溫度測量(含第2次作業(yè))

第四章溫度測量4.0概述4.1熱電偶測溫4.2熱電阻測溫4.3其他接觸式測溫儀表4.4接觸式測溫技術(shù)及誤差分析4.5非接觸式溫度測量溫度測量基本概念本章學習的主要內(nèi)容有:1、了解溫度測量的基本概念和方法；2、了解熱電偶的工作原理，了解熱電偶的分類及特點；3、了解熱電阻的工作原理，了解熱電阻的分類及特點。重點：掌握熱電偶與熱電阻兩種測溫方法的原理、特點及應(yīng)用場合溫度測量背景

國際單位制七個基本的物理量測量領(lǐng)域——動力、機械、化工、冶金、制冷、航天、電子、…4.0概述溫度：反映了物體的冷熱程度，與自然界中各種物理和化學過程相聯(lián)系。溫度測量：以熱平衡為基礎(chǔ)。溫度基本特性：當兩個冷熱程度不同的物體接觸后就會產(chǎn)生導熱、換熱，換熱結(jié)束后兩物體處于熱平衡狀態(tài)，具有相同的溫度。溫度測量方式：接觸式和非接觸式。一、溫度測量基本概念4.0概述一、溫度的基本概念溫度是一個基本物理量。長度m、時間s、質(zhì)量kg、熱力學溫度K、電流單位A、光強度單位cd（坎德拉）、物質(zhì)量mol；溫度的宏觀概念冷熱程度的表示，互為熱平衡的兩物體，其溫度相等。處于熱平衡狀態(tài)的所有熱力學系統(tǒng)都具有共同的宏觀性質(zhì)。這一宏觀特性用溫度表示即一切互為熱平衡的系統(tǒng)具有相同的溫度。溫度的微觀概念是大量分子運動平均強度的表示。分子運動愈激烈其溫度表現(xiàn)越高。溫度的概念物體熱平衡狀態(tài)下冷熱程度的物理量微觀上——溫度是物體內(nèi)部分子熱運動激烈程度的標志，是度量分子熱運動平均動能大小的指標宏觀上——溫度是決定系統(tǒng)熱平衡的宏觀性質(zhì)。當兩個系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時，它們擁有的共同性質(zhì)TAC

<TBC

<TCCABC熱流TBCTAC熱流

一、溫度的基本概念溫度測量的基本原理熱力學第零定律認為：“如果兩個系統(tǒng)中每一個系統(tǒng)都與第三個系統(tǒng)處于熱平衡，則該兩個系統(tǒng)彼此也處于熱平衡?！弊匀唤缰?，一些物質(zhì)的某些物理屬性具有隨溫度變化而發(fā)生相應(yīng)變化的特點，如：氣體在壓強不變時的體積和體積不變時的壓強，液體的體積，導線的電阻，電勢等等都具有隨溫度發(fā)生顯著變化的特征，這些物質(zhì)叫感溫介質(zhì)。溫度測量的基本原理利用這些物質(zhì)的不同感溫特性可以制成不同類型的溫度計。當它與被測物體（介質(zhì)）相互接觸，并處于熱平衡狀態(tài)時，溫度計上所顯示的數(shù)值就是被測物體（介質(zhì)）的溫度值。這就是測溫的基本原理。物理現(xiàn)象體積熱膨脹電阻變化溫差電現(xiàn)象導磁率變化電容變化壓電效應(yīng)超聲波傳播速度變化物質(zhì)顏色P–N結(jié)電動勢晶體管特性變化可控硅動作特性變化熱、光輻射傳感器種類鉑測溫電阻、熱敏電阻熱電偶BaSrTiO3陶瓷石英晶體振動器超聲波溫度計示溫涂料液晶半導體二極管晶體管半導體集成電路溫度傳感器可控硅輻射溫度傳感器光學高溫計1.氣體溫度計2.玻璃制水銀溫度計3.玻璃制有機液體溫度計4.雙金屬溫度計5.液體壓力溫度計6.氣體壓力溫度計1．

熱鐵氧體2．

Fe-Ni-Cu合金4.0概述自然界中幾乎所有的物理化學過程都與溫度緊密相關(guān)，因此溫度是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學試驗以及日常生活中需要普遍進行測量和控制的一個重要物理量。由于不同物質(zhì)的不同物理特性與溫度有著不同的關(guān)系，因此即使用同一物質(zhì)的不同特性，或不同物質(zhì)的同一種特性對同一個溫度進行測量，也會得出不同的量值，這就需要建立統(tǒng)一的標準溫度單位，即溫標。二.溫標溫標規(guī)定了溫度的讀數(shù)起點（零點）和測量溫度的基本單位。二、溫標

溫度的數(shù)值表示稱為溫標。它利用一些物質(zhì)的“相平衡溫度”作為固定點刻在“標尺”上，而固定點中間的溫度值則是利用一種函數(shù)關(guān)系(內(nèi)插函數(shù)或稱為內(nèi)插方程)來描述。各類溫度計的刻度均由溫標確定。溫標三要素：溫度計、固定點和內(nèi)插方程。溫標不是溫度標準(TemperatureStandard)，而是溫度標尺(TemperatureScale)的簡稱。 國際上規(guī)定的溫標有很多種，最常用的是華氏溫標(美國)、攝氏溫標、熱力學溫標等。幾種溫標間的換算關(guān)系攝氏度=5(華氏度-32)/9攝氏度=開氏度-273.15攝氏度=5蘭氏度/9-273.15攝氏度=1.25列氏度====================華氏度=1.8攝氏度+32華氏度=1.8開氏度-459.67華氏度=蘭氏度-459.67華氏度=2.25列氏度+32====================開氏度=攝氏度+273.15開氏度=1.25列氏度+273.15開氏度=5(華氏度-32)/9+273.15開氏度=5蘭氏度/9二、溫標1、溫度的數(shù)值表示方法稱為溫標。它規(guī)定了溫度讀數(shù)的起點(即零點)以及溫度的單位。各類溫度計的刻度均由溫標確定。2、國際上規(guī)定的溫標有：攝氏溫標、華氏溫標、熱力學溫標和國際實用溫標等。華氏溫標與攝氏溫標：F=9/5C°+32攝氏溫標與熱力學溫標：C°=K-273.15溫度的概念單位

攝氏溫標（℃）華氏溫標（oF）國際溫標（K）常用攝氏溫度二.溫標基本原理測溫原理溫度本身是一個抽象的物理量，不能直接與標準量比較而測出通過測量某些隨溫度而變化的物體的性質(zhì)，間接地測量物體溫度傳感器：測量某些材料隨溫度單值變化的物理參數(shù)，間接評估物理參數(shù)選擇溫度的單值函數(shù)——物理參數(shù)變化只與溫度有關(guān)，與其它因素無關(guān)或關(guān)系不大函數(shù)關(guān)系必須簡單、穩(wěn)定——參數(shù)與溫度之間的函數(shù)關(guān)系簡單，且變化是連續(xù)的溫度的跟蹤性要好——能夠迅速與被測介質(zhì)達到熱平衡1.經(jīng)驗溫標經(jīng)驗溫標的基礎(chǔ)是利用物質(zhì)體膨脹與溫度的關(guān)系。認為在兩個易于實現(xiàn)且穩(wěn)定的溫度點之間所選定的測溫物質(zhì)體積的變化與溫度成線性關(guān)系。把在兩溫度之間體積的總變化分為若干等分，并把引起體積變化1份的溫度定義為1度。經(jīng)驗溫標與測溫介質(zhì)有關(guān)，有多少種測溫介質(zhì)就有多少個溫標。按照這個原則建立的有攝氏溫標、華氏溫標和列氏溫標。攝氏溫標所用標準儀器是水銀玻璃溫度計。分度方法是規(guī)定在標準大氣壓力下，水的冰點為零度，沸點為100度，水銀體積膨脹被分為100等份，對應(yīng)每份的溫度定義為1攝氏度，單位為“℃”。華氏溫標華氏溫標：標準儀器是水銀溫度計，選取氯化銨和冰水混合物的溫度為零度，人體溫度為100華氏度。水銀體積膨脹被分為100份，對應(yīng)每份的溫度為1華氏度，單位為“oF”。按照華氏溫標，水的冰點為32oF，沸點是212oF。攝氏溫度和華氏溫度的關(guān)系為溫標名稱有關(guān)規(guī)定華氏溫標（℉）1714年，F(xiàn)ahrenheit把標準大氣壓下純水的沸點和冰點這兩個恒定溫度作固定點(212℉和32℉)，這兩個溫度點之間用水銀溫度計分成180等份，每等份定為1華氏度(℉)。遺憾：把冰點定為32度而不是0度。

