第3章熱電偶溫度計(jì)ppt課件

1、第3章 熱電偶溫度計(jì) 熱電偶溫度計(jì)由熱電偶、電測(cè)儀表、連接導(dǎo)線等組成。 固定螺紋錐形固定法蘭式固定螺紋式防水式防噴式鎧裝熱電偶3.1熱電現(xiàn)象和熱電偶的基本定律1 熱電現(xiàn)象和熱電偶溫度計(jì) 由兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A、B組成的閉合回路，當(dāng)接點(diǎn)1、2處于不同溫度時(shí)，回路就會(huì)出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì)，稱(chēng)為熱電動(dòng)勢(shì)，簡(jiǎn)稱(chēng)為熱電勢(shì)。 這一由溫度產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱(chēng)為熱電現(xiàn)象。 這兩根導(dǎo)體或半導(dǎo)體稱(chēng)為熱電極。 進(jìn)一步的研究表明，熱電勢(shì)是由溫差電勢(shì)和接觸電勢(shì)組成。溫差電勢(shì) 溫差電勢(shì)是由于一根導(dǎo)體兩端溫度不同而產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)。 設(shè)tt0， eA(t ,t0)稱(chēng)為溫差電勢(shì)。 溫差電勢(shì)可表達(dá)為 e：?jiǎn)挝浑妱?shì)，4.80210-10絕

2、對(duì)靜電單位； K：玻爾茲曼常數(shù)，1.3810-23J/K； NA：電子密度，是溫度的函數(shù)。 從上式可見(jiàn)，eA(t ,t0)的大小取決于兩端溫差和電子密度。)(1),(00ttAAAtNdNeKtte 電子密度與材料有關(guān)， eA(t,t0)=f(資料，t,t0） 因而，eA(t,t0)只與熱電極性質(zhì)、兩端溫度有關(guān)，而與電極長(zhǎng)度、截面積大小、沿長(zhǎng)度的溫度分別無(wú)關(guān)。 溫差越大，eA(t,t0)也越大；兩端溫度相同時(shí)，溫差電勢(shì)為零。 為了表達(dá)方便，eA(t,t0)=A(t)-A(t0)； A(t)與材料、溫度有關(guān)。接觸電勢(shì) 是由于兩種材料電子密度不同而產(chǎn)生的電勢(shì)。 設(shè)NANB， eAB(t)為接觸電勢(shì)

3、。接觸電勢(shì)可表達(dá)為 接觸電勢(shì)的大小與接觸處溫度的高低和導(dǎo)體種類(lèi)有關(guān)， eAB(t)=f(T,NAt-NBt)。 接觸處溫度越高，接觸電勢(shì)越大。BtAtABNNeKTteln)(熱電勢(shì) 綜合溫差電勢(shì)和接觸電勢(shì)可以知道由兩種不同材料組成的熱電偶的熱電勢(shì)EAB(t , t0)。 設(shè)tt0，NANB，按順時(shí)針?lè)较蛉∠颉?熱電偶熱電勢(shì)EAB(t ,t0)為： EAB(t ,t0)=eAB(t)+eB(t ,t0)-eAB(t0)-eA(t ,t0) =eAB(t)+B(t)-B(t0)-eAB(t0)-A(t)+A(t0) =eAB(t)-A(t)+B(t)-eAB(t0)-A(t0)+B(t0) =f

4、AB(t)-fAB(t0)eA(t,t0)=f(資料，t,t0）, eAB(t)=f(T,NAt-NBt),fAB(t)與A、B的性質(zhì)、t有關(guān)，fAB(t0)與A、B的性質(zhì)、t0有關(guān)。 當(dāng)材料確定后，fAB(t)、fAB(t0)只與t、t0有關(guān)，而與長(zhǎng)度、截面積等無(wú)關(guān)。 EAB(t,t0)只與t、t0有關(guān)。 保持t0不變，則fAB(t0)不變， EAB(t,t0)=fAB(t)-C，熱電勢(shì)只與t有關(guān)，只要測(cè)出EAB(t,t0)就可求出溫度t的數(shù)值。 常把t稱(chēng)為熱端、工作端、測(cè)量端； 把t0稱(chēng)為冷端、自由端、參考端。 在冷端，電流從導(dǎo)體A流向?qū)wB，則A稱(chēng)為正熱電極，B稱(chēng)為負(fù)電極。熱電偶的分度表

