《制冷與低溫測(cè)試技術(shù)》課件chapter2-3熱電偶溫度計(jì)

1、2.6.熱電偶溫度計(jì) (Thermocouple)2.6.1 熱電偶溫度計(jì) (Thermocouple) 熱電偶溫度計(jì)由熱電偶、連接導(dǎo)線和電測(cè)儀表組成，它廣泛應(yīng)用于中低溫的測(cè)量，在0.2K-2800C廣大溫區(qū)內(nèi)都可使用。 特點(diǎn)：熱電偶制作簡(jiǎn)單，結(jié)點(diǎn)小，反應(yīng)靈敏，不需要電源，電測(cè)儀表簡(jiǎn)單，測(cè)溫精度能滿足工業(yè)和實(shí)驗(yàn)室一般需要，而且熱電偶能把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信導(dǎo)，可遠(yuǎn)傳和集中控制。是工業(yè)和科學(xué)研究中常用的測(cè)溫儀器2.6.1熱電偶測(cè)溫原理 2.6.2熱電偶回路基本性質(zhì) 2.6.3低溫?zé)犭娕?2.6.4熱電偶的分度和校驗(yàn) 2.6.5熱電偶的制作和使用 2.6.1熱電偶測(cè)溫原理熱電效應(yīng)塞貝克效應(yīng) Seeb

2、eck Effect (1821年）接觸電勢(shì) (Peltier,1834)溫差電勢(shì) (Thomson)2.6.1熱電偶測(cè)溫原理接觸電勢(shì) (Peltier)兩種不同導(dǎo)體A和B接觸溫度相同 k為玻爾茲曼常數(shù)，1.3810-23J/K； e為電荷，1.610-19庫(kù)；T 越高，接觸電勢(shì)越大。nA: 溫度T時(shí)的電子密度兩種導(dǎo)體自由電子密度的比值越大，接觸電勢(shì)越大 小知識(shí)：當(dāng)電流流過(guò)兩種不同導(dǎo)體的界面時(shí)，將從外界吸收熱量，或向外界放出熱量，這就是PELTIER 效應(yīng)。該現(xiàn)象由法國(guó)科學(xué)家PELTIER在1834年發(fā)現(xiàn)。該現(xiàn)象可用在半導(dǎo)體制冷或半導(dǎo)體發(fā)電技術(shù)中。半導(dǎo)體制冷片溫差在0-60度，可產(chǎn)生電壓0-3

3、.5V，電流0-3A2.6.1 熱電偶測(cè)溫原理2.6.1熱電偶測(cè)溫原理溫差電勢(shì) (Thomson)Source:熱工參數(shù)測(cè)量與處理（第二版），呂崇德主編，清華大學(xué)出版社 p70當(dāng)導(dǎo)線兩端的溫度不同時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)。設(shè)TT0，則在導(dǎo)體兩端之間的溫差電動(dòng)勢(shì)eA為 同種材料，兩端的溫度不同湯姆遜系數(shù)，大小與材料和溫度有關(guān)高溫端比低溫端具有更大的自由電子能量，因此電子從高溫端擴(kuò)散到低溫端，高溫端帶正電，低溫端得到電子而帶負(fù)電2.6.1熱電偶測(cè)溫原理回路中總電動(dòng)勢(shì)Source:熱工參數(shù)測(cè)量與處理（第二版），呂崇德主編，清華大學(xué)出版社 p70在總電勢(shì)中，溫差電勢(shì)跟接觸電阻比小得多，故可忽略不計(jì)，從而總熱電勢(shì)

4、為：實(shí)際測(cè)量中，參考溫度T0一般是固定的，即：EAB(T0)=c，則總熱電勢(shì)只與被測(cè)溫度T有函數(shù)關(guān)系2.6.1熱電偶測(cè)溫原理回路中總電動(dòng)勢(shì)即熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)只和溫度T有關(guān)，因此可通過(guò)測(cè)量熱電偶的熱電勢(shì)來(lái)決定被測(cè)溫度，這就是熱電偶測(cè)溫原理，組成的熱電偶的兩種導(dǎo)體稱熱電極，通常把T0端稱為熱電偶的自由參考端，而T 端稱為工作端或測(cè)量端，如果參考端的電流從導(dǎo)體A端流向B，則A稱為正級(jí)，而B(niǎo)為負(fù)極。2.6.熱電偶溫度計(jì) (Thermocouple)2.6.1熱電偶測(cè)溫原理 2.6.2熱電偶回路基本性質(zhì) 2.6.3低溫?zé)犭娕?2.6.4熱電偶的分度和校驗(yàn) 2.6.5熱電偶的制作和使用 2.6.2熱電