列氏溫標(oR’)1731年Réaumur提出：水的冰點被定為列氏0度，而沸點則為列氏80度。因為標準濃度的酒精在水的冰點和沸點之間體積從1000單位膨脹到1080單位。攝氏溫標(℃)1742年Celsius提出：最初定義“水的冰點定為一百攝氏度，沸點定為零攝氏度，其間分成一百等分，一等分為一攝氏度”。第二年將刻度顛倒過來使用，即當今用法。當前應(yīng)用最廣，ITS-90有專門定義。開氏溫標(K)1854年Kelvin提出：把絕對零度(0K)到水的三相點溫度(273.16K)等分為273.16份，每份就是1開氏度。其分度間隔和攝氏溫標間隔一致，Δt(1℃)=ΔT(1K)。蘭氏溫標(oR)Rankine

溫標是美國工程界使用的一種溫標。起點也為絕對零度，水的冰點和沸點分別為491.67和671.67蘭氏度(oR)，中間分成180等分，每一等分為1oR。經(jīng)驗溫標的優(yōu)缺點雖然經(jīng)驗溫標在歷史上起過重要的作用，特別是攝氏溫標一直沿用至今，但也存在著嚴重的缺陷，主要表現(xiàn)在測量精度低，應(yīng)用范圍窄。其次經(jīng)驗溫標把溫度與物質(zhì)的膨脹之間的關(guān)系看成簡單的正比關(guān)系，這不符合實際情況。為此，必須建立一種與測溫介質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)的溫標。

2.熱力學溫標熱力學溫標是英國物理學家開爾文(Kelvin)于1848年以熱力學第二定律為基礎(chǔ)所引出的與測溫物質(zhì)無關(guān)的溫標。熱力學溫標是以卡諾循環(huán)為基礎(chǔ)?？ㄖZ定律指出，一個工作于恒溫熱源與恒溫冷源之間的可逆熱機，其效率只與熱源和冷源的溫度有關(guān)。假設(shè)熱機從溫度為T2的熱源獲得的熱量為Q2，放給溫度為T1的冷源的熱量為Q1，則有1854年，開爾文建議用一個固定點來確定此溫標。人們發(fā)現(xiàn)水的三相點(273.16K)的穩(wěn)定性能，長期維持在0.1mK范圍內(nèi)。因此，1954年第10屆國際計量大會決定采用水的三相點作為熱力學溫際的基本固定點．此溫標的表達式為：這種溫標的最大特點是與選用的測溫介質(zhì)性質(zhì)無關(guān)，克服了經(jīng)驗溫標隨測溫介質(zhì)而變的缺陷，故稱它為絕對熱力學溫標。由此而得的溫度稱為熱力學溫度，成為溫度測量的基準。

熱力學溫標是純理論的，無法直接實現(xiàn)。在熱力學中從理論上證明了熱力學溫標與由理想氣體狀態(tài)方程建立的溫標是完全一致的，所以借助于氣體溫度計可復現(xiàn)熱力學溫標。但氣體溫標的建立是相當繁雜的，而且使用不方便。為了實用方便，建立了一種緊密接近熱力學溫標的簡便溫標，即國際實用溫標。國際實用溫標是用來復現(xiàn)熱力學溫標的。3.絕對氣體溫標據(jù)熱力學：所有氣體在低壓下，定壓時的氣體體積或定容時的氣體壓強均與溫度成線性關(guān)系。這一發(fā)現(xiàn)在實際應(yīng)用中具有重要意義，因為，當氣體的壓強趨近于零時，氣體的特性便趨近于理想氣體。因此利用趨近于理想狀態(tài)氣體的性質(zhì)所建立的溫標就與氣體的種類無關(guān)。這種利用理想化氣體的特性而建立的溫標就叫理想氣體溫標。波義耳定律：當溫度一定時，pV＝C，C是只取決于溫度的常數(shù)；利用這一原理制造的溫度計稱為氣體溫度計，有定容式和定壓式兩種。這種方法將溫度測量轉(zhuǎn)化成對氣體壓力或體積的測量。由查理定律和蓋.呂薩克定律可知在V=0或p=0的極限情況下，對應(yīng)的溫度為-273.15℃。為了使溫標具有連續(xù)性，因而把-273.15℃定義為絕對溫度的零度。絕對溫標的分度法與攝氏分度法相同，而絕對溫度的單位是K。絕對溫度(用T表示)與攝氏溫度(用t表示)的關(guān)系為式中T0＝273.154.國際實用溫標和國際溫標經(jīng)國際協(xié)議產(chǎn)生的國際實用溫標，其指導思想是:盡可能地接近熱力學溫標;復現(xiàn)精度要高;制作較容易;性能穩(wěn)定;使用方便.各國均能以很高的準確度復現(xiàn)該溫標，保證國際上溫度量值的統(tǒng)一。第一個國際溫標是1927年第七屆國際計量大會決定采用的國際實用溫標。此后在1948、1960、1968年經(jīng)多次修訂，形成了近20多年各國普遍采用的國際實用溫標稱為(IPTS-68)。1989年7月第77屆國際計量委員會批準建立了新的國際溫標，簡稱ITS-90。為和IPTS-68溫標相區(qū)別，用表示ITS-90溫標。ITS-90基本內(nèi)容為：（1）國際實用溫標單位仍為K，1K等于水的三相點時溫度值的1/273.16；（2）把水的三相點時溫度值定義為0.01℃，同時相應(yīng)把絕對零度修訂為-273.15℃；這樣國際攝氏溫度t90(℃)和國際實用溫度T90(K)關(guān)系為：(3)規(guī)定把整個溫標分成4個溫區(qū)，其相應(yīng)的標準儀器如下；

①0.65—5.0K，用3He和4He蒸汽溫度計；

②3.0—24.5561K，用3He和4He定容氣體溫度計；

③13.803K—961.78℃，用鉑電阻溫度計；

④961.78℃以上，用光學或光電高溫計；(4)新確認和規(guī)定17個固定點溫度值以及借助依據(jù)這些固定點和規(guī)定的內(nèi)插公式分度的標準儀器來實現(xiàn)整個熱力學溫標。見下表所示。二、溫度標準的傳遞

與國際實用溫標有關(guān)的基準儀器均由國家指定機構(gòu)（我國由中國計量科學研究所）保存，并通過下級計量機構(gòu)（如省、市級的技術(shù)監(jiān)督局）進行傳遞，通常采用較高級對較低級進行校驗。

