以简化为 上式中，导体A的电子密度大于导体B的电子密度，所以A为正极，B为负极。,上一页,下一页,返回,任务一 热电偶温度计的校验,综上所述，可以得出如下结论： 热电偶回路中热电势的大小，只与组成热电偶的导体材料和两接点的温度有关，而与热电偶的形状尺寸无关。当热电偶两电极材料固定后，热电势便是两
7、接点接触电势的代数和。如果让冷端温度t0保持不变，则热电势便成为热端温度t的单值函数。这样，如果温度t是被测温度，那么只要测出热电势的大小，就能判断测温点温度的高低，这就是利用热电现象测量温度的原理。 由于热电极的材料不同，所产生的热电势亦不同，因此不同热电极材料制成的热电偶在相同温度下产生的热电势是不同的。几种常用的热电偶在冷端温度为0、热端为不同温度时所产生的热电势可以从附录一至附录三中查到，这些表称为热电偶的分度表。,上一页,下一页,返回,任务一 热电偶温度计的校验,三、热电偶的基本定律 1.均质导体定律 由两种均质材料（电子密度处处相同）组成的热电偶，其热电势仅取决于组成热电偶的材料和
8、两端温度，而与热电偶的几何形状、尺寸大小以及沿电极长度方向的温度分布无关。 该定律表明： （1）热电偶必须由两种不同材料组成。 （2）由一种材料组成的闭合回路存在温差时，回路如果产生热电势，便说明该材料是不均匀的。这也是检查热电极材料均匀性的一种方法。如果热电极材料不均匀，由于存在温度梯度，将会产生附加热电势。 2.中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体两端温度相同，则回路中总的热电势不变，如图4-5所示。,上一页,下一页,返回,任务一 热电偶温度计的校验,这说明在热电偶回路中接入第三种导体时，只要保证引入导体的两端温度相同，则对原热电偶所产生的热电势数值并无影响。同理，如
9、果回路中串入更多种导体，只要引入导体两端温度相同，也不会影响热电偶所产生的热电势数值。热电偶的这种性质在工业生产中是很实用的，例如，可以将显示仪表或调节器作为第三种导体直接接入回路中，也可以采用开路热电偶对液态金属或金属壁面进行温度检测，如图4-6所示。 3.中间温度定律 在热电偶回路中，两接点温度分别为t，t0时的热电势，等于该热电偶在接点温度分别为t，tn和tn，t0时相应热电势的代数和。 中间温度定律可以用下式表示：,上一页,下一页,返回,任务一 热电偶温度计的校验,中间温度定律具有如下作用： （1）为在热电偶回路中使用补偿导线提供了理论依据。 它表明：如果热电偶的两热电极被两根导体延长
10、，只要接入的两根导体组成的热电偶的热电特性与被延长的热电偶的热电特性相同，且它们之间连接的两点温度相同，则总回路的热电势与连接点温度无关，只与延长以后的热电偶两端的温度有关。 （2）为制定和使用热电偶分度表奠定了基础。 热电偶的分度表都是在冷端温度为0时制成的。如果在实际应用中热电偶冷端不是0而是某一中间温度tn，这时仪表指示的热电势值为EAB（t，tn）。而EAB（tn，0）值可从分度表查得，将二者相加，即可得到EAB（t，0）值，按照该热电势值再查相应的分度表便可得到被测对象的实际温度值。,上一页,下一页,返回,任务一 热电偶温度计的校验,例4-1今用一只镍铬镍硅热电偶测量某点温度，已知热
11、电偶工作端温度为800，自由端（冷端）温度为30，求热电偶产生的热电势E（800，30）。 解：由附录三可以查得 E（800，0）=33.277（mV） E（30，0）=1.203（mV） 将上述数据代入式（4-3），即得 E（800，30）=E（800，0）-E（30，0）=32.074（mV） 在这里特别要指出的是：由于热电偶所产生的热电势与温度的关系都是非线性的（当然各种热电偶的非线性程度不同），因此在自由端温度不为零时，将所测热电势对应的温度值加上自由端温度，并不等于实际的被测温度。,上一页,下一页,返回,任务一 热电偶温度计的校验,四、常用热电偶的种类和结构 1.常用的标准化热电偶
