第二章 温度测量

第二章 温度测量第一节 热电偶测温

一、热电偶的测温原理 热电偶温度计以热电偶作为感温元件，一般用于测量500℃以上的高温，长期 使用时其测温上限可达1300℃,短期使用时可达1600℃,特殊材料制成的热电偶 可测量的温度范围为2000~3000℃。如电厂生产过程中的主蒸汽温度、过热器管 壁温度、烟气高温等都是采用热电偶来测量的。 热电偶具有性能稳定、测温高、结构简单、使用方便、经济耐用、容易维护 和体积小等优点，还便于信号远传和实现多点切换测量， 1、热电现象

热电偶

接触电势产生

将两种不同材料的导体(或半导体)A和B组成闭合回路称之为热电偶。A、 B是热偶丝，也叫热电极。放在被测对象中，感受温度变化的那端称为工作端 或热端，另一端称为自由端或冷端。当热端和冷端温度不同时回路中有电流 流过，此电流称为热电流，产生热电流的电动势称为热电势，这种物理现象 称为热电现象。此热电势由接触电势和温差电势两部分组成的 (1)接触电势: 接触电势的大小可用下式表示：

KT N A (t ) e AB (t ) ln e N B (t )e—一单位电荷，等于4.802×10-10绝对静电单位； K—一波尔兹曼常数，等于1.38×10-28 J / K; NA(t), NB(t)——金属A、B在温度t时的自由电子密度； T——A、B金属接触处的绝对温度，K。 (2)温差电势: 温差电势是同一金属体两端温度不同而产生的。 式中K t 1 eA (t , t0 ) dNA (t ) e t0 N A

式中 NA(t)——金属A的电子密度，它是温度函数。 为了分析方便，温差电势可由下面函数差来表示：

eA (t, t0 ) eA (t ) eA (t0 )

(3) 热电偶回路热电势

温差电势的产生 回路电势 热电偶回路中，如果 t>t0,NA(t)>NB(t),则在回路内便产生两个接 触电势 eAB(t) 和 eAB(t0),两个温差电势 eA(t,t0)和 eB(t,t0),各电势的方 向如图所示。回路的总电势EAB(t,t0)等于回路中各电势的代数和。即

EAB (t, t0 ) eAB (t ) eB (t, t0 ) eAB (t0 ) eA (t, t0 ) EAB (t, t0 ) eAB (t) eB (t) eA (t) eAB (t0 ) eB (t0 ) eA (t0 )

上式表明热电偶的热电势是热电偶两端温度的函数之差，其大小取决于热电 偶两个热电极材料的性质和两端接点温度，而与热电极几何尺寸无关。 如果保持热电偶冷端温度to恒定不变，对一定材料的热电偶其eAB(t0)亦为 常数，设为C,则热电偶的热电势只与热电偶热端温度 t有关，若测得 EAB(t,t0 值，便可知温度t值，这就是热电偶测温原理。即 EAB ( t, t0 )=eAB ( t ) – C

二、热电偶的基本定律 1、均质导体定律 该定律内容是：由一种均质导体或半导体组成的闭合回路，不论导体或 半导体的截面积、长度

和各处温度分布如何，都不能产生热电势。该定律已在理 论分析中得到证明，并可得出如下结论： (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。 2、中间导体定律 该定律内容是：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。根据中间导体定律还可以得出如下 结论： (1)在热电偶回路中接入第三种均质材料，只要保证所接入材料两端温 度相同，就不会影响热电偶的热电势。图2-6是两种接入中间导体的热电偶回路。 根据中间导体定律，只要保证连接导线和显示仪表接入热电偶回路时两连接端 的温度相同，就不会改变热电势。另外，热电偶的热端焊接点也相当于第三种金 属，只要它与热电极接触良好，整个接点温度一致，也不会影响热电偶回路的热 电势。

(2)如果两种导体A和B对另一种参考导体C热电势已知，则这两种导体组成的 热电偶的热电势是它们对参考导体热电势的代数和，即 EAB(t,to)=EAC(t,to)+ECB(t, to) 参考导体亦称标准电极，一般选用铂制成，若已知各种电极与标准电极 配成热电偶的热电特性，便可按此结论计算出任意两电极A、B配成热电偶后 的热电特性，这样大大简化了热电偶的选配工作。 3、中间温度定律 热电偶A、B在接点温度为 t1、t3时的热电势等于热电偶 A、B在接点温度分别 为t1,t2和t2,t3时热电势的代数和，即 EAB(t1,t3)=EAB(t1,t2)+EAB(t2,t3) 由此定律可得如下结论： (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。该定律为制定和使用热电偶的热电势一温度 关系 即分度表奠定了理论基础。因为热电偶分度表是在冷端温度t0 =0℃时热 电势与热端温度的关系，根据中间温度定律便可以算出任何冷端温度时的热 电势值。 可得出 EAB(t,0)=EAB(t,tn)+EAB(tn,0)

(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。该定律为应用补偿导线提供了理论依 据。

我国规定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。 三、标准化热电偶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 偏差，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。

铂铑10-铂热电偶(分度号S) 铂铑13-铂热电偶(分度号R) 铂铑30-铂铑6热电偶(分度号B) 镍铬一镍硅(镍铬一镍铝)热电偶(分度号K) 镍铬一康铜热电偶(分度号E) 铁一康铜热电偶(分度号J) 铜一康铜热电偶(分度号T) 镍铬一金铁热电偶(分度号NiCr-AuFe0.07)及铜一金铁热电偶(分度号Cu-AuFe0.07)

四、热电偶的构造 1、普通型热电偶 常用的普通型热电偶本体是一端焊接的两根金属丝(热电极)。考虑到两 根热电极之间的电气绝缘和防止有害介质侵蚀热电极，在工业上使用的热电 偶一般都有绝缘管和保护套管。在个别情况下，如果被测介质对热电偶不会 发生侵蚀作用，也可不用保护套管，以减小接触测温误差与滞后。

热电偶的结构 1-热电偶热端；2-热电极；3-绝缘管；4-保护套管；5-接线盒 2、铠装热电偶 铠装热电偶是由金属套管、绝缘材料和热电极经拉伸加工而成的坚实组 合体，其结构如图所示。套管材料有铜、不锈钢及镍基高温合金等。热电偶 与套管之间填满了绝缘材料的粉末，目前采用的绝缘材料绝大部分为氧化镁。 套管中的热电极有单丝的、双丝的和四丝的，彼此之间互相绝缘

3、薄膜热电偶 薄膜热电偶是由两种金属薄膜连接而成的一种特殊结构的热电偶。这种 薄膜热电偶的热端既小又薄，热容量很小，可以用于微小面积上的温度测量； 动态响应快，可测量瞬变的表面温度。我国研制成的铁一镍薄膜热电偶如图 所示，

五、热电偶冷端温度处理方法 热电偶的测温原理表明：热电偶的热电势是两个接点温度的函数差，只有当 冷端温度不变时，热电势才是热端温度的单值函数。但在实际应用中，热电 偶冷端所处环境温度总有波动，从而使测量得不到正确结果，因此必须对热 电偶冷端温度变化的影响采取补偿措施，使热电偶的热电势只反映热端温度 (被测温度)的变化，而不受冷端温度变化的影响。

常用的处理办法有以下几种。 1.计算修正法 若温度显示仪表分度时 …… 此处隐藏：5404字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……