基本原理測溫原理溫度本身是一個抽象的物理量，不能直接與標準量比較而測出通過測量某些隨溫度而變化的物體的性質(zhì)，間接地測量物體溫度傳感器：測量某些材料隨溫度單值變化的物理參數(shù)，間接評估物理參數(shù)選擇溫度的單值函數(shù)——物理參數(shù)變化只與溫度有關(guān)，與其它因素無關(guān)或關(guān)系不大函數(shù)關(guān)系必須簡單、穩(wěn)定——參數(shù)與溫度之間的函數(shù)關(guān)系簡單，且變化是連續(xù)的溫度的跟蹤性要好——能夠迅速與被測介質(zhì)達到熱平衡三、測溫方法與測溫儀器的分類三、測溫方法與測溫儀器的分類溫度不能直接測量，而是借助于物質(zhì)的某些物理特性是溫度的函數(shù)，通過對某些物理特性變化量的測量間接地獲得溫度值。按照所用方法之不同，溫度測量分為接觸式和非接觸式兩大類。測溫方法利用物體的熱脹冷縮現(xiàn)象測量溫度利用物體的熱電效應(yīng)隨溫度變化的現(xiàn)象測量溫度利用物體的導電率隨溫度變化的現(xiàn)象測量溫度利用物體的熱輻射強度隨溫度變化的現(xiàn)象測量溫度利用物體的磁化率隨溫度變化現(xiàn)象制造的磁溫度計利用物體的正向電壓隨溫度變化現(xiàn)象制造的溫度計三、測溫方法與測溫儀器的分類常用溫度計測量50℃溫度可用什么溫度計？攝氏度三、測溫方法與測溫儀器的分類三、測溫方法與測溫儀器的分類1.接觸式測溫接觸式的特點是測溫元件直接與被測對象相接觸，兩者之間進行充分的熱交換，最后達到熱平衡，這是感溫元件的某一物理參效的量值就代表了被測對象的溫度值。優(yōu)點：直觀可靠。缺點：感溫元件影響被測溫度場的分布，接觸不良等都會帶來測量誤差，另外溫度太高和腐蝕性介質(zhì)對感溫元件的性能和壽命會產(chǎn)生不利影響。2.非接觸法利用物體的熱輻射能隨溫度變化的原理測定物體溫度，這種測溫方式稱為非接觸法。特點：不與被測物體接觸，也不改變被測物體的溫度分布，熱慣性小。通常用來測定1000℃以上的移動、旋轉(zhuǎn)或反應(yīng)迅速的高溫物體的溫度。2、非接觸式測溫非接觸測溫的特點感溫元件不與被測對象相接觸，而是通過輻射進行熱交換，可避免接觸測溫法的缺點，具有較高的測溫上限。熱慣性小，可達千分之一秒，便于測量運動物體的溫度和快速度變化的溫度。測溫儀器對應(yīng)于兩種測溫方法，測溫儀器亦分為接觸式和非接觸式兩大類。

接觸式測溫儀器又可分為:膨脹式溫度計：包括液體和固體膨脹式溫度計、壓力式溫度計；熱電式溫度計：包括熱電偶和P-N結(jié)溫度計；電阻式溫度計：包括金屬熱電阻溫度計和半導體熱敏電阻溫度計。壓力式溫度計：它是利用密閉容積內(nèi)工作介質(zhì)隨溫度升高而壓力升高的性質(zhì)，通過對工作介質(zhì)的壓力測量來判斷溫度值的一種機械式儀表。測溫儀器非接觸式測溫儀表是采用感溫元件與被測物體不直接接觸的方法來測量溫度。在高溫范圍內(nèi)，用直接接觸測溫法非常困難，可采用非接觸式測溫法，利用物體的熱輻射特性對物體的溫度進行非接觸式測量。光學高溫計、比色高溫計、輻射高溫計。可用于測量爐膛溫度。接觸式溫度傳感器非接觸式溫度傳感器接觸式溫度傳感器的特點：傳感器直接與被測物體接觸進行溫度測量，由于被測物體的熱量傳遞給傳感器，降低了被測物體溫度，特別是被測物體熱容量較小時，測量精度較低。因此采用這種方式要測得物體的真實溫度的前提條件是被測物體的熱容量要足夠大。非接觸式溫度傳感器主要是利用被測物體熱輻射而發(fā)出紅外線，從而測量物體的溫度，可進行遙測。其制造成本較高，測量精度卻較低。優(yōu)點是：不從被測物體上吸收熱量；不會干擾被測對象的溫度場；連續(xù)測量不會產(chǎn)生消耗；反應(yīng)快等。三、溫度傳感器分類總結(jié)常用溫度計三、測溫方法與測溫儀器的分類三、測溫方法與測溫儀器的分類測溫方式接觸測溫法除高溫區(qū)以外的溫度測量大多采用此法主要有：熱電阻、熱電偶、膨脹式、二極管等非接觸測溫法在高溫范圍（由于感溫物質(zhì)的材料特性的限制），利用物體的輻射特性來測量物體的溫度主要有：光學高溫計、輻射高溫計、光電高溫計等三、測溫方法與測溫儀器的分類按照溫度測量范圍，可分為超低溫、低溫、中溫、高溫和超高溫溫度測量。超低溫：<1K；低溫： 1K～0℃；中溫： 0℃～630.74℃；高溫： >630.74℃；超高溫： >10000K。熱電偶、測溫電阻器、熱敏電阻、感溫鐵氧體、石英晶體振動器、雙金屬溫度計、壓力式溫度計、玻璃制溫度計、輻射傳感器、晶體管、二極管、半導體集成電路傳感器、可控硅分類特征傳感器名稱超高溫用傳感器1500℃以上光學高溫計、輻射傳感器高溫用傳感器1000～1500℃光學高溫計、輻射傳感器、熱電偶中高溫用傳感器500～1000℃光學高溫計、輻射傳感器、熱電偶中溫用傳感器0～500℃低溫用傳感器-250～0℃極低溫用傳感器-270～-250℃BaSrTiO3陶瓷晶體管、熱敏電阻、壓力式玻璃溫度計見表下內(nèi)容測溫范圍分類特征傳感器名稱測溫范圍寬、輸出小測溫電阻器、晶體管、熱電偶半導體集成電路傳感器、可控硅、石英晶體振動器、壓力式溫度計、玻璃制溫度計線性型測溫范圍窄、輸出大熱敏電阻指數(shù)型函數(shù)開關(guān)型特性特定溫度、輸出大感溫鐵氧體、雙金屬溫度計測溫特性測溫特性1熱電偶測溫原理2熱電偶基本定律3熱電偶冷端處理和補償4標準化熱電偶5熱電偶分度表6熱電偶傳感器的應(yīng)用4.1熱電偶測溫4.1熱電偶測溫熱電偶是目前世界上科研和生產(chǎn)中應(yīng)用最普遍、最廣泛的溫度測量元件。它將溫度信號轉(zhuǎn)換成電勢（mV）信號，配以測量電勢的儀表或變送器可以實現(xiàn)溫度的測量或溫度信號的轉(zhuǎn)換。熱電偶溫度計由熱電偶（敏感元件）、電測儀表和連接導線組成。熱電偶測溫主要特點

1、它屬于自發(fā)電型傳感器：（有源傳感器）測量時可以不需外加電源，可直接驅(qū)動動圈式儀表；

2、測溫范圍廣：下限可達-270C，上限可達1800C以上；

3、各溫區(qū)中的熱電勢均符合國際計量委員會的標準。

4、結(jié)構(gòu)簡單、制作方便；

5、性能穩(wěn)定、準確度高、復現(xiàn)性好、體積小、響應(yīng)時間短；

6、直接輸出直流電壓信號，便于測量、信號傳輸、自動記錄和控制等?？蛇m應(yīng)各種測溫對象的要求，如快速、點溫測量等。4.1熱電偶測溫熱電偶是當前熱電測溫中普遍使用的一種感溫元件，它的工作原理是基于熱電效應(yīng)．4.1.1熱電偶的測溫原理兩種不同材料的金屬絲兩端牢靠地接觸在一起，組成圖所示的閉合回路，當兩個接觸點(稱為結(jié)點)溫度T和T0不相同時，回路中即產(chǎn)生電勢，并有電流流通，這種把熱能轉(zhuǎn)換成電能的現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電偶工作原理演示

結(jié)論：當兩個結(jié)點溫度不相同時，回路中將產(chǎn)生電動勢熱電極A右端稱為：

自由端參考端冷端左端稱為：

測量端工作端熱端熱電極B熱電勢AB回路電勢稱為熱電勢。兩金屬絲稱為偶極或熱電極。兩個結(jié)點中與被測介質(zhì)接觸的一個稱為測量結(jié)成工作端、熱端，另一個稱為參考端（或自由端、冷端）。由于這種熱電效應(yīng)現(xiàn)象是1821年塞貝克（Seeback）首先發(fā)現(xiàn)提出，故又稱塞貝克效應(yīng)。4.1熱電偶測溫

熱電偶：兩種不同的金屬A和B構(gòu)成閉合回路，當兩個接觸端T﹥T0時，回路中會產(chǎn)生熱電勢。

熱電勢由兩種材料的接觸電勢和單一材料的溫差電勢決定ABTT0熱電效應(yīng)：將溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電勢

