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1、热工测量仪表热电偶温度计引言n热电偶温度计由热电偶、电测量仪表和 连接导线组成。它被广泛用来测量100 1600摄氏度范围内的温度，用特殊材 料制成的热电偶还可以测量更高或更低 的温度。热电偶测量温度有较高的准确 度。由于热电偶能把温度信号转变成电 信号、便于信号的远传和实现多点切换 测量，因此，它在工业生产和科学研究 领域中被广泛用于测量温度。一、热电现象和基本定律n1821年德国科学家塞贝克发现在由两种不同 导体构成的闭合回路中，当两个交接端子存 在温差时，回路中将有电流产生，这一效应 被称之为塞贝克效应。n1834年法国科学家珀尔帖发现了塞贝克效应 的逆效应，即在由两种不同导体构成的闭合
2、 回路中通有直流电流时，两个交接端子中的 一个温度降低(吸热端)，而另一个则温度升 高(放热端)，在两个交接端之间产生了温差 ，这一效应被称之为珀尔帖效应。 1.1 热电现象和热电偶温度 计 n研究表明：热电势是由温差电势和接触电势组成的 。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短 跑到高温端的要多，结果，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，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 。该电场阻止电子从高温端跑向低温端，同时
3、加速 电子从低温端跑向高温端，最后到达动平衡状态， 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。1.1 热电现象和热电偶温度 计n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。如均匀导体A两端的温度为T和To （见图3-2），则在导体两端之间的温差电动势 E为（3-1）式中：N为材料的电子密度，是温度的函数，t为沿材料 长度的温度分布，函数的形式只与导体的性质有关。n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。A、B金属有不同的电子 密度，设
4、A的电子密度大于B的电子密度，则 从A扩散到B的电子数比从B扩散到A的多，从 而A因失去电子带正电，B因得到电子带负电 ，于是在A和B的接触面形成从A到B的静电场 ，该电场阻止电子扩散的继续进行，同时加速 电子向反向移动，最后达到动平衡。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。1.1 热电现象和热电偶温度计 (续)1.1 热电现象和热电偶温度计 (续)n接触电势数值取决于两种不同导体的性 质和接触点的温度。记为其中e为单位电荷，K为玻尔 兹曼常数，N为电子密度。1.1 热电现象和热电偶温度计 (续) n一个由A、B两种均匀导导体组组成的热电热电 偶，当两 个接点温度
5、分别为别为 T和T0（见书见书 上P70图图44） 时时，按顺时针顺时针 取向，热电热电 偶产产生的热电势为热电势为根据接触电势公式，有n根据温差电势公式有：故回路中的总热电动势为：如材料A,B已知，则NA,NB为温度的函数，可写为：若使热电偶的一个接点的温度保持不变，则上式中EAB(t0)的项也 不变，设为常熟C,这时上式写成 EAB(t,to)=EAB(t)-c (3-3)即热电偶所产生的热电势EAB(t,to)只和温度t 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to 端称为热电偶的参考端、自由端或冷
6、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 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， 它们已由试验所确立，可分述如下 ：1.均质导体定律 由一种均质导体（或半导体）组成的闭 合电路，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：n1)热电偶必须有两种不同性质的材料构成;n2)有一种材料组成的闭合回路存在温差时， 回路产生热电势，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 n2中间导体定律由不同材料组成的闭合回路中，如各材
7、料接触 点的温度都相同、则回路中热电势的总和等于零 。由此可得出如下结论（推导参考吴书P41-42）n1）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。n2）如果两种导体A、B对另一种参考导体C的热电 势已知，则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。n参考电极被称为标准电极。因为铂的物理化学性 能稳定、熔点高、易提纯、复制性好，所以标准 电极常用铂丝制作。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得知。 3.连接 温度（或中间温度）定律 接点温度为t和t0的热电偶，它的热电势等于接点
8、 温度分别为t、tn和tn、t0的两支同性质热电偶的 热电势的代数和，可以写出它的热电势：n由此定律可以得到如下结论：n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，就可以在另外的冷端温度下使用。这就为制 定热电偶的热电势温度关系分度表奠定了理论基础。n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n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 少的温度(如集中控制室)。但这种放法要耗费好多贵重的