5、偶回路基本性質(zhì) 2.6.2.1均勻?qū)w定律 2.6.2.2中間導(dǎo)體定律 2.6.2.3中間溫度定律 2.6.2.4連接導(dǎo)體定律(參考電極定律)定律一均勻?qū)w定律：由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路各處溫度不同都不會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)不論其截面積、長(zhǎng)度、及各處的溫度分布 小知識(shí)：熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的材料組成，如果在溫度梯度下一種材料組成的回路產(chǎn)生了熱電勢(shì)，說(shuō)明這種材料是不均勻的(化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、內(nèi)應(yīng)力或截面)，據(jù)此，可以檢查偶線材料的均勻性。 2.6.2.1 熱電偶回路基本性質(zhì) 定律二中間導(dǎo)體定律：在熱電偶回路中插入第三種（或多種）均質(zhì)材料，只要插入材料兩端連接點(diǎn)溫度相同，則所插入的第三種材料不影響

6、原回路的熱電勢(shì)。2.6.2 熱電偶回路基本性質(zhì) 中間導(dǎo)體定律表明熱電偶回路中可接入測(cè)量熱電勢(shì)的儀表。只要儀表處于穩(wěn)定的環(huán)境溫度，原熱電偶回路的熱電勢(shì)將不受接入測(cè)量?jī)x表的影響。證明：熱電偶回路接入第三種材料定律三中間溫度定律：兩種不同材料A和B組成的熱電偶回路，其接點(diǎn)溫度分別為t和t0時(shí)的熱電勢(shì)EAB(t,t0)，等于熱電偶在連接點(diǎn)溫度為(t,tn)和(tn,t0)時(shí)相應(yīng)的熱電勢(shì)EAB(t,tn)和EAB(tn,t0)的代數(shù)和，其中tn為中間溫度 該定律是參考端溫度計(jì)算修正法的理論依據(jù)。實(shí)際中利用熱電偶參考端溫度往往不等于零，可以利用此定律進(jìn)行修正。2.6.2.3 熱電偶回路基本性質(zhì) 證明：定律

7、四連接導(dǎo)體定律：在熱電偶回路中，如果熱電偶的電極材料A和B分別與連接導(dǎo)線A和B相連接，各有關(guān)接點(diǎn)溫度為t，tn和t0，那么回路的總熱電勢(shì)等于熱電偶兩端處于t和tn溫度條件下的熱電勢(shì)EAB(t,tn)與連接導(dǎo)線A和 B兩端處于tn和t0溫度條件的熱電勢(shì)EAB(tn,t0)的代數(shù)和。中間溫度定律和連接導(dǎo)體定律是工業(yè)熱電偶測(cè)溫中應(yīng)用補(bǔ)償導(dǎo)線的理論依據(jù)。熱電偶的長(zhǎng)度一般為幾十厘米至一、二米，因而參考端離被測(cè)對(duì)象很近。補(bǔ)償導(dǎo)線的作用是將熱電偶的參考端延伸到遠(yuǎn)離熱源或環(huán)境溫度較恒定的地方，改善機(jī)械和物理性質(zhì)，并提高線路的柔性。2.6.2.3 熱電偶回路基本性質(zhì) 常用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線2.6.2.4連接導(dǎo)體定律

8、好處：1）降低成本。當(dāng)熱電偶與儀表的距離較遠(yuǎn)時(shí)，可用賤金屬補(bǔ)償型補(bǔ)償導(dǎo)線代替貴金屬熱電偶，從而可節(jié)約貴金屬熱電偶材料。2）改善熱電偶測(cè)量線路的機(jī)械與物理性能。采用多股或小直徑補(bǔ)償導(dǎo)線可提高線路的柔性，使接線方便，并可調(diào)節(jié)線路的電阻以及避免外界干擾2.6.2.4（補(bǔ)）標(biāo)準(zhǔn)電極定律 兩種導(dǎo)體A、B分別與參考電極C（或稱標(biāo)準(zhǔn)電極）組成熱電偶，如果它們所產(chǎn)生的熱電勢(shì)為已知，那么，A與B兩熱電極配對(duì)后的熱電勢(shì)可按下式求得：由此可見(jiàn)，標(biāo)準(zhǔn)電極定律大大簡(jiǎn)化了熱電偶的選配工作。由于純鉑絲的物理化學(xué)性能穩(wěn)定、熔點(diǎn)高、易提純，故常用鉑絲為參考電極2.6.2熱電偶標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量回路 1、冰水混合物；2、保溫瓶；3、油類或