當不同材料的兩導體Ａ和Ｂ的兩個結(jié)點處溫度不同時，則回路中產(chǎn)生熱電勢熱電偶：兩導體Ａ和Ｂ組成接觸電勢：接觸點電子密度不相同而形成的電位差溫差電勢：金屬導體兩端溫度不同而可產(chǎn)生的熱電勢——等溫時為零導體A導體B高溫端t低溫端t0eAB（t,t0）——金屬A和溫度t分別表示熱電偶的正極和測量端,后面的金屬B和溫度t0分別表示熱電偶的負極和參考端4.1熱電偶測溫

1.接觸電勢（珀爾帖電勢）兩種導體相接觸，由于導體內(nèi)的自由電子密度不同，如果NA>NB，電子密度大的導體A中的電子就向電子密度小的導體B擴散；導體A由于失去了電子而具有正電位。導體B由于接收到了擴散來的電子而具有負電位。在擴散達到動態(tài)平衡時A、B之間就形成了電位差，稱之為接觸電勢。式中EAB(T)：為A、B兩種材料在溫度為T時的接觸電動勢；K：玻耳茲曼常數(shù)；e：電子電荷：NA(T)、NB(T)：A、B兩種材料在溫度T時的自由電子密度。溫差電勢示意圖接觸電勢示意圖2.溫差電勢（湯姆遜電勢）對單一金屬導體，如果兩端的溫度不同，則兩端的自由電子就具有不同的動能。溫度高則動能大，動能大的自由電子就會向溫度低的一段擴散。失去了電子的這一端就處于正電位，而低溫端由于得到電子處于負電位。這樣兩端就形成了電位差，稱為溫差電勢。在整個閉合回路中產(chǎn)生的總電動勢EAB(T,T0)可表示為由式可知，熱電偶總電動勢與電子密度NA、NB及兩節(jié)點溫度T,T0有關(guān)，電子密度取決于熱電偶材料的特性。當熱電偶材料一定時，熱電偶的總電動勢EAB(T,T0)成為溫度T和T0的函數(shù)差，即3.回路的總熱電動勢4.結(jié)論熱電偶回路熱電勢的大小，只與組成熱電偶的材料和材料兩端連接點處的溫度有關(guān)，與熱電偶絲的直徑、長度及沿程溫度分布無關(guān)。只有用兩種不同性質(zhì)的材料才能組成熱電偶，相同材料組成的閉合回路不會產(chǎn)生熱電勢。熱電偶的兩個熱電極材料確定之后，熱電勢的大小只與熱電偶兩端接點的溫度有關(guān)。如果T0已知且恒定，則f(T0)為常數(shù)。回路總熱電勢量EAB(T,T0)只是溫度T的單值函數(shù)。§4.1.1熱電偶測溫原理熱電偶回路的總熱電勢

熱電勢存在必須具備兩個條件：

a)兩種不同的金屬材料組成熱電偶；b)兩端存在溫差。

熱電勢是T和T0的溫度函數(shù)的差，而不是溫度的函數(shù)。當T0=0℃時，f(T0)=0則有：

E與T間有唯一對應(yīng)的單值函數(shù)關(guān)系，因此可用測量到的熱電勢E來得到對應(yīng)的溫度值T，熱電偶熱電勢的大小，只與導體A和B的材料及冷熱端的溫度有關(guān)，與導體的粗細長短及接觸面積無關(guān)。4.1.2熱電偶回路的基本定律1.均質(zhì)導體定律由均質(zhì)材料構(gòu)成的熱電偶、熱電動勢的大小只與材料及結(jié)點溫度有關(guān)，與熱電偶的大小尺寸、形狀及沿電極溫度分布無關(guān)。如材料不均勻、由于溫度梯度的存在，將會有附加電動勢產(chǎn)生。1.均勻?qū)w定律

在用同一種均質(zhì)材料組成的回路中，不論材料的截面積是否一致以及各處的溫度分布如何，該回路中的總熱電勢等于零.若要回路中產(chǎn)生熱電勢，必須采用兩種不同性質(zhì)的材料由同一種材料組成的閉合回路存在溫差時，若回路中產(chǎn)生熱電勢便說明該材料是不均勻的eA(t,t0)＝0tAt04.1.2熱電偶回路的基本定律1均質(zhì)導體定律

熱電偶的熱電勢僅與兩接點的溫度有關(guān)，而與沿熱電極的溫度分布無關(guān)。如果熱電偶的熱電極是非勻質(zhì)導體，在不均勻溫度場中測溫時將造成測量誤差。所以熱電極材料的均勻性是衡量熱電偶質(zhì)量的重要技術(shù)指標之一。TT0

由一種勻質(zhì)導體所組成的閉合回路，不論導體的截面積及導體的各處溫度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢。熱電偶必須采用兩種不用材料的導體組成?！?.1.2熱電偶基本定律2.中間導體定律

在熱電偶回路中接入另一種導體稱中間導體C，只要中間導體的兩端溫度相同，熱電偶回路總電動勢不受中間導體接入的影響。為用測量儀表測量回路的熱電動勢提供理論依據(jù)TT0V§4.1.2熱電偶基本定律中間導體定律

在熱電偶回路中加入第三種導體C，只要其兩端溫度相同，熱電偶產(chǎn)生的熱電勢保持不變——不受第三金屬接入的影響CtABt0t0eAB(t)eBC(t0)eCA(t0)eB(t,t0)eA(t,t0)可以在熱電偶回路中接入儀表以便檢測熱電勢的大小從而測出溫度相對另一種金屬C（標準電極）的熱電勢為已知的金屬A和B，它們組成的熱電偶，其熱電勢為它們對金屬C熱電勢的代數(shù)和：

——建立通用（相對標準電極）分度表ACttoCBttoABtto2.中間導體定律標準電極應(yīng)用

如果兩種導體與另一種參考導體的熱電勢已知，則這兩種導體組成的熱電偶的熱電勢是它們對參考導體熱電勢的代數(shù)和。

由于鉑的物理、化學性質(zhì)穩(wěn)定，熔點高，易提純，所以，通常選用純鉑絲作為標準電極，只要測得各種金屬與純鉑組成的熱電偶的熱電勢，則各種金屬之間相互組合而成的熱電偶的熱電勢可直接計算出來。

3.中間溫度定律在熱電偶回路中，兩接點溫度為T、T0時的熱電動勢，等于該熱電偶在接點溫度為T

、Tn和Tn、T0時熱電動勢的代數(shù)和，即中間溫度定律

熱電偶在接點溫度為t、tn的熱電勢為eAB(t,tn),在接點溫度為tn

、t0的熱電勢為eAB(tn,t0),則當接點的溫度為t、t0的熱電勢為：

結(jié)論：電勢與溫度間轉(zhuǎn)換：無論熱電偶的工作溫度為多少，都可以用一具有相同參考溫度的分度表來確定其電勢溫度函數(shù)關(guān)系溫差測量：只要已知t和tn溫度下的電勢，則對應(yīng)于t和tn溫差下的熱電勢便為已知ABttnABtntoABttot23.中間溫度定律中間溫度定律為補償導線的使用提供了理論依據(jù)。它表明：若熱電偶的熱電極被導體延長，只要接入的導體組成熱電偶的熱電特性與被延長的熱電偶的熱電特性相同，且它們之間連接的兩點溫度相同，則總回路的熱電動勢與連接點溫度無關(guān)，只與延長以后的熱電偶兩端的溫度有關(guān)。熱電偶由于受到材料價格的限制不可能做得很長，而要使其冷端不受測溫對象的溫度影響，必須使冷端遠離溫度對象，采用補償導線就可以做到這一點。熱電偶冷端的延長

所謂補償導線，實際上是一對材料化學成分不同的導線，在0～100℃溫度范圍內(nèi)與配接的熱電偶有一致的熱電特性，但價格相對要便宜。可延長熱電偶的冷端，使之遠離高溫區(qū)；可節(jié)約大量貴金屬；易彎曲，便于敷設(shè)。回路總熱電勢為E=EAB(T,T0’)+EA’B’(T0’,T0)EAB(T0’,T0)=EA’B’(T0’,T0)E=EAB(T,T0)

