大物實驗熱電偶制作與測溫

熱電偶的制作與測溫

報告人：***小組成員：************華東師范大學2012年12月14日當前1頁，總共36頁。第一部分實驗?zāi)康?.探究人點偶的測量原理2.了解溫差電熱與不同材料間的關(guān)系3.學習制作熱電偶的方法4.學會熱電偶的定標及測溫的方法當前2頁，總共36頁。

第二部分實驗原理

熱電偶的測溫原理

熱電偶溫度計以熱電偶作為感溫元件，一般用于測量500℃以上的高溫，長期使用時其測溫上限可達1300℃，短期使用時可達1600℃，特殊材料制成的熱電偶可測量的溫度范圍為2000～3000℃。

特點：熱電偶具有性能穩(wěn)定、測溫高、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、經(jīng)濟耐用、容易維護和體積小等優(yōu)點，還便于信號遠傳和實現(xiàn)多點切換測量。

應(yīng)用：電廠生產(chǎn)過程中的主蒸汽溫度、過熱器管壁溫度、煙氣高溫等都是采用熱電偶來測量的。

當前3頁，總共36頁。熱電偶測溫主要利用熱電現(xiàn)象1、熱電現(xiàn)象(塞貝克效應(yīng)）熱電偶由兩種不同材料的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）A和B組成。A、B是熱偶絲，也叫熱電極。放在被測對象中，感受溫度變化的那端稱為熱端另一端稱為冷端。當熱端和冷端溫度不同時回路中有電流流過，此電流稱為熱電流，產(chǎn)生熱電流的電動勢稱為熱電勢，這種物理現(xiàn)象稱為熱電現(xiàn)象。熱電偶

理論和實踐都證實，熱電現(xiàn)象中產(chǎn)生的熱電勢是由接觸電勢和溫差電勢兩種電勢的綜合效果。當前4頁，總共36頁。當前5頁，總共36頁。二、熱電偶的基本定律

這些定律已在理論分析和實踐中得到證明，對保證熱電偶正確測量溫度至關(guān)重要。

1、均質(zhì)導(dǎo)體定律

該定律內(nèi)容是：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、長度和各處溫度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢。

結(jié)論：

（1）熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的材料構(gòu)成。

（2）由一種材料組成的閉合回路存在溫差時，回路如產(chǎn)生熱電勢，便說明該材料是不均勻的。據(jù)此，可檢查熱電極材料的均勻性。

當前6頁，總共36頁。2、中間導(dǎo)體定律

該定律內(nèi)容是：由不同材料組成的閉合回路中，若各種材料接觸點的溫度都相同，則回路中熱電勢的總和等于零。結(jié)論：

（1）在熱電偶回路中接入第三種均質(zhì)材料，只要保證所接入材料兩端溫度相同，就不會影響熱電偶的熱電勢。下圖為兩種接入中間導(dǎo)體的熱電偶回路。

當前7頁，總共36頁。1.顯示儀表接入熱電偶回路時，只要保證連接導(dǎo)線和顯示儀表接入熱電偶回路時兩連接端的溫度相同，就不會改變回路熱電勢。

2.熱電偶的熱端焊接點也相當于第三種金屬，只要它與熱電極接觸良好，整個接點溫度一致，也不會影響熱電偶回路的熱電勢。當前8頁，總共36頁。3.中間溫度定律

已知熱電偶在某一給定冷端溫度下進行的分度，只要引入適當?shù)男拚?，就可在另外的冷端溫度下使用?/p>

該定律為制定和使用熱電偶的熱電勢一溫度關(guān)系即分度表奠定了理論基礎(chǔ)。

因為熱電偶分度表是在冷端溫度t0=0℃時熱電勢與熱端溫度的關(guān)系，根據(jù)中間溫度定律便可以算出任何冷端溫度時的熱電勢值。

EAB（t，0）＝EAB（t，tn）＋EAB（tn，0）當前9頁，總共36頁。需要說明的幾個問題：

分度表的建立

熱電偶分度表是在冷端溫度t0=0℃時熱電勢與熱端溫度的關(guān)系，可用表格形式給出，不同材料制成的熱電偶有不同的分度表。

注意：熱電偶的熱電勢與熱端溫度的關(guān)系一般為非線性關(guān)系。當前10頁，總共36頁。確定了某一熱電偶的材料質(zhì)的情況下：式中a,b為電偶常熟，t為熱端溫度，t0為冷端溫度。當前11頁，總共36頁。