12、目前，国际上有8种标准化热电偶，其名称用专用字母表示，这个字母就是热电偶型号标志，称为分度号，分度号是热电偶一种很方便的缩写形式。热电偶名称由热电极材料命名，正极写在前面，负极写在后面。下面介绍几种工业常用的标准化热电偶。 （1）铂铑30铂铑6热电偶（也称双铂铑热电偶）。其分度号为B。这种热电偶以铂铑30丝为正极，铂铑6丝为负极；其测量范围为3001 600，短期可测1 800。其热电特性在高温下更为稳定，适于在氧化性和中性环境中使用。但它产生的热电势小且价格贵。在低温时热电势极小，因此当冷端温度在40以下范围使用时，一般可不需要进行冷端温度修正。,上一页,下一页,返回,任务一 热电偶温度计的
13、校验,（2）铂铑10铂热电偶。其分度号为S。这种热电偶以铂铑10丝为正极，纯铂丝为负极；其测量范围为-201 300，在良好环境下短期可测量1 600；适于在氧化性或中性环境中使用。其优点是耐高温，不易氧化；有较好的化学稳定性；具有较高的测量精度，可用于精密温度测量和作基准热电偶。 （3）镍铬镍硅热电偶。其分度号为K。这种热电偶以镍铬丝为正极，镍硅丝为负极；其测量范围为-501 000，短期可测1 200。适于在氧化性或中性环境中使用，500以下低温范围内，也可用于还原性环境中测量。此种热电偶热电势大，线性好，测温范围较宽，造价低，因而应用很广。 （4）镍铬铜镍热电偶。其分度号为E。这种热电偶
14、以镍铬丝为正极，铜镍丝为负极；其测量范围为-40800，短期可测900。常用于氧化性或中性环境中；热电势大，价格便宜。 表4-2为我国已定型生产的几种常用热电偶及其主要特征。,上一页,下一页,返回,任务一 热电偶温度计的校验,除了表4-2中所列常用热电偶外，用于各种特殊用途的热电偶还很多，如红外线接收热电偶，用于2 000高温测量的钨铼热电偶，用于超低温测量的镍铬金铁热电偶，非金属热电偶等。 热电偶的结构形式 各种热电偶的外形不相同，但其基本结构通常均由热电偶元件、绝缘管、保护套管和接线盒等主要部分构成。普通型热电偶结构如图4-7所示。 （1）热电偶元件。组成热电偶元件的两根热偶丝称为热电极，
15、正负热电极的常用材料见表4-2。热电极的直径由材料的价格、机械强度、电导率、热电偶的使用条件和测量范围等决定。贵金属电极丝的直径一般为0.30.65 mm，普通金属电极丝的直径一般为0.53.2 mm，其长度由安装条件及插入深度而定，一般为3502 000 mm。,上一页,下一页,返回,任务一 热电偶温度计的校验,（2）绝缘管。绝缘管也称绝缘子，用于防止两根热电极短路。选用的材料可根据使用温度范围而定，其结构形式通常有单孔、双孔及四孔的瓷管和氧化铝管等。常用材料有： 石英管（1 200）； 瓷管（1 400）； 纯氧化铝管（1 700）。 （3）保护套管。为使热电极免受化学侵蚀和机械损伤，确保
16、使用寿命和测温的准确性，通常将热电偶元件套上绝缘管再装入保护套管内。保护套管材料的选择一般根据被测介质、测温范围、插入深度、环境条件以及测温的时间常数等因素来决定。对保护套管材料和结构形式的要求是：保证它能耐高温、能承受温度的剧变、耐腐蚀、有良好气密性和足够的机械强度、有较高的导热系数、在高温下不会分解出对热电偶有害的气体等。常用的保护套管材料有无缝钢管、不锈钢、耐高温陶瓷和石英管等。,上一页,下一页,返回,任务一 热电偶温度计的校验,（4）接线盒。热电偶接线盒用于连接热电偶和导线，由接线端子和外壳组成。外壳一般由铝合金制成，并分为普通式和密封式两种形式。为了防止灰尘和有害气体进入热电偶保护套管内，接线盒的出线孔和盖子均用橡胶垫片和垫圈加以密封。接线盒内用于连接热电极和导线的螺丝必须紧固，以免产生较大的接触电阻而影响测量的准确性。普通型热电偶如图4-8所示。 除普通型热电偶外，还有其他几种形式的热电偶，如铠装热电偶、表面型热电偶和快速热电偶等。铠装热电偶由金属套管、绝缘材料（氧化镁粉）以及热电偶丝等一起经过