利用補償導線，將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的場所(如儀表室)，其實質(zhì)是相當于將熱電極延長。根據(jù)中間溫度定律，只要熱電偶和補償導線的二個接點溫度一致，是不會影響熱電動勢輸出的。常用補償導線的結(jié)構(gòu)分為普通型和帶屏蔽層型兩種按照補償原理分為補償型及延伸型兩種補償導線按使用溫度可分為一般用（0～100℃）和耐熱用（0～200℃）1.熱電偶分度號測量端溫度(℃)參考端溫度(℃)熱電勢(mV)S13000B14008.914K3034.111T-145-5.324E80535J5651513.155158502059.30430.3062.用熱電偶測量金屬壁面溫度有兩種方案，如下圖所示，當熱電偶具有相同的參考端溫度t0時，問在壁溫相等的兩種情況下，儀表的示值是否一樣？為什么？3.用兩支分度號為K的熱電偶測量A區(qū)和B區(qū)的溫差，連接回路如右圖所示。當熱電偶參考端溫度t0為0℃時，儀表指示200℃。問在參考端溫度上升25℃時，儀表的指示值為多少？為什么？

兩種導體A,B分別與參考電極C組成熱電偶，如果他們所產(chǎn)生的熱電動勢為已知，A和B兩極配對后的熱電動勢：ABTT0=ACTT0—CBTT0由于鉑的物理化學性質(zhì)穩(wěn)定、人們多采用鉑作為參考電極4.連接導體定律§4.1.2熱電偶基本定律補償導線的理論依據(jù)

——中間溫度定律和標準電極定律若熱電偶的熱電極被導體延長，只要接入的導體組成熱電偶的熱電特性與被延長的熱電偶的熱電特性相同，且它們之間連接的兩點溫度相同，則總回路的熱電動勢與連接點溫度無關(guān)，只與延長以后的熱電偶兩端的溫度有關(guān)。純金屬與合金的種類很多，要得出這些金屬之間組合而成熱電偶的熱電動勢，其工作量極大。由于鉑的物理、化學性質(zhì)穩(wěn)定，熔點高，易提純，所以，通常選用高純鉑絲作為標準電極，只要測得各種金屬與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢，則各種金屬之間相互組合而成的熱電偶的熱電動勢可直接計算得到。4.1.3熱電偶的材料、特點熱電極材料應(yīng)具備的條件：熱電偶應(yīng)輸出較大的熱電勢，且要求熱電勢和溫度之間盡可能地呈線性函數(shù)關(guān)系；能應(yīng)用于較寬的溫度范圍；物理化學性能、熱電特性都較穩(wěn)定，即要求有較好的耐熱性、抗氧化、抗還原、抗腐蝕等性能；有較高的導電率和較低的電阻溫度系數(shù)；具有較好的工藝性能，便于成批生產(chǎn)；具有良好的復現(xiàn)性。熱電偶材料性能要求物理化學性能穩(wěn)定、電阻溫度系數(shù)小、機械性能好、靈敏度高、復現(xiàn)性好、線性關(guān)系等一般熱電偶的靈敏度隨溫度降低而明顯下降。這是熱電偶進行低溫測量的主要困難.熱電偶分類熱電偶分類按其熱電勢與溫度的關(guān)系以及使用性能可分為：常用熱電偶和特殊熱電偶按其適應(yīng)的溫度范圍不同可分為：高、中溫熱電偶和低溫熱電偶按其結(jié)構(gòu)型式不同可分為：鎧裝式、插入式和裸線式熱電偶按熱電極材料的性質(zhì)可分為：金屬熱電偶，半導體熱電偶，非金屬熱電偶三類按熱電極材料的價格可分為：貴金屬熱電偶和賤金屬熱電偶要求從以下幾個方面掌握：分度號；材料貴賤；使用溫度范圍；優(yōu)缺點（特點）；適用條件等。

4.1.3熱電偶的材料、特點滿足上述條件的熱電偶材料并不很多。國際電工委員會（IEC）在1975年向世界各國推薦八種標準型熱電偶。標準化熱電偶：工藝上比較成熟，能批量生產(chǎn)、性能穩(wěn)定、應(yīng)用廣泛，具有統(tǒng)一分度表并已列入國際和國家標準文件中的熱電偶。標準化熱電偶可以互相交換，精度有一定的保證。按慣例正極成分一般寫在前面。4.1.3熱電偶的材料、特點我國生產(chǎn)的符合IEC標準的熱電偶有8種，分別是：分度號4.1.3熱電偶的材料、特點從1988年1月1日起，我國熱電偶和熱電阻的生產(chǎn)全部按IEC的標準，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標準化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計型熱電偶。但其中的R型（鉑銠13-鉑）熱電偶，因其溫度范圍與S型（鉑銠10-鉑）重合，我國沒有生產(chǎn)和使用。4.1.3熱電偶的材料、特點標準化熱電偶技術(shù)數(shù)據(jù)熱電偶名稱分度號熱電極識別E（100,0）（mV）測溫范圍（℃）對分度表允許偏差（℃）新極性識別長期短期等級使用溫度允差鉑銠10-鉑S正亮白較硬0.6460~13001600Ⅲ≤600±1.5℃負亮白柔軟＞600±0.25%t鉑銠13-鉑R正較硬0.6470~13001600Ⅱ＜600±1.5℃負柔軟＞1100±0.25%t鉑銠30-鉑銠B正較硬0.0330~16001800Ⅲ600~900±4℃負稍軟＞800±0.5%t鎳鉻-鎳硅K正不親磁4.0960~12001300Ⅱ-40~1300±2.5℃或±0.75%t負稍親磁Ⅲ-200~40±2.5℃或±1.5%t鎳鉻硅-鎳硅N正不親磁2.774-200~12001300Ⅰ-40~1100±1.5℃或±0.4%t負稍親磁Ⅱ-40~1300±2.5℃或±0.75%t鎳鉻-康銅E正暗綠6.319-200~760850Ⅱ-40~900±2.5℃或±0.75%t負亮黃Ⅲ-200~40±2.5℃或±1.5%t銅-康銅T正紅色4.279-200~350400Ⅱ-40~350±1℃或±0.75%t負銀白色Ⅲ-200~40±1℃或±1.5%t鐵-康銅J正親磁5.269-40~600750Ⅱ-40~750±2.5℃或±0.75%t負不親磁4.1.3熱電偶的材料、特點鉑銠10-鉑熱電偶分度號為“S”。為貴金屬熱電偶，其準確度在所有熱電偶中是最高的，常用于科學研究和準確度要求比較高的場合。正極是鉑銠絲（鉑90%，銠l0%），負極是純鉑絲。測溫范圍為0~1700℃。靈敏度：室溫下6uV/℃。特點：熱電性能穩(wěn)定，抗氧化性強，宜在氧化性、惰性氣氛中工作。物理化學性能穩(wěn)定，測量精度高，常用于精密溫度測量和作為基準溫度計使用。國際溫標中規(guī)定它為630.74~1064.43℃溫度范圍內(nèi)復現(xiàn)溫標的標準儀器。常用作標準熱電偶或用于高溫測量。缺點：靈敏度較低，價格昂貴，較少在中低溫度下使用.