9、水銀；4、蒸餾水；5、試管；6、蓋；7、銅導(dǎo)線；8、熱電勢(shì)測(cè)量?jī)x表2.6.2熱電偶回路測(cè)量回路一 按照上述的熱電偶特性，在測(cè)溫時(shí)可有以下幾種連接方法：第一種 2.6.2熱電偶回路測(cè)量回路二 第二種2.6.2熱電偶回路測(cè)量回路三 第三種使用一個(gè)多點(diǎn)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)(無(wú)熱電勢(shì)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān))和一個(gè)測(cè)量?jī)x表，能同時(shí)測(cè)量數(shù)支熱電偶，可用圖2-16c接法。 2.6.2熱電偶回路測(cè)量回路四 第四種工業(yè)采用補(bǔ)償線以把熱電偶信號(hào)遠(yuǎn)傳，可用圖2-19d的接法2.6.2熱電偶實(shí)用測(cè)量回路五 1）測(cè)量?jī)牲c(diǎn)溫差的測(cè)溫電路在測(cè)量?jī)牲c(diǎn)溫度T1和T2的差時(shí)，采用兩只同型號(hào)的熱電偶反向串聯(lián)，同時(shí)配用相同的補(bǔ)償導(dǎo)線，這時(shí)儀表就可測(cè)得兩點(diǎn)的溫

10、差。 參考端溫度為T(mén)0:由于：2.6.2熱電偶實(shí)用測(cè)量電路六 2）測(cè)量多點(diǎn)溫度之和的測(cè)溫電路 2.6.2熱電偶實(shí)用測(cè)量電路七 3）測(cè)量多點(diǎn)平均溫度的測(cè)溫電路證明：此時(shí)總電勢(shì)為：2.6.2熱電偶參考點(diǎn)的補(bǔ)償 理論上，對(duì)某一熱電偶來(lái)講，熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)與被測(cè)溫度應(yīng)該呈現(xiàn)函數(shù)關(guān)系，但實(shí)際上參考端溫度并不是保持恒定，而是在緩慢的變化。同時(shí)熱電偶的分度表是以00C作為基準(zhǔn)進(jìn)行分度的，而實(shí)際中參考端的溫度往往不是00C。因此為了準(zhǔn)確獲得被測(cè)溫度，我們必須對(duì)參考溫度進(jìn)行修正或補(bǔ)償。 1）冷端恒溫方式 冰水混合物。 也可將參考端置于恒溫槽中，如恒溫槽溫度為T(mén)m，則冷端的誤差為：2.6.2熱電偶參考點(diǎn)的補(bǔ)償

11、2)參考端溫度自動(dòng)補(bǔ)償法 工業(yè)上，常常采用參考端溫度自動(dòng)補(bǔ)償法，這種方法就是在熱電偶和測(cè)溫儀表間接入一個(gè)不平衡電橋（也稱為溫度補(bǔ)償器）來(lái)補(bǔ)償參考端溫度不為0 0C或變化而引起的熱電勢(shì)變化。當(dāng)參考端溫度升高，導(dǎo)致回路中總電勢(shì)降低(或增加）時(shí)，溫度補(bǔ)償器此時(shí)受參考端的變化產(chǎn)生一個(gè)正電勢(shì)，其值剛好等于熱電偶降低的電勢(shì)，兩者相互抵消而達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹７粗嗳弧?電橋的四個(gè)橋臂：溫度系數(shù)較小的錳銅絲繞制R1,R2,R3，以及具有正溫度系數(shù)且系數(shù)較大的銅絲、可調(diào)Rcu。補(bǔ)償器在工作時(shí)與參考端處于同一環(huán)境。工程中一般設(shè)計(jì)為電橋與20 0C出于平衡。應(yīng)用時(shí)，適當(dāng)選擇橋臂電阻和電源電壓，同時(shí)調(diào)節(jié)Rcu，可補(bǔ)償參

