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1、*1 第三章 热电偶温度测量 *西北电力职工培训中心动力系热工 自动化教研室 刘晓谦 87488277 2 w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 w 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 w 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 w w 第四节热电偶的校验 *西北电力职工培训中心动力系热工 自动化教研室 刘晓谦 87488277 3 第一节 热电现象和
2、关于热电偶的基本定律 w热电偶温度计由热电偶、电测仪表和连接导线组成。 w测量1001600温度 w较高准确度 w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 w在工业生产和科学研究领域中被广泛用于测量温度。 *西北电力职工培训中心动力系热工 自动化教研室 刘晓谦 87488277 4 *西北电力职工培训中心动力系热工 自动化教研室 刘晓谦 87488277 5 一、热电现象和热电偶温度计 w 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
3、称为塞贝克效应。 w热电势是由温差电势和接触 电势组成的。 *西北电力职工培训中心动力系热工 自动化教研室 刘晓谦 87488277 6 温差电势(汤姆逊电势) w是一根导体上因两端温度不同而 产生的热电动势。 w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 w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。 *西北电力职工培训中心动力系热工 自动化教研室 刘晓谦 87488277 7 温差电势 w该电场阻止电子从高温端跑向低 温端，同时加
4、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。 w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。 w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。 *西北电力职工培训中心动力系热工 自动化教研室 刘晓谦 87488277 8 接触电势(珀尔帖电势) w是在两种不同的导体A和B接 触时产生的。 wA、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
5、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。 *西北电力职工培训中心动力系热工 自动化教研室 刘晓谦 87488277 9 w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。 w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33)，其数值取决于两种不同 导体的性质和接触点的温度。 w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 *西北电力职工培训中心动力系热工 自动化教研室 刘晓谦 87488277 10 热电势 w 一个由A、B两种均
6、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。 *西北电力职工培训中心动力系热工 自动化教研室 刘晓谦 87488277 11 热电偶测量温度的工作原理 w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。 w组成热电偶的两种导体，称为热电极。 w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)。 w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。 *西北电力职工培训中心动力系热工 自动化教研
7、室 刘晓谦 87488277 12 二、热电偶的基本定律 w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. w1均质导体定律 w2中间导体定律 w3连接温度定律 *西北电力职工培训中心动力系热工 自动化教研室 刘晓谦 87488277 13 1均质导体定律 w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。 w由此定律可以得到如下的结论： w 1)热电偶必须由两种不同性质的材料构成 w 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
8、材料的均匀性。 *西北电力职工培训中心动力系热工 自动化教研室 刘晓谦 87488277 14 2中间导体定律 w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。 w结论 w 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。 *西北电力职工培训中心动力系热工 自动化教研室 刘晓谦 87488277 15 w如图35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。 w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
9、响热电偶回路的热电势。 *西北电力职工培训中心动力系热工 自动化教研室 刘晓谦 87488277 16 *西北电力职工培训中心动力系热工 自动化教研室 刘晓谦 87488277 17 *西北电力职工培训中心动力系热工 自动化教研室 刘晓谦 87488277 18 w如果两种导体A、B 对另一种参考导体C 的热电势为已知。 w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)。 *西北电力职工培训中心动力系热工 自动化教研室 刘晓谦 87488277 19 标准电极 w参考导体亦称标准电极。 w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
10、制作。 w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。 *西北电力职工培训中心动力系热工 自动化教研室 刘晓谦 87488277 20 3连接温度(或中间温度)定律 w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 37所示，可以写出它的热电势。 *西北电力职工培训中心动力系热工 自动化教研室 刘晓谦 87488277 21 w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
11、置到恒温或温度波动较小的地 方(如集中控制室)。 w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38所示)。 w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(0100)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 。 *西北电力职工培训中心动力系热工 自动化教研室 刘晓谦 87488277 22 补偿导线 w补偿导线分为补偿型和延伸型两种。 w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。 w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
12、。 w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。 w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 。 *西北电力职工培训中心动力系热工 自动化教研室 刘晓谦 87488277 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 87488277 24 连接温度定律的推论 w 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。 w 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
13、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。 *西北电力职工培训中心动力系热工 自动化教研室 刘晓谦 87488277 25 第二节 标准化与非标准化热电偶 w 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。 *西北电力职工培训中心动力系热工 自动化教研室 刘晓谦 87488277 26 一、热电极材料及其热电性质 w 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； w 2)化学性能稳定，在高温下不易被氧化和腐蚀； w 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
14、性关系； w 4)电导率高，电阻温度系数小； w 5)复制性好，以便互换； w 6)价格便宜。 *西北电力职工培训中心动力系热工 自动化教研室 刘晓谦 87488277 27 二、标准化热电偶 w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。 w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 。 w标准化热电偶具有统一的分度表。 w对于同一型号的标准化热电偶具有互换性，使用十 分方便。 *西北电力职工培训中心动力系热工 自动化教研室 刘晓谦 87488277 28 1铂铑10铂热电偶(分度
15、号 s) w贵金属热电偶，直径通常钓为05mm，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， w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。 w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。 w电势较小，价格较贵。 *西北电力职工培训中心动力系热工 自动化教研室 刘晓谦 87488277 29 2铂铑13铂热电偶(分度号
16、R) w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。 *西北电力职工培训中心动力系热工 自动化教研室 刘晓谦 87488277 30 3铂铑30铂铑6热电偶(分度号 B) w这也是贵金属热电偶，直径通常为05mm，长期使用最高温度可达 1600，短期使用可达1800。 w它宜在氧化性或中性气氛中使用，在真空中可短期使用。 w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。 w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。 w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。 *西北电力职