電極絲直徑通常很細，機械強度較低，與其它熱電偶相比，其熱電勢偏小，熱電勢率也較小，因此靈敏度低。鉑銠13-鉑熱電偶分度號為R，為貴金屬熱電偶，其性質(zhì)與鉑銠10-鉑熱電偶基本相同，唯一的差別是正極中銠的含量略高一些，這樣熱電勢也稍大一些，大15％左右，而且比S型熱電偶穩(wěn)定，復現(xiàn)性好。問題：是不是銠的含量再高一點更好呢？答：也不是，如果合金極中銠的含量達到20％，則在高溫下會發(fā)脆，影響熱電偶的壽命。

鉑銠30-鉑銠6熱電偶分度號為“B”。屬于貴金屬熱電偶。正極是鉑銠絲(鉑70%，銠30%)，負極是鉑銠絲(鉑94%，銠6%)，故俗稱雙鉑銠熱電偶。

測溫范圍為0~1700℃。由于其兩極都是由合金構(gòu)成的，因而提高了抗玷污能力和機械強度，其壽命比R,S型熱電偶要大得多。性能穩(wěn)定，但不如R,S型熱電偶好。測量準確度高，其熱電勢率比鉑銠10－鉑還要小，但同時帶來的好處是可不用補償導線，但須配用靈敏度高的儀表。特點：測溫上限高，在冶金反應(yīng)、鋼水測量等高溫領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。適于氧化性質(zhì)和中性介質(zhì)中使用，不能在還原性氣氛及含有金屬或非金屬蒸汽氣氛中使用。鎳鉻-鎳硅熱電偶分度號為“K”。廉價金屬熱電偶，應(yīng)用十分廣泛，在我國它的產(chǎn)量占了所有賤金屬熱電偶產(chǎn)量的一半左右。正極是鎳鉻合金(鎳90.5%，鉻9.5%)，負極為鎳硅(鎳97.5%，硅2.5%)。測溫范圍為-200~+1300℃。優(yōu)點：測溫范圍很寬、熱電動勢與溫度關(guān)系近似線性、熱電動勢大及價格低。熱電勢率大，靈敏度比較高；熱電特性近乎線性，線性度好，使得顯示儀表的刻度均勻；穩(wěn)定性和均勻性很好；高溫下抗氧化，抗腐蝕能力都很強，比其它廉金屬熱電偶好；化學穩(wěn)定性好。缺點：熱電動勢的穩(wěn)定性較B型或S型熱電偶差，且負極有明顯的導磁性。適用于氧化性和中性介質(zhì)中使用，在還原性氣體中易被腐蝕。在500℃到1300℃溫區(qū)的氧化性、惰性氣氛中，廣泛為用戶所采用。銅-康銅熱電偶分度號為“T”。正極是銅，負極是銅鎳合金。測溫范圍為-200~+400℃。特點：精度高，在0~-200℃范圍內(nèi)，可制成標準熱電偶，準確度可達土0.1℃。缺點：銅極易氧化，故在氧化性氣氛中使用時，一般不能超過300℃。鎳鉻-康銅熱電偶分度號為“E”。熱電勢率是目前各類金屬熱電偶中最高的，靈敏度最高，靈敏度比鎳鉻－鎳硅高一倍。正極是鎳鉻合金，負極是銅鎳合金(銅55%，鎳45%)。測溫范圍為-200~+1000℃。特點：最大的特點是在常用熱電偶中，熱電勢率最大，即靈敏度最高。熱電特性線性度較好，價廉；耐熱和抗氧化性要比銅－康銅強。缺點是其負極難以加工，而且熱電均勻性也比較差。適用條件：適宜在氧化和惰性氣氛中使用，但不能用于還原氣氛或硫氣氛中。鐵-康銅熱電偶分度號為“J”。正極是鐵，負極是銅鎳合金。測溫范圍為-200~1300℃。特點：價格便宜，熱電動勢較大，僅次于E型熱電偶。缺點：鐵極易氧化。非標準型熱電偶非標準型熱電偶包括鉑銠系、銥銠系及鎢錸系熱電偶等。鉑銠系熱電偶有鉑銠20-鉑銠5、鉑銠40-鉑銠20等一些種類，其共同的特點是性能穩(wěn)定，適用于各種高溫測量。銥銠系熱電偶有銥銠40-銥、銥銠60-銥。這類熱電偶長期使用的測溫范圍在2000℃以下，且熱電動勢與溫度關(guān)系線性好。鎢錸系熱電偶有鎢錸3-鎢錸25、鎢錸5-鎢錸20等種類。它的最高使用溫度受絕緣材料的限制，目前可使用到2500℃左右。主要用于鋼水連續(xù)測溫、反應(yīng)堆測溫等場合。4.1.4工業(yè)熱電偶簡介裝配式熱電偶鎧裝熱電偶防爆熱電偶耐磨熱電偶1普通工業(yè)裝配式熱電偶普通工業(yè)裝配式熱電偶作為測溫變送器，通常和顯示儀表、記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配套使用?？梢灾苯訙y量從0℃到1800℃范圍的液體、蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體的表面溫度。熱電偶通常由熱電極、絕緣管、保護套管和接線盒等幾個主要部分組成。(1)熱電極又稱偶絲，它是熱電偶的基本組成部分。普通金屬做成的偶絲，其直徑一般為0.5~3.2mm，貴重金屬做成的偶絲，直徑一般為0.3~0.6mm。偶絲的長度則由使用情況、安裝條件，特別是工作端在被測介質(zhì)中插入的深度來決定，通常為300—2000mm，常用的長度為350mm。

(2)絕緣管又稱絕緣子，是用于熱電極之間及熱電極與保護套管之間進行絕緣保護的零件。形狀一般為圓形或橢圓形，中間開有二個、四個或六個孔。偶絲穿孔而過。材料為粘土質(zhì)、高鋁質(zhì)、剛玉質(zhì)等，材料選用視使用的熱電偶而定。在室溫下，絕緣管的絕緣電阻應(yīng)在5MΩ以上。(3)保護套管保護熱電偶感溫元件免受被測介質(zhì)化學腐蝕和機械損傷的裝置。形狀一般為圓柱形具有耐高溫、耐腐蝕的性能，導熱性能好，氣密性好。材料：金屬、非金屬以及金屬陶瓷三大類。金屬材料：鋁、黃銅、碳鋼、不銹鋼等，其中不銹鋼lCrl8Ni9Ti是目前熱電偶保護套管使用的典型材料。非金屬材料：高鋁質(zhì)(85%--90%A1203)、剛玉質(zhì)(99％Al2O3)，使用溫度都在1300℃以上。金屬陶瓷材料：如氧化鎂加金屬鉬，這種材料使用溫度在1700℃，且在高溫下有很好的抗氧化能力，適用于鋼水溫度的連續(xù)測量。(4)接線盒固定接線座和作為連接補償導線的裝置。根據(jù)被測量溫度的對象及現(xiàn)場環(huán)境條件，分為普通式、防濺式、防水式和接插座式等四種結(jié)構(gòu)形式。普通式接線盒無蓋，僅由盒體構(gòu)成，其接線座用螺釘固定在盒體上，適用于環(huán)境條件良好、無腐蝕性氣體的現(xiàn)場。防濺式、防水式接線盒有蓋，且蓋與盒體是由密封圈壓緊密封，適用于雨水能濺到的現(xiàn)場或露天設(shè)備現(xiàn)場。插座式接線盒結(jié)構(gòu)簡單、安裝所占空間小，接線方便，適用于需要快速拆卸的環(huán)境。2鎧裝熱電偶鎧裝熱電偶具有能彎曲、耐高壓、熱響應(yīng)時間快和堅固耐用等許多優(yōu)點;它和工業(yè)用裝配式熱電偶一樣，作為測量溫度的變送器，通常和顯示儀表、記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配套使用，亦可作為裝配式熱電偶的感溫元件。可以直接測量名種生產(chǎn)過程中從0~800℃范圍內(nèi)的液體、蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體表面的溫度。鎧裝熱電偶的結(jié)構(gòu)原理是由導體、高絕緣氧化鎂、外套（1Cr18Ni9Ti保護管），經(jīng)多次一體拉制而成。鎧裝熱電偶產(chǎn)品主要由接線盒、接線端子和鎧裝熱電偶組成基本結(jié)構(gòu)，并配以各種安裝固定裝置組成。鎧裝熱電偶結(jié)構(gòu)：將熱電偶絲用無機物絕緣及金屬套管封裝，壓實成可撓的堅實組合體(如圖)。特性：慣性??；撓性、機械強度及耐壓性能好。適用場合：可用于快速測溫或熱容量很小的物體的測溫部位，結(jié)構(gòu)堅實可耐強烈的振動和沖擊，還可用于高壓設(shè)備上測溫。1-金屬套管；2-絕緣材料；3-熱電極鎧裝型熱電偶外形法蘭鎧裝型熱電偶可長達上百米薄壁金屬保護套管(鎧體)