12、考端溫度變化引起的熱電勢(shì)變化E(T0,200C）。2.6.熱電偶溫度計(jì) (Thermocouple)2.6.1熱電偶測(cè)溫原理 2.6.2熱電偶回路基本性質(zhì) 2.6.3低溫?zé)犭娕?2.6.4熱電偶的分度和校驗(yàn) 2.6.5熱電偶的制作和使用 2.6.3低溫?zé)犭娕?對(duì)熱電材料有下列主要要求：物理化學(xué)性能穩(wěn)定，能在較寬的溫度范圍內(nèi)使用， 其熱電勢(shì)性質(zhì)不隨時(shí)間變化；熱電勢(shì)和熱電勢(shì)率(dE/dT或稱靈敏度)大，熱電勢(shì)與溫度之間呈線性變化； 良好復(fù)現(xiàn)性，以便互換；響應(yīng)塊；加工性能好，價(jià)格便宜。K 鎳鉻-鎳硅2.6.3低溫?zé)犭娕?.6.3低溫?zé)犭娕?、鎳鉻康銅(E型) 2、銅康銅(T型)3、鎳鉻金鐵 4、銅鐵

13、 測(cè)溫范圍：25-273-673K偶線的熱導(dǎo)率差，漏熱小偶線均勻性差，精確度低 測(cè)溫范圍：50-640K低溫下應(yīng)用最廣泛的熱電偶之一 測(cè)溫范圍：2-300K熱電勢(shì)在低溫區(qū)(10K以下)較大 銅代金的銅鐵熱偶 2.6.3低溫?zé)犭娕?、普通型熱電偶結(jié)構(gòu)圖 2.6.3低溫?zé)犭娕兼z裝式熱電偶2.6.3低溫?zé)犭娕急∧な綗犭娕?.6.熱電偶溫度計(jì) (Thermocouple)2.6.1熱電偶測(cè)溫原理 2.6.2熱電偶回路基本性質(zhì) 2.6.3低溫?zé)犭娕?2.6.4熱電偶的分度和校驗(yàn) 2.6.5熱電偶的制作和使用 2.6.4熱電偶的分度和校驗(yàn) (1)內(nèi)插公式法(以K表示) (2-63)(以C表示) (2-64

14、) 式中An，Bn是待定系數(shù)，美國(guó)NIST制定的金鐵熱電偶標(biāo)準(zhǔn)參考表5KT280K的數(shù)據(jù)，是以式(2-63)中取N=14得到的，而銅-康銅分度表用N=5，按式(2-64)計(jì)算的。 對(duì)于實(shí)用的熱電偶，在上述公式中取N=2或3即可，如銅-康銅熱電偶，在-1900C，取N=3，誤差為0.01C，取N=2時(shí)誤差為0.5C，2.6.4熱電偶的分度和校驗(yàn)當(dāng)N=3時(shí)，式(2-64)變成： 只要在三個(gè)已知溫度點(diǎn)測(cè)出其電勢(shì)值，常數(shù)a、b、c即可求得，三個(gè)已知溫度可以是固定點(diǎn)(如液氮沸點(diǎn)，二氧化碳升華點(diǎn)(-78.48)和汞凝固點(diǎn)(-38.8344)，也可以由標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)測(cè)定的溫度。 2.6.4熱電偶的分度和校

15、驗(yàn)(2)標(biāo)準(zhǔn)參考表法 實(shí)驗(yàn)室制作熱電偶的偶線，工廠按規(guī)定的工藝標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的，因此同類熱電偶的E-T關(guān)系很接近，國(guó)際常用的標(biāo)準(zhǔn)表由美國(guó)NBS提供，可供參考，表2-15，表2-16和表2-17。 使用參考表來(lái)分度熱電偶方法很多，如：可以從幾個(gè)已知溫度下測(cè)出等分度熱電偶的熱電勢(shì)值Ex；再?gòu)膮⒖急碇胁槌鲆阎獪囟葘?duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)值Es，查得偏差曲線得Es，結(jié)果Es= Ex +Ex查參考表即可得對(duì)應(yīng)的溫度Ts。 2.6.4熱電偶的分度和校驗(yàn)(3)ET 曲線法 利用參考表可以作Es-T的曲線，然后在幾個(gè)已知溫度下測(cè)得E值，并同畫(huà)在一個(gè)表上得E-T曲線，這種方法簡(jiǎn)單但精度不很高。 低溫?zé)犭娕加捎诠ぷ鳒囟鹊停m不會(huì)