5、 函數(shù)fAB的形式并不清楚，所以EAB(t ,t0)與t的關(guān)系只能用實(shí)驗(yàn)方法確定。 用實(shí)驗(yàn)確定熱電性質(zhì)時(shí)，使t0=0，然后制成EAB(t,t0)與t的表格。稱(chēng)為熱電偶的分度表。 使用分度表時(shí)需注意：EAB(t,t0)是兩端溫度函數(shù)的差值，并不是線性的。因而，在不同的溫域內(nèi)，t0相同時(shí)，相同的t引起的E并不相等。2 熱電偶的基本定律1均質(zhì)導(dǎo)體定律 由一種均質(zhì)導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成的閉合回路，不論導(dǎo)體或半導(dǎo)體的截面積如何以及各處的溫度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢(shì)。 由該定律可以得到如下的結(jié)論：熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的材料構(gòu)成；由一種材料組成的閉合回路存在溫差時(shí)，回路如產(chǎn)生熱電勢(shì)，便說(shuō)明該材料是不均勻的。

6、2中間導(dǎo)體定律 由不同材料組成的閉合回路中，若各種材料接觸點(diǎn)的溫度都相同，則回路中熱電勢(shì)的總和等于零。由此定律可以得到如下的結(jié)論：在熱電偶回路中加入第三種均質(zhì)材料，只要接入導(dǎo)體的兩端溫度相同，則不影響原熱電偶熱電勢(shì)的大小。證：設(shè)tt0, NANBNC Etotal=eAB(t)+eB(t,t0)+eBC(t0)+eC(t0,t0)-eAC(t0)-eA(t,t0) Etotal=eAB(t)+eB(t,t0)-eAB(t0)-eA(t,t0) =eAB(t)+B(t)-B(t0)-eAB(t0)-A(t)+A(t0) =eAB(t)-A(t)+B(t)-eAB(t0)-A(t)+B(t0) =

7、fAB (t)-fAB(t0)=EAB(t,t0)()(lnlnln)()(0000000teteNNeKTNNeKTNNeKTteteABBAABCACBACBC 根據(jù)該推論，只要顯示儀表和連接導(dǎo)線接入熱電偶回路的兩端溫度相同，那么儀表和導(dǎo)線的接入不會(huì)影響到熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)大小。 在測(cè)量鋼水溫度、固體表面溫度時(shí)的應(yīng)用。如果兩導(dǎo)體A、B對(duì)另一種參考導(dǎo)體C的熱電勢(shì)為已知，則這兩種導(dǎo)體組成熱電偶AB的熱電勢(shì)是它們對(duì)參考導(dǎo)體C熱電勢(shì)的代數(shù)和。 即， EAB(t, t0)=EAC(t, t0)+ECB(t, t0)證：EAC(t, t0)+ECB(t, t0)=fAC(t)-fAC(t0)+fCB(

8、t)-fCB(t0) =eAC(t)-A(t)+C(t)-eAC(t0)-A(t0)+C(t0) +eCB(t)-C(t)+B(t)-eCB(t0)-C(t0)+B(t0) = eAC(t)+ eCB(t )-A(t)+B(t)-eAC(t0)+eCB(t0)- A(t0)+B(t0)原式=eAB(t)-A(t)+B(t)-eAB(t0)-A(t0)+B(t0) =EAB(t,t0)(lnlnln)()(teNNeKTNNNNeKTteteABBABCCACBAC例：知，E銅-鉑(100,0)=0.75mv，E康銅-鉑(100,0)=-0.35mv； 求：E銅-康銅(100,0)。 解：E銅-

9、康銅(100,0)=E銅-鉑(100,0)+E鉑-康銅(100,0) = E銅-鉑(100,0)-E康銅-鉑(100,0) =0.75-(-0.35)=1.10mv。中間溫度定律 接點(diǎn)溫度為t1和t3的熱電偶，它的熱電勢(shì)等于接點(diǎn)溫度分別為(t1,t2)和(t2,t3)的兩支同性質(zhì)的熱電偶的熱電勢(shì)代數(shù)和。 即 EAB(t1,t3)=EAB(t1,t2)+EAB(t2,t3)3.2 標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶1 熱電極材料的選擇對(duì)熱電極材料的要求：物理性能穩(wěn)定，能在較寬的溫度范圍內(nèi)使用，其熱電特性不隨時(shí)間變化；化學(xué)性能穩(wěn)定，不易氧化和電極間不相互滲透；熱電勢(shì)和熱電勢(shì)率要大溫度變化1引起的熱電勢(shì)變化），熱電勢(shì)與溫