BA絕緣材料鎧裝型熱電偶橫截面鎧裝熱電偶的類型(1)接殼式：熱電偶的測量端與金屬套管接觸并焊接在一起。適用于測量溫度高、壓力高、腐蝕性較強的介質(zhì)。

(2)絕緣式：熱電偶的測量端焊接后填以絕緣材料再與金屬套管焊接。適用范圍同接殼式，特點是偶絲與保護金屬套管不接觸，具有電氣絕緣性能。

(3)圓接插式：金屬套管端頭部分的直徑為原直徑的一半，故時間常數(shù)更小。

(4)扁接插式：分為接殼型和絕緣型兩種，其時間常數(shù)最小，反應(yīng)速度更快。3防爆熱電偶某些生產(chǎn)現(xiàn)場伴有各種易燃、易爆等化學氣體、蒸汽，使用普通的熱電偶非常不安全，極易引起環(huán)境氣體爆炸。因此，在這些場合必須使用隔爆熱電偶作溫度傳感器。防爆原理：利用間隙隔爆原理，設(shè)計具有足夠強度的接線盒等部件，將所有會產(chǎn)生火花、電弧和危險溫度的零部件都密封在接線盒內(nèi)，當腔內(nèi)發(fā)生爆炸時，能通過接合面間隙熄火和冷卻，使爆炸后的火焰和溫度不傳到腔外。4耐磨熱電偶某些特殊場合，如化工廠、冶煉廠、發(fā)電廠、水泥廠等，用普通熱電偶極易損壞。因此，在這些場合就必須采用耐磨熱電偶。該熱電偶特別適用硫化床、磨煤機出口，一次，二次風煤及水泥行業(yè)測溫。耐磨，同時耐沖刷，耐腐蝕；壽命長，高溫下可使用6個月以上，低溫下可使用8個月以上。目前工業(yè)上廣為應(yīng)用的還有多點熱電偶、吹氣熱電偶、高溫防腐熱電偶、微細鎧裝熱電偶、壓簧固定熱電偶、多點隔爆熱電偶、高溫高壓熱電偶、快速熱電偶等。5、快速微型熱電偶特性：測溫元件小，響應(yīng)速度快，無需定期維修，準確度較高；適用場合：高溫熔體(鋼水、鐵液等金屬熔體)的溫度測量。目前我國有兩類快速熱電偶，即快速鉑銠熱電偶與快速鎢錸熱電偶。1-外保護帽；2-U形石英管；3-外紙管；4-絕熱水泥；5-熱電偶自由端；6-棉花；7-絕熱紙管；8-小紙管；9-補償導線；10-塑料插件6、薄膜式熱電偶結(jié)構(gòu)特點：采用真空蒸鍍或化學涂層等制造工藝將兩種熱電極材料蒸鍍到絕緣基板上，形成薄膜狀熱電偶，其熱端接點極薄，約0.01~0.1μm。適用場合：適于壁面溫度≤300℃的快速測量。1-熱電極；2-工作端；3-絕緣基板；4-引出線7、鎢錸系熱電偶 鎢錸熱電偶是最成功的難熔金屬熱電偶，可以測到2400~2800℃高溫。 它的特點是在高溫下易氧化，只能用于真空和惰性氣氛中。熱電勢率大約為S型的2倍，在2000℃時的熱電勢接近30mV，價格僅為S型的1/10。

WRe熱電偶已成為冶金、材料、航天、航空及核能等行業(yè)中重要的測溫工具。普通裝配型熱電偶的結(jié)構(gòu)放大圖

接線盒引出線套管固定螺紋(出廠時用塑料包裹)熱電偶工作端(熱端)不銹鋼保護管熱電偶結(jié)構(gòu)形式鎧裝型熱電偶外形熱電偶結(jié)構(gòu)形式熱電偶接點鎧裝型熱電偶外形鎧裝型熱電偶可長達上百米薄壁金屬保護套管（鎧體）BA絕緣材料鎧裝型熱電偶橫截面熱電偶結(jié)構(gòu)形式其它熱電偶外形小形K型熱電偶熱電偶結(jié)構(gòu)形式4.1.5熱電偶的參比端處理從熱電效應(yīng)的原理可知，熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢與兩端溫度有關(guān)。只有將冷端的溫度恒定，熱電動勢才是熱端溫度的單值函數(shù)。由于熱電偶分度表(見下頁)是以冷端溫度為0℃時作出的，因此在使用時要正確反映熱端溫度(被測溫度)，最好設(shè)法使冷端溫度恒為0℃。熱電偶的分度表

——熱電偶的線性較差，多數(shù)情況下采用查表法

我國從1991年開始采用國際計量委員會規(guī)定的“1990年國際溫標”(簡稱ITS-90)的新標準。按此標準，制定了相應(yīng)的分度表，并且有相應(yīng)的線性化集成電路與之對應(yīng)。工程上所使用的各種類型的熱電偶均把E(t)和t的關(guān)系制成易于查找的表格形式，這種表格稱為熱電偶的分度表。

熱電偶的分度表熱電偶分度表熱電偶分度表幾種常用熱電偶的熱電勢與溫度的關(guān)系曲線分析

思考：

1)哪幾種熱電偶的測溫上限較高？

2)哪一種熱電偶的靈敏度較高？

3)哪一種熱電偶的靈敏度較低？

4)哪幾種熱電偶的線性較差？為什么所有的曲線均過原點(零度點)？如何查分度表直接從熱電偶的分度表查溫度與熱電勢的關(guān)系時的約束條件是：自由端（冷端）溫度必須為0C。如何利用熱電偶的分度表

假設(shè)熱電偶的冷端溫度為0C，請根據(jù)工業(yè)中常用的鎳鉻-鎳硅(K)熱電偶的分度表，查出－100C、0C、100C時的熱電勢。數(shù)字式溫度表溫度上限設(shè)定值溫度上限值設(shè)定鍵K熱電偶

的分度表比較查出的3個熱電勢，可以看出熱電勢是否線性？4.1.5熱電偶的參比端處理但在實際應(yīng)用中，熱電偶的冷端通常靠近被測對象，且受到周圍環(huán)境溫度的影響，其溫度不是恒定不變的。當熱電偶冷端處在溫度波動較大的地方時，必須首先使用補償導線將冷端延長到一個溫度穩(wěn)定的地方，再考慮將冷端處理為0℃。為此，必須采取一些相應(yīng)的措施進行補償或修正，常用的方法有以下幾種：幾種冷端處理方法1)熱電偶冷端溫度恒溫法2)計算修正法3)補償導線法4)冷端補償電橋法§4.1.5

熱電偶冷端處理和補償1.0℃恒溫法

這種方法是將熱電偶的參比端保持在穩(wěn)定的0C環(huán)境中。這是一種實驗室常用的方法，也稱冰浴法。在1個標準大氣壓下(101.325kPa)，冰和純水的平衡溫度為0℃。根據(jù)這個原理可以制成0℃的恒溫器冰點槽，即：使冷端直接置于0℃下，采取的措施是將冷端直接置于裝有冰水混合物的保溫容器中，冰點槽法是一個準確度很高的參比端處理方法。特點：精度很高，比較麻煩，僅限于實驗室用。1.0℃恒溫法2.熱電勢修正法

在實際應(yīng)用中，熱電偶的參比端往往不是0oC，而是環(huán)境溫度，這時測量出的回路熱電勢要小，因此必須加上環(huán)境溫度與冰點之間溫差所產(chǎn)生的熱電勢后才能符合熱電偶分度表的要求。

可用室溫計測出環(huán)境溫度T1，從分度表中查出的E(T1,0)值，然后加上熱電偶回路熱電勢E(T,T1)，得到E(T,0)值，反查分度表即可得到準確的被測溫度值。鎳鉻－鎳硅熱電偶分度表例：用鎳鉻--鎳硅(K型)熱電偶測溫，熱電偶參比端溫度為30℃。測得的熱電勢為28mV，求熱端溫度。反查K分度表T=701.5℃計算修正曲線:2計算修正法§4.1.5