16、發(fā)生氧化，但受冷熱循環(huán)變化會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力或損傷折斷，中高溫?zé)犭娕加捎诠ぷ鳒囟雀撸疾氖苎趸?、腐蝕，在高溫下偶材會(huì)發(fā)生再結(jié)晶，引起熱電勢(shì)發(fā)生變化，使測(cè)量誤差增大，因此熱電偶要定期進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)的方法和分度相同，300C以下及低溫可以用鉑電阻溫度計(jì)作標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)，300C以上可用鉑電阻溫度計(jì)和鉑銠-鉑標(biāo)準(zhǔn)熱電偶作標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)。 2.6.熱電偶溫度計(jì) (Thermocouple)2.6.1熱電偶測(cè)溫原理 2.6.2熱電偶回路基本性質(zhì) 2.6.3低溫?zé)犭娕?2.6.4熱電偶的分度和校驗(yàn) 2.6.5熱電偶的制作和使用 2.6.5熱電偶的制作和使用1、材料的選擇 2、結(jié)點(diǎn)的制作 3、參考點(diǎn)的選擇 4、低溫?zé)犭娕嫉?/p>

17、熱接觸 5、差分熱電偶 2.6.5熱電偶的制作和使用1、材料的選擇 準(zhǔn)確性的限制，主要來(lái)自材料的不均勻性。不均勻的材料在溫度梯度下，類似于加入第三種材料，而且這種材料兩端溫度不同，會(huì)產(chǎn)生附加電勢(shì)，引入測(cè)量誤差。 對(duì)所用的偶絲材料進(jìn)行均勻性檢查，簡(jiǎn)單的辦法是線的兩端接在微伏計(jì)上，然后讓線逐段通過(guò)液氮槽，如果微伏計(jì)上輸出不超過(guò)2V左右，偶絲即可使用。 銅絲問(wèn)題小些，但銅熱導(dǎo)好，容易通過(guò)傳熱影響結(jié)點(diǎn)溫度，可以選得細(xì)些，但銅純度不夠，混有少量有害雜質(zhì)，在低溫下有反常的溫差電動(dòng)勢(shì)。 標(biāo)準(zhǔn)銀的熱電性能和銅差不多，可代替銅使用，因它的熱導(dǎo)率比銅小得多，可以用得粗些。 合金材料均勻性較差，不能做得太細(xì)。材料的

18、物理和化學(xué)不均勻性（如成分不均勻）、或受應(yīng)力2.6.5熱電偶的制作和使用2、結(jié)點(diǎn)的制作 結(jié)點(diǎn)最好是熔焊，在熔焊時(shí)要防止結(jié)點(diǎn)以外部分過(guò)熱而引起的氧化，成分改變(如金鐵合金中少量的鐵很容易氧化)，常用的方法是：把待做結(jié)點(diǎn)的兩根偶線，去掉頭上絕緣物并擦干凈，然后絞合在一起，上些硼砂或浸在硼砂中，并接到直流電源正極金屬夾上，與電源的負(fù)極短路，瞬間放電可使偶絲形成光亮的球狀結(jié)點(diǎn)，若用惰性氣體保護(hù)，則效果更好。 結(jié)點(diǎn)也可用錫焊，但必須先絞合在一起，錫焊只起固定作用，焊點(diǎn)應(yīng)盡量小，錫焊部分溫度要均勻，在錫焊時(shí)宜采用中性助焊劑(松香)以免氧化腐蝕或引進(jìn)化學(xué)亂真電勢(shì)，在焊接時(shí)烙鐵功率不能太大，而動(dòng)作要快，偶絲不能長(zhǎng)期受熱，如金鐵絲在錫焊溫度(約200C)就熔化。 熱偶線切勿打折，不但會(huì)引進(jìn)亂真電勢(shì)，還會(huì)影響它的壽命和電絕緣。 2.6.5熱電偶的制作和使用3、參考點(diǎn)的選擇 在液氮溫度以上直至高溫?zé)犭娕级加帽c(diǎn)作參考溫度，用蒸鎦水結(jié)成的冰可得到相當(dāng)準(zhǔn)確的冰點(diǎn)(0C)；天然冰次之；人造冰中常含有鹽類物質(zhì)使冰點(diǎn)偏低，熱電偶結(jié)點(diǎn)可放在盛有變壓器油的試管