（1）熱電偶的熱電勢是熱電偶兩端溫度的函數(shù)之差，其大小取決于熱電偶兩個熱電極材料的性質(zhì)和兩端接點溫度，而與熱電極幾何尺寸無關(guān)。

（2）如果保持熱電偶冷端溫度t0恒定不變，對一定材料的熱電偶，其eAB（t0）亦為常數(shù)，設(shè)為C，則熱電偶的熱電勢只與熱電偶熱端溫度t有關(guān)，若測得EAB(t,t0)值，便可知溫度t值，這就是熱電偶測溫原理。即

EAB(t,t0)=fAB(t)–C

我們選取0攝氏度為冷端參考端，C等于零。當前12頁，總共36頁。

標準化熱電偶與非標準化熱電偶

所謂標準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)良而穩(wěn)定并已列入專業(yè)或國家工業(yè)標準化文件中的那些熱電偶。由于標準化文件對同一型號的標準化熱電偶規(guī)定了統(tǒng)一的熱電極材料及其化學成分、熱電性質(zhì)和允許偏差，也就是說標準化熱電偶具有統(tǒng)一的分度表。對于同一型號的標準化熱電偶具有互換性、使用十分方便。

非標準化熱電偶是為適應(yīng)更高或更低的溫度以及特殊的介質(zhì)氣氛而出現(xiàn)的,它們沒有統(tǒng)一的國家標準和統(tǒng)一的分度號。它們是標準化熱電偶的補充。當前13頁，總共36頁。常用的標準化熱電偶