10、度間呈線性關(guān)系；復(fù)制性好，以便互換；價(jià)格便宜，加工方便。 只有滿足上述要求的材料才能制成熱電偶。但實(shí)際上，很難找到全部滿足上述要求的電極材料，只能根據(jù)所使用的條件范圍，選擇合適的熱電極材料。純金屬電極：熱電極容易復(fù)制，熱電勢(shì)率?。划?dāng)兩電極是由兩種純金屬組成時(shí)，熱電勢(shì)率平均為20V/,所以熱電偶的兩電極很少均采用純金屬。非金屬電極：電勢(shì)率大可達(dá)1000V/），熔點(diǎn)高，復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性較差。合金電極：熱電性質(zhì)和工藝性能介于兩者之間。 常用的熱電偶一般是用純金屬與合金相配，或是合金與合金相配。2 標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶 標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶是指制造工藝較成熟、應(yīng)用廣泛、能成批生產(chǎn)、性能優(yōu)良且穩(wěn)定并已列入專(zhuān)業(yè)或國(guó)家工業(yè)標(biāo)

11、準(zhǔn)化文件中的那些熱電偶。 標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶：S鉑銠10-鉑）、R鉑銠13-鉑）、B鉑銠30-鉑銠6）、K鎳鉻-鎳硅）、J鐵-康銅）、T銅-康銅）、N鎳鉻硅-鎳硅）3 熱電偶的構(gòu)造普通型熱電偶 組成：熱電極、絕緣材料、保護(hù)套管。鎧裝熱電偶 也是由三部分組成：熱電極、絕緣材料、保護(hù)套管。經(jīng)拉伸成為一體。4 補(bǔ)償導(dǎo)線a: Ea=EAB(t, tn)+EAB(tn, t0)b: Eb=EAB(t, tn)+EAB(tn, t0) 要使AB起到補(bǔ)償導(dǎo)線的作用，則AB的接入應(yīng)不影響Ea， Ea=Eb， EAB(tn,t0)=EAB(tn,t0)滿足上式有兩種情況：A=A，B=B，即材質(zhì)與熱電偶相同，延伸型補(bǔ)償

12、導(dǎo)線；AA，BB，在一定溫度范圍內(nèi)熱電特性相同，補(bǔ)償型補(bǔ)償導(dǎo)線。使用時(shí)應(yīng)注意：補(bǔ)償導(dǎo)線只能與相應(yīng)型號(hào)的熱電偶匹配使用；不得將極性接反；補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶連接點(diǎn)的溫度，不得超過(guò)規(guī)定的使用溫度范圍；兩連接點(diǎn)溫度必須相同。3.3 熱電偶冷端補(bǔ)償問(wèn)題1 計(jì)算法計(jì)算法 熱電偶測(cè)溫時(shí)，熱端為熱電偶測(cè)溫時(shí)，熱端為t，冷端為，冷端為t0，測(cè)得的電，測(cè)得的電勢(shì)為勢(shì)為E(t,t0)。 根據(jù)中間溫度定律有：根據(jù)中間溫度定律有：E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0) 可查表得可查表得E(t0,0)，求出，求出E(t,0),查表得查表得t。 例：已知例：已知K型熱電偶，在型熱電偶，在t0=35時(shí)，測(cè)得時(shí)，測(cè)得 EK

13、(t,t0)=33.34mv。求。求t。解解:由由P307分度表得分度表得 EK(30,0)=1.203， EK(40,0)=1.612， EK(35,0)=1.408mvEK(t,0)=EK(t,t0)+EK(t0,0)=33.34+1.408=34.748, 經(jīng)內(nèi)插查表得經(jīng)內(nèi)插查表得t=836.1。2 冷端恒溫法冷端恒溫法 熱電偶測(cè)溫時(shí)，如果保持冷端為熱電偶測(cè)溫時(shí)，如果保持冷端為0，則可直接應(yīng)，則可直接應(yīng)用分度表，所以將冷端放置到冰點(diǎn)槽中，冰點(diǎn)槽保用分度表，所以將冷端放置到冰點(diǎn)槽中，冰點(diǎn)槽保持在持在0。3 儀表機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整法 當(dāng)冷端溫度比較穩(wěn)定時(shí)，測(cè)出t0，將顯示儀表零點(diǎn)調(diào)整到t0，熱電偶