9、热电极材料 ，因此，一般使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摄氏度）和连接的热电偶具有相同的热电性质，可用它们来 做热电偶的延长线。n我国规定补偿导线分为补偿性和延伸型两种。n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。n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。n补偿导线的结构与电缆一样，有单芯、双芯等;芯线外为绝缘层和保护 层，有的还有屏蔽层。n根据补偿导线所耐环境温度不同。有可分为一般用和耐热用两种。n根据补偿导线热
10、电势的允许误差大小又可分为普通级和精密级。n就一般而言，补偿导线电阻率较小，线径较粗，这有利于减少热电偶 回路的电阻。常用的热电偶是由热电极（热偶丝），绝缘 材料（绝缘管）和保护套等部分构成的。图3-9 所示是工业用普通型热电偶的结构热电极材料及其热电性质对热电极材料的主要要求是：n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。n化学性能稳定，在高温下不易被氧化和腐蚀n热电势和热电势率（温度每变化一度所引起的热电 势的变化）大，热电势与温度之间呈线性关系：n电导率高，电阻温度系数小n复制性好，以便互换；n价格便宜n目前所用的热电极材料，不论是纯金属 ，合金还是非金属，都难以
11、满足以上全 部要求，所以在不同的测温条件下要用 不同的热电极材料。nP75表4-1列出了某些热电极材料的热电 性质和其他物理性质标准化热电偶n所谓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。由于标准化文件对 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 允许误差，也就是说标准化热电偶具有 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。下面简要介绍各种标准化热电偶 的性能和特点 铂铑10-铂热电偶（分度号S）n这是一种贵金属热电偶，直径通常约为0.5mm,它长期使用的最
12、高温度可达1300 ，短期使用可达1600 。n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 氛中使长期使用，在真空中可短期使用。n但不能在还原性气氛及还有金属或非金属蒸汽中使用，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。 这些热电偶在高温下长期使用，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 铑电极中的铑会挥发或向铂电极扩散，这样热电势也会下降.n这种热电偶的热电势较小，价格较贵。这是他的不足之处。铂 铑10铂热电偶分度表见附录表.铂铑铂热电偶（分 度号）n这种热电偶的基本性能和使用条件和铂 铑铂热电偶相同，只是热电势略
13、大些，欧美等国家是用较多，其分度表 见附录表1-33.铂铑30-铂铑6热电偶（分度号B ） n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还有金属或金属蒸汽 的气氛中使用，除非外面套有合适的非金属保护 套管。n与铂铑10-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。n这种热电偶的热电势及热电势率都比铂铑10-铂热 电偶更小。n由于他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，铂铑
14、30- 铂铑6热电偶分度表见附录1-44镍铬镍硅（镍铬镍铝） 热电偶（分度号K）n它是贱金属热电偶，热电极直径一般为0.33.2mm,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 .n在500以下可在还原性、中性和氧化性气氛中可靠的工 作，而在500以上只能在氧化性或中性气氛中工作。n镍铬镍硅热电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，也不能用于含硫的气氛 中。在真空中只能短期使用（因为铬将挥发而改变分度值 ）。n镍铬镍铝热电偶与镍铬镍硅热电偶的热电特性几乎完 全一致，但是镍硅合金比镍铝合金的抗氧
15、化性更好，目前 我国基本上已用镍铬镍硅热电偶取代镍铬镍铝热电偶 。镍铬镍硅热电偶的热电势率比铂铑10铂热电偶的大 45倍，而且温度和热电势关系较近与直线关系。镍铬 镍硅（镍铝）热电偶分度表见附录表I55镍铬康铜热电偶（分度 号E）n 这是贱金属热电偶，测温范围为-200900 , 热电极直径为0.33.0mm.直径不同，最高使用温 度也不同，以直径3.2mm为例，长期使用最高温 度为750 ,短期使用最高可达900 .n这种热电偶适合在氧化性或中性气氛中使用。在 其他气氛中使用所受的限制与镍铬镍硅热电偶 相同。n这种热电偶适合在0以下测量，因为它在高湿度 气氛中不易腐蚀，在通常热电偶中，这种热
16、电偶 每摄氏度对应的电势最高，因此常使用这种热电 偶。其分度表见附录I-66. 铁康铜热电偶（分度 号J）n 这是贱金属热电偶，测温范围为- 407500C,热电极直径为0.33.2mm， 它的最高的测量温度与热电极直径无 关。n它适用于氧化，还原性气氛中测温， 亦可用在真空、中性气氛中测温。n它不能在5380C以上的含硫气氛中使用 。n这种热电偶具有稳定性好，灵敏度高 和价格低廉等优点，其分度表见附录I 7.7.铜康铜热电偶（分度 号T）n 这是贱金属热电偶，测温范围为-200400 ,热电极直径为0.21.6mm，它的最高测量温 度与热电极直径无关。n它适合在氧化、还原、真空及中性气氛中使 用，它在潮湿的气氛中还是抗腐蚀的。特别 适合于0以下的温度的测量。n它的主要特点是测温准确度高，稳定性好， 低温时灵敏度高以及价格低廉，其分度表见 附录表I8我国标准化热电偶的主要特 性见表3-2n1）对于分度号为S、R、B的贵金属来说，