?鉑銠10-鉑熱電偶（分度號S）

?鉑銠13-鉑熱電偶（分度號R）

?鉑銠30-鉑銠6熱電偶（分度號B）

?鎳鉻一鎳硅（鎳鉻一鎳鋁）熱電偶（分度號K）

?鎳鉻硅一鎳硅鎂熱電偶（分度號N）

?鎳鉻一康銅熱電偶（分度號E）

?鐵一康銅熱電偶（分度號J）

?銅一康銅熱電偶（分度號T）

注意了解各種標準化熱電偶的分度號、特點。當前14頁，總共36頁。當前15頁，總共36頁。熱電偶冷端溫度處理

對熱電偶冷端溫度進行處理的原因

熱電偶的測溫原理表明：熱電偶的熱電勢是兩個接點溫度的函數(shù)差，只有當冷端溫度不變時，熱電勢才是熱端溫度的單值函數(shù)。但在實際應(yīng)用中，熱電偶冷端所處環(huán)境溫度總有波動，從而使測量得不到正確結(jié)果，因此必須對熱電偶冷端溫度變化的影響采取補償措施，使熱電偶的熱電勢只反映熱端溫度（被測溫度）的變化，而不受冷端溫度變化的影響。當前16頁，總共36頁?？偟膩碚f，只有兩種均質(zhì)的導(dǎo)體組成的熱電偶在冷端熱端具有溫差的時候才會有熱電勢。并且材料確定后，熱電勢置于溫度有關(guān)，是溫度的二次函數(shù)。當前17頁，總共36頁。實驗步驟1.測溫差電動勢連接好實驗裝置，如前面的圖，將熱電偶熱端置燒燒水壺中，將熱電偶冷端置于保溫杯的冰水混合物（0攝氏度），醬燒水壺中的水加熱至100攝氏度，讀出臺式萬用表上顯示的文差電動勢。2.熱電偶定標如步驟一，隨著熱水壺中的水降溫，每隔5攝氏度。度并記錄溫差電動勢，而熱電偶冷端保持不變（0攝氏度）。做出熱電偶定標曲線。這里我們用的是比較法當前18頁，總共36頁。當前19頁，總共36頁。3.擬合定標曲線分別用一次曲線，和二次曲線去擬合定標曲線，進行多項式回歸顯著性檢驗4.估計室溫值利用制成的簡單熱電偶“溫度計”測量室溫，根據(jù)曲線求出室溫。比較當天天氣預(yù)報。當前20頁，總共36頁。注意事項①引線接點處要防水以防短路;②引線的正負極一定要與熱電偶的正負極相對應(yīng),否則會引起測量誤差;③冷端保持恒定，最好0℃減小動態(tài)誤差:盡量④縮小熱電偶測量端的體積,以減小測量端的熱容量,提高響應(yīng)速度。⑤使用的檢測記錄儀表采集數(shù)據(jù)時選取時間間隔盡量小,達到秒級為宜;⑥根據(jù)熱電偶的最高使用溫度選擇合適的絕緣材料,保證在整個測溫范圍內(nèi)都能有足夠的絕緣電阻;⑦多點測量時,選擇熱電偶要性能穩(wěn)定和一致性好的類型;⑧在測溫過程中定期對熱電偶進行溫度標定當前21頁，總共36頁。實驗數(shù)據(jù)記錄當前22頁，總共36頁。線性回歸模型當前23頁，總共36頁。當前24頁，總共36頁。二次回歸模型當前25頁，總共36頁。線性回歸與二次回歸比較可以看到相關(guān)系數(shù)R2分別為0.999和1.000擬合效果都特別好，而且可一看到在二次回歸中，a=4.211E-5÷b=0.11%。所以完全可以用線性回歸來代替二次回歸來描銅康銅熱電偶定標曲線當前26頁，總共36頁。結(jié)論通過對銅-康銅熱電偶的制作標定及多項式回歸分析表明,銅-康銅熱電偶的制作簡單,測頭光滑、無污染、不斷偶、一致性好、擬合優(yōu)度好。無論是線性擬合,還是二次擬合都能滿足測溫精度的要求。銅-康銅熱電偶在日常生產(chǎn)生活中,采用線性擬合,便于直接計算;利用二次擬合可獲得更為準確的銅-康銅熱電偶的分度表。銅-康銅熱電偶測溫靈敏度高,熱電勢值大,測溫精度高,一致性好,價格低廉在使用銅-康銅熱電偶時,為了保證測溫的準確度,要注意參考端溫度、動態(tài)誤差、測量端的絕緣性能等幾個方面的問題。當前27頁，總共36頁。估計室溫當日閔行最高氣溫12度。測得室溫對應(yīng)的是0.620mV，帶入曲線得到溫度17.7度，比室外高五度？是開空調(diào)了還是我們大家能夠呼出來五度。當前28頁，總共36頁。誤差1.電偶是否接觸良好，是否表面光滑不斷偶。2.熱電偶直徑過大，也會影響精度。3.冷端溫度變化增加了動態(tài)誤差。4導(dǎo)體不均勻。有附加熱電勢5.熱端接觸不良。6.被實驗多次了的熱電偶絕緣變差從而對熱電勢有損耗，導(dǎo)線破了漆包線也是如此7.熱電偶的熱惰性及測量端過大8.顯示儀表誤差。9.還有其他如電路連接不當接觸不良操作不當?shù)?。及偶然誤差。當前29頁，總共36頁。幾點小結(jié)與小思考1.為什么在一次二次擬合曲線中，都出現(xiàn)了常數(shù)項？①.測溫端不恒為零，略比零度低。②.測量誤差及偶然誤差③.該電偶利用次數(shù)較多，含有雜質(zhì)，不均勻，導(dǎo)電性不好。2.查銅康銅的分度表，發(fā)現(xiàn)我的曲線每個溫度對應(yīng)的熱電勢比標準值低。以90℃為例，標準值為3.813我測3.652。誤差4.2%。原因和上面三條相同。當前30頁，總共36頁。思考題1.要不同的導(dǎo)電材料。必須均勻的兩種導(dǎo)體，否則會產(chǎn)生附加熱電勢干擾。2.不能，錫熔點低。還會引進第三種金屬。但可以用熱鍍錫膜。3.冰水混合物。可以不取0度，可以采用恒溫箱保持冷端恒定，但是實驗成本增加。4.不可以，電流過小，導(dǎo)線電阻也會帶來誤差5.用一次二次曲線定標，定標之后得到關(guān)系式?？梢郧笠欢ǚ秶鷥?nèi)任意溫度。當前31頁，總共36頁。6.插在冷端的鐵絲是第三種金屬。第二問兩個接頭溫度相同。7.不可以室溫波動較大，而我們知道熱電偶實質(zhì)是測溫度差的，冷端溫度變化大，無法準確測量熱端溫度了8.應(yīng)該可以吧，這個可不可以測比參照端的請各位指教。9.通過本實驗，我認識到了電學對于測量世界的重要對于數(shù)字化世界的重要，物理量都可以轉(zhuǎn)化為電學進行數(shù)字化測量。比如力傳感器速度計油箱計、光傳感器……當我們一個物理量不易測量時，就要轉(zhuǎn)換測量方法，此是心得一。其二，溫度計是用已知溫度定標，去測未知溫度，比如熱敏電阻應(yīng)用于高溫鐵爐，實際上爐子里的溫度我們不知道的。而溫度計已經(jīng)證實在已知溫度范圍內(nèi)成立了。這就是推廣了。當前32頁，總共36頁。當前33頁，總共36頁。思考：為什么熱電偶不直接用銅線直接引出電勢信號？

我國規(guī)定補償導(dǎo)線分為補償型和延伸型兩種。補償型補償導(dǎo)線的材料