熱電偶的冷端處理和補償圖2.20參比端溫度的計算修正方法由于熱電勢的非線性，因此熱電勢是溫度函數(shù)的差，而不是溫差的函數(shù)。參比端溫度的計算修正法如圖2.20所示。例：用鎳鉻-鎳硅K型熱電偶測爐溫，當冷端溫度為35℃(且為恒定時)，測出熱端溫度為t時的熱電動勢為33.339mV，求爐子的真實溫度。E(t,35)=33.339mV

由K型熱電偶分度表查出E(35,0)=1.407mVE(t,0)＝E(t,35)+

E(35,0)=

34.746mV

再通過分度表查出其對應(yīng)的實際溫度為：t=836℃2.熱電勢修正法例：用銅-康銅熱電偶測某一溫度t，參比端在室溫環(huán)境tn中，測得熱電動勢E(t,tn)=1.999mV，又用室溫計測出tn=21℃，求實際溫度t。解：查T分度號表得E(21,0)=0.830mV，故：

E(t,0)=E(t,21)+E(21,0) =1.999+0.830 =2.829(mV)

再次查分度表，得實際溫度t=68℃。注意：分度表中68℃對應(yīng)2.820mV，69℃時的熱電勢為2.864mV，實際溫度應(yīng)采用插值法計算出來。例：用銅-康銅熱電偶測量某介質(zhì)溫度，冷端置于恒溫室內(nèi)t0=20℃，測出熱電偶輸出的熱電勢為-6.282mV，求該介質(zhì)溫度為多少？

解：根據(jù)冷端溫度t0=20℃查表，得E(t0,0℃）=0.789mV，則有

e(t,0℃）=e(t,t0)+e(t0,0℃)=-6.282+0.789=-5.493mV

用此電勢值再查表，得該介質(zhì)溫度79.56K2.熱電勢修正法3.補償導線實際中使用的熱電偶，尤其是貴金屬熱電偶往往是長度一定，結(jié)構(gòu)固定的，由于測溫現(xiàn)場溫度波動不定，這就往往需要將其參考端移至遠離被測對象，且溫度場較穩(wěn)定的場合。這可以采用在一定溫度范圍內(nèi)其熱電特性與所配的熱電偶基本一致，而且價格較便宜的補償導線來作為熱電偶絲的延伸部分。根據(jù)中間溫度定律，補償導線的引入并不會影響熱電偶的熱電勢。補償導線就是用熱電性質(zhì)與熱電偶相近的材料制成導線，用它將熱電偶的參比端延長到需要的地方，而且不會對熱電偶回路引入超出允許的附加測溫誤差。原理：在一定溫度范圍內(nèi)，與配用熱電偶的熱電特性相同的一對帶有絕緣層的廉金屬導線為補償導線，可將冷端延長。3.補償導線3補償導線法 補償導線是在一定溫度范圍內(nèi)(包括常溫)具有與所匹配的熱電偶的熱電動勢的標稱值相同的一對帶有絕緣層的導線。用它們連接熱電偶與測量裝置，從而可將熱電偶的參比端移到離被測介質(zhì)較遠且溫度比較穩(wěn)定的場合，以免參比端溫度受到被測介質(zhì)的熱干擾。t0’變化頻繁t0較為穩(wěn)定1）、補償導線類型(1)按結(jié)構(gòu)可分為普通型和帶屏蔽層型；(2)按補償原理分為補償型及延伸型兩種；(3)按使用溫度可分為一般用(0～100℃)和耐熱用(0～150℃)；(4)按精度可分為普通級與精密級。2）、補償導線作用(1)用廉價的補償導線作為貴金屬熱電偶的延長導線，以節(jié)約貴金屬熱電偶；(2)將熱電偶的參比端遷移至離被側(cè)對象較遠且環(huán)境溫度較恒定的地方，有利于參比端溫度的修正和測量誤差的減少；(3)用粗直徑和導電系數(shù)大的補償導線作為熱電偶的延長線，可減小熱電偶回路電阻，以利于動圈式儀表的正常工作。3）、補償導線的使用(1)各種補償導線只能與相應(yīng)型號的熱電偶用；(2)使用時必須各級相連，切勿將其極性接反；(3)熱電偶和補償導線連接點的溫度不能超過規(guī)定的使用溫度范圍，規(guī)定為0~100℃及0~150℃兩種。隨著熱電偶的標準化，補償導線也形成了標準系列。國際電工委員會也制定了國際標準，適合于標準化熱電偶使用。4.冷端補償器（電橋補償）法

利用直流不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補償熱電偶冷端溫度變化而引起的熱電勢的變化值.冷端補償器是一個直流不平衡電橋，在它的四個橋臂中有一個是銅電阻作為測溫元件，其余三個臂由阻值恒定的錳銅電阻制成。電橋與熱電偶的連接如圖2.21所示。

圖2.21冷端補償器的原理圖

橋臂銅電阻RCu必須和熱電偶的冷端處于同一溫度下。電橋在0℃設(shè)計的RCu的阻值與其余三個橋臂電阻相等，這時電橋處于平衡狀態(tài)，圖中b和a之間的電壓Uba=0(冷端補償器輸出電壓)。當冷端t0>0℃時，熱電偶電勢將減少，RCu增大，使電橋不平衡，出現(xiàn)Uba>0。這時Uba與熱電勢E(T,T0)同向串聯(lián)，電勢相加增大，起到了補償作用，相當于把熱電偶冷端置于0℃，完成了熱電偶冷端處理和補償功能。4冷端補償電橋法§4.1.5

熱電偶的冷端處理和補償參比端置于現(xiàn)場正常環(huán)境中，溫度變動范圍不大，在工業(yè)現(xiàn)場實際測量溫度時，智能化儀器增加1路測量參比端溫度t1的電路，測量參比端的感溫元件可采用價格十分低廉的銅電阻或半導體集成溫度傳感器AD590或DS182。EAB(t,t1)是由智能化儀器通過測量端和參比端輸入回路直接測得，EAB(t1,0)則由智能化儀器根據(jù)另一路測得的參比端環(huán)境溫度t1，通過查存入儀器程序存儲器中的對應(yīng)熱電偶分度表得到，兩者相加求得EAB(t,0)；再由儀器存儲器中的對應(yīng)熱電偶分度表得到熱電偶測量端的真實溫度t的數(shù)值。這種方法對各種標準化與非標準化熱電偶均適用，成本低廉，補償精度高，目前已被各種智能化熱電偶測溫控溫儀器廣泛采用。冷端補償器使用方法補償電橋法裝置已形成產(chǎn)品，簡稱為補償器。選用補償器時應(yīng)與所使用熱電偶型號對應(yīng)。4.冷端補償器（電橋補償）法5儀表機械調(diào)零法(現(xiàn)場近似法)

在不需精確測量的前提下，且熱電偶冷端溫度較為穩(wěn)定，可將顯示儀表的機械零點先調(diào)整到t0℃(按溫度刻度)或者毫伏E(t0,0)(按毫伏刻度)，從而實現(xiàn)近似補償，參見下圖。 該法常見于動圈式儀表中。指針被預(yù)調(diào)到冷端溫度(40C)4.1.6熱電勢的測量動圈式溫度指示儀直流電位差計數(shù)字式電壓表數(shù)據(jù)采集卡熱電勢測量常用儀表：動圈式儀表、電位差計、數(shù)字式電壓表動圈式儀表：測量電流/端電壓測量線路：熱電偶、補償電路、外電路可調(diào)電阻和動圈儀表動圈儀表的內(nèi)線路電阻是一定的，要求外線路電阻規(guī)定為15Ω外線路電阻：熱電偶電阻、補償電橋等效電阻、引線電阻和外線調(diào)整電阻—>15ΩR1dcRsRCubateR3R2RCRTRBR調(diào)RD熱電偶補償電路外電路可調(diào)電阻動圈式儀表4.1.6熱電勢的測量熱電勢測量直流電位差計：與已知的標準電勢相比較