14、電勢(shì)輸入后，便可指示出熱端溫度t。 注意 此時(shí)是電勢(shì)相加，E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)，不是溫度相加。4 補(bǔ)償電橋法在熱電偶回路中串聯(lián)一個(gè)不平衡電橋，此電橋輸出的電壓隨冷端溫度變化，從而修正熱電偶冷端溫度波動(dòng)引起的誤差。 Es=f(t)-f(t0),t0變化引起的熱電勢(shì)變化為E； 電橋電壓變化為Uab,當(dāng)E= Uab,則補(bǔ)償。3.5 熱電勢(shì)的測(cè)量方法常用的測(cè)量熱電勢(shì)的儀表有動(dòng)圈式儀表、手動(dòng)電位差計(jì)、電子電位差計(jì)和數(shù)字電壓表等。1 動(dòng)圈式溫度指示儀測(cè)量方法工作原理 當(dāng)動(dòng)圈內(nèi)流過(guò)電流時(shí)，動(dòng)圈受到力的作用，作用方向由左手定則判定，與直徑方向垂直。 F=nBLI (N) n：動(dòng)圈匝數(shù)；

15、I：電流(A)；B：磁感應(yīng)強(qiáng)度(T)； L：動(dòng)圈有效長(zhǎng)度(m)。由F產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩為 M=F2r=2nrLBI=nABI=C1I A：動(dòng)圈面積(2rL)。動(dòng)圈在力矩的作用下產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)過(guò)角度，張絲也轉(zhuǎn)過(guò)，張絲產(chǎn)生反作用力矩Mf Mf=K K：與張絲性能及張力有關(guān)的系數(shù)。當(dāng)M=Mf時(shí)，動(dòng)圈處于平衡位置，有 即動(dòng)圈的偏轉(zhuǎn)角與流過(guò)動(dòng)圈的電流成正比。當(dāng)動(dòng)圈儀表輸入為熱電偶的熱電勢(shì)E(t,0)時(shí)， =CI=CE(t,0)/Rtotal,在回路總電阻Rtotal一定時(shí)，與E(t,0)成正比。KIC1KIC /1CI測(cè)量線路中電阻的溫度補(bǔ)償 Rtotal=R內(nèi)R外 在R內(nèi)中，由于動(dòng)圈電阻Rd會(huì)隨溫度變化，需

16、補(bǔ)償； R外=熱電偶電阻+補(bǔ)償導(dǎo)線電阻+連接導(dǎo)線電阻， 需要用調(diào)整電阻，使R外=15。2 手動(dòng)電位差計(jì)測(cè)量方法形成已知電勢(shì)的電路有兩種：分壓線路：從滑線電阻上取出電壓，與熱電勢(shì)進(jìn)行比較；橋式線路：從橋路兩端取出電壓，與熱電勢(shì)進(jìn)行比較。 UJ33D-1數(shù)顯電位差計(jì)UJ36a直流電位差計(jì)測(cè)量原理應(yīng)注意：校正工作電流 校正工作電流I1是為了產(chǎn)生精確的電流，使得可以從觸點(diǎn)位置確定熱電勢(shì)。 K打到標(biāo)準(zhǔn)側(cè)有： EN-I1RN=iR R包括檢流計(jì)內(nèi)阻、標(biāo)準(zhǔn)電池內(nèi)阻。 調(diào)整RS，改變I1，使i=0， I1=E/RN。 經(jīng)過(guò)校正后，I1準(zhǔn)確度好。檢流計(jì)G應(yīng)有足夠的靈敏度 檢流計(jì)G的靈敏度直接影響到測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。測(cè)量回路的總電阻要適當(dāng)。 回路總電阻并不影響測(cè)量結(jié)果，但電阻過(guò)大的話，測(cè)量回路電流i很小，不利于檢流計(jì)檢出，造成測(cè)量誤差。熱電偶測(cè)量溫度誤差分析某200MW機(jī)組，正常運(yùn)行