第二章-熱電偶原理課件

熱電偶測溫技術(shù)課程綱要溫度測定方法概述熱電偶的背景及特點(diǎn)熱電偶三大定律熱電偶種類及結(jié)構(gòu)熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線及二次儀表熱電偶使用時(shí)誤差熱電偶的具體應(yīng)用ITS-90國際實(shí)用溫標(biāo)溫度單位熱力學(xué)溫度（符號(hào)為T）的單位為開爾文（符號(hào)為K），定義為水三相點(diǎn)的熱力學(xué)溫度的1/273.16國際溫標(biāo)ITS-90的通則ITS-90由0.65K向上到普朗克輻射定律使用單色輻射實(shí)際可測量的最高溫度四個(gè)溫區(qū)第一溫區(qū)為0.65K到5.00K之間,由3He和4He的蒸氣壓與溫度的關(guān)系式來定義。第二溫區(qū)為3.0K到氖三相點(diǎn)(24.5661K)之間，用氦氣體溫度計(jì)來定義.第三溫區(qū)為平衡氫三相點(diǎn)(13.8033K)到銀的凝固點(diǎn)(961.78℃)之間,

由鉑電阻溫度計(jì)來定義.銀凝固點(diǎn)(961.78℃)以上的溫區(qū),

按普朗克輻射定律來定義的,復(fù)現(xiàn)儀器為光學(xué)高溫計(jì)溫度測定方法的分類接觸式測溫膨脹式溫度計(jì)，測溫范圍為-200～600℃，就地測量壓力表式溫度計(jì)，測溫范圍為-0～600℃，近距離熱電阻溫度計(jì)，測溫范圍為-200~960℃，遠(yuǎn)距離熱電偶溫度計(jì)，測溫范圍寬，遠(yuǎn)距離非接觸式測溫光學(xué)輻射式高溫計(jì)紅外輻射儀，適于測量較低溫度溫度計(jì)的選擇原則使用溫度范圍、準(zhǔn)確度等級(jí)及測量誤差是否能達(dá)到要求響應(yīng)速度、互換性及可取性如何讀數(shù)、記錄、控制、報(bào)警等操作是否方便使用壽命，耐熱、耐蝕、抗震性能如何價(jià)格高低熱電偶的由來（1）1819年哥本哈根的H.C.Oersted電變磁現(xiàn)象法拉第在其后用了十年時(shí)間發(fā)現(xiàn)了磁變電現(xiàn)象熱電效應(yīng)由德國醫(yī)生T.J.Seebeck于1821年發(fā)現(xiàn)Seebeck效應(yīng)部分用Cu部分用Bi的電路來研究奧斯特的實(shí)驗(yàn)沒加電流時(shí)磁針偏轉(zhuǎn)熱磁效應(yīng)熱電效應(yīng)－奧斯特?zé)犭娕嫉挠蓙恚?）由A.C.Becquerel于1823年把熱電效應(yīng)應(yīng)用于測溫實(shí)踐，“相加定律”Pouillet研制了Pt-Fe熱電偶LeChatelier開發(fā)了真正適用的高溫計(jì)PtRh10-Pt熱電偶的發(fā)展（1）1821～第一次世界大戰(zhàn)采用的配對(duì)法：將感興趣的待試材料直接配成熱電偶，實(shí)驗(yàn)測定該熱電偶的熱電勢特性。多年來實(shí)測了近300種熱電材料組合的熱電特性。熱電溫度計(jì)制造廠生產(chǎn)的二次儀表也開始建立了統(tǒng)一的分度表對(duì)材料提出了控制質(zhì)量，符合一定規(guī)范的要求，引起對(duì)材料性能研究的重視。熱電偶的發(fā)展（2）第一次世界大戰(zhàn)后40年對(duì)材料熱電性能的研究的重視，對(duì)金屬和合金熱電性理論的研究在出現(xiàn)了空前的熱潮。比較法：選擇一種熱電性能穩(wěn)定，化學(xué)性能好的材料作標(biāo)準(zhǔn)電極．各種被試材料分別與標(biāo)準(zhǔn)電極組成熱電偶，測定這些熱電偶的熱電勢－溫度特性曲線。1958年，美國標(biāo)準(zhǔn)局正式推薦用此法作為熱電偶材料試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)方法。熱電偶的發(fā)展（3）60年代至今對(duì)材料熱電性能和測試方法十分重視，在發(fā)展新型熱電偶材料方面取得了不少成績．鎧裝熱電偶材料得到普遍推廣使用，產(chǎn)品規(guī)格和性能試驗(yàn)多已標(biāo)準(zhǔn)化．分析法：以現(xiàn)代熱電理論為指導(dǎo)，綜合冶金、物理、化學(xué)的理論與經(jīng)驗(yàn)規(guī)律來進(jìn)行熱電偶合金的性能研究和綜合設(shè)計(jì)。國際比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果：PtRh－Pt標(biāo)準(zhǔn)熱電偶復(fù)現(xiàn)溫標(biāo)的精度遠(yuǎn)低于高溫鉑電阻．故在1990年修訂國際實(shí)用溫標(biāo)時(shí)，熱電偶不再被當(dāng)作溫標(biāo)的標(biāo)推儀器使用，代之以標(biāo)推高溫鉑電阻溫度計(jì)。熱電偶的特點(diǎn)可將溫度直接轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，測量調(diào)節(jié)控制放大和變換都很容易進(jìn)行，既有利于遠(yuǎn)距離傳送，便于集中管理，又很適合就地自動(dòng)控制和電子計(jì)算機(jī)處理。價(jià)格低廉，國際標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品容易獲得，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，安裝、維修、保養(yǎng)都很方便。測溫精度較高，經(jīng)單支分度可達(dá)0.1℃。工業(yè)月S型和R型熱電偶的精度可達(dá)0.1%t(t為校測溫度)。測溫范圍廣，如E型等熱電偶可測-200~700℃，而S、R型熱電偶可測從0~1600℃．可以測量小物體的溫度分布甚至點(diǎn)溫?？梢詼y量表面溫度、高速過程的瞬變溫度，其最大特點(diǎn)是可以測量溫差。14氣體出口(偶聯(lián)接口)石英爐套反應(yīng)性氣體出口恒溫天平室天平室保護(hù)性氣體進(jìn)口測試爐樣品室開關(guān)電動(dòng)機(jī)清潔氣體或抽真空口隔熱擋板樣品盤樣品溫度傳感器爐溫傳感器電加熱片反應(yīng)性氣體進(jìn)口加熱爐外罩平行支架超微量或微量天平熱電偶的缺點(diǎn)熱電偶受測溫現(xiàn)場環(huán)境氣氛的限制測溫精度難于達(dá)到土0.1％以上參考端溫度要恒定(如在0℃)，若偏離參考溫度，必須進(jìn)行補(bǔ)償，或使用補(bǔ)償導(dǎo)線，從而增加經(jīng)費(fèi)．在高溫下使用或長期工作時(shí)，由于熱電勢不穩(wěn)定，將產(chǎn)生示值漂移，需要進(jìn)行定期檢定或修正均質(zhì)回路定律用一種均勻的金屬導(dǎo)體構(gòu)成的回路，單靠局部加熱或冷卻或改變其橫截面積的方法絕不能在其中保持電流中間金屬定律如果回路的所有部分都處于同一均勻的溫度，則由任何多種不同導(dǎo)體構(gòu)成的回路中的熱電動(dòng)勢之代數(shù)和為零參考電極定律中間溫度定律為制定熱電偶的熱電勢－溫度關(guān)系分度表奠定理論基礎(chǔ)為工業(yè)測溫中應(yīng)用補(bǔ)償導(dǎo)線提供了理論依據(jù)熱電偶種類（1）鉑銠10－鉑熱電偶(s型熱電偶)準(zhǔn)確度最高,穩(wěn)定性最好,測溫溫區(qū)寬,使用壽命長，1300/1600熱電勢率較小，靈敏度低，抗污染性差，價(jià)格昂貴鉑銠13－鉑熱電偶(R型熱電偶)與S型熱電偶性能相當(dāng)主要用于進(jìn)口設(shè)備上測溫鉑銠30－鉑銠6電偶(B型熱電偶)與S型熱電偶性能相當(dāng)測溫上限高，可達(dá)1600/1800.參考端通常不用補(bǔ)償導(dǎo)線補(bǔ)償熱電偶種類（2）鎳鉻－鎳硅熱電偶(K型熱電偶)價(jià)格便宜，用量最大，其用量為其他熱電偶的總和線性度好、熱電勢大、靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性較好鎳鉻硅－鎳硅熱電偶(N型熱電偶)與K型性能相當(dāng)，某些方面由于K型鎳鉻－銅鎳（康銅）熱電偶(E型熱電偶)熱電偶電動(dòng)勢最大，靈敏度最高，可制成熱電堆，測量微小的溫度變化。熱電偶種類（3）鐵－銅鎳（康銅）熱電偶(J型熱電偶)不僅可適用與氧化和惰性氣氛，還可適用于還原氣氛銅－銅鎳（康銅）熱電偶(T型熱電偶)最佳的測量低溫的廉金屬熱電偶，－200～350度在－200～0區(qū)間內(nèi)穩(wěn)定性很好鎢錸熱電偶（WRe3-WRe25/WRe5-WRe26)綜合性能與S型相當(dāng)，但價(jià)格便宜，在鋼廠使用很多最高溫度2300度，能在還原氣氛下使用，不適用于氧化氣氛熱電偶線徑和溫度關(guān)系熱電偶結(jié)構(gòu)裸露熱電偶裝配式熱電偶鎧裝熱電偶裸露熱電偶兩根成分不同的裸熱電極焊在一起，構(gòu)成測量接點(diǎn)未考慮熱電極的電絕緣問題套以絕緣管（瓷管）－絕緣熱電偶裝配式熱電偶絕緣熱電偶外面加保護(hù)套管－裝配式熱電偶穩(wěn)定、安裝簡便、操作容易尺寸較大，滯后時(shí)間長接線盒類型鎧裝熱電偶由金屬套管、絕緣材料（一般為氧化鎂粉）和熱電偶線三者組合而成的堅(jiān)實(shí)體。按測量端：絕緣型、接殼型、露端型和分離式絕緣型；按固定裝置：無、卡套式、螺紋、法蘭等測量范圍大和反應(yīng)速度快安裝使用方便使用壽命長，機(jī)械強(qiáng)度和耐壓性能好從0.25mm~12mm直徑范圍，最大長度可到500m鎧裝熱電偶測量端響應(yīng)時(shí)間舉例壓簧固定式熱電偶爐壁表面熱電偶多點(diǎn)式熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線為了使熱電偶的冷端溫度保持恒定(最好為0℃)，可把熱電偶做得很長這種方法一方面安裝使用不方便，另一方面也要多耗費(fèi)許多貴重的金屬。在一定溫度范圍內(nèi)，具有與所匹配的熱電偶的熱電動(dòng)勢標(biāo)稱值相同的一對(duì)帶絕緣包覆的導(dǎo)線叫補(bǔ)償導(dǎo)線，用它們將熱電偶與測量裝置聯(lián)接，以補(bǔ)償熱電偶連接處的溫度變化所產(chǎn)生的誤差補(bǔ)償導(dǎo)線特點(diǎn)補(bǔ)償導(dǎo)線合金絲、絕緣層、護(hù)套、屏蔽層改善熱電偶測溫線路的物理性能和機(jī)械性能，采用多股線芯或小直徑補(bǔ)償導(dǎo)線可提高線路的撓性，使接線方便，也可調(diào)節(jié)線路電阻或屏蔽外界干撓；降低測量線路成本，當(dāng)熱電偶與測量裝置距離很遠(yuǎn)．使用補(bǔ)償導(dǎo)線可以節(jié)省大量的熱電偶材料，特別是使用貴金屬熱電偶時(shí)，經(jīng)濟(jì)效益更為明顯。美安捷倫公司生產(chǎn)的HP34970A可配置成20至120個(gè)通道，0.004%基本直流精度，250通道/秒掃描速率，50000個(gè)讀數(shù)存貯直接測量熱電偶、電阻溫度檢測器、熱敏電阻、直流電壓、交流電壓、電阻、直流電流、交流電流、頻率和周期。標(biāo)準(zhǔn)HP-IB和RS232接口，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳熱電偶使用時(shí)的誤差熱電偶本身精度所導(dǎo)致的誤差測量過程由于測量方法也容易引起誤差熱區(qū)誤差影響熱電偶測量結(jié)果的誤差源是“熱分流”熱電偶的理想安裝方法，應(yīng)當(dāng)避免產(chǎn)生熱分流誤差，還應(yīng)當(dāng)保證接近熱電偶測量端的熱電極(具有足夠長度)與被測物體溫度相等．為了使熱電偶的測量端與被測物體溫度一致，通常采用5倍到10倍熱電偶直徑的長度作為熱電偶測溫時(shí)的“最小浸沒深度”．如果熱電仍直徑很粗，或者是良導(dǎo)體，浸沒深度為10倍直徑也許還不夠。溫度梯度區(qū)誤差熱電勢是產(chǎn)生在這一區(qū)域。因偶絲遭受嚴(yán)重污染或發(fā)生不可逆效應(yīng)從而使其熱電特性與其原始的標(biāo)準(zhǔn)分度特性嚴(yán)重偏離所引起的測溫誤差，稱為“蛻變”誤差或“飄移”。不同種類的標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，不僅其標(biāo)準(zhǔn)分度特性不一樣，而且在抗沾污能力、抗時(shí)效、耐高溫等方面也有不同．因此，選擇熱電偶的型號(hào)就成為一個(gè)很重要的事情．補(bǔ)償導(dǎo)線區(qū)誤差注意在低溫區(qū)補(bǔ)償導(dǎo)線的熱電特性須和熱電偶的熱電特性接近熱電極與補(bǔ)償導(dǎo)線合金絲之間的接點(diǎn)應(yīng)盡量保持在等溫區(qū)以避免由于接插件引起的附加誤差。補(bǔ)償導(dǎo)線的極性不要接反，否則會(huì)引起重大誤差。參考端區(qū)誤差假如想從測得的熱電勢來知道熱點(diǎn)溫度，則參考端溫度很重要而且必須知道。兩根熱電極的參考端溫度必須一致，否則會(huì)產(chǎn)生誤差。銅導(dǎo)線應(yīng)選取高質(zhì)量、表面不涂錫的以避免產(chǎn)生其他誤差源．在某些情況下，比如從熱接點(diǎn)到電測儀表的距離相當(dāng)長時(shí)，則可用普通銅電纜來代替合金熱電極或補(bǔ)償導(dǎo)線，以達(dá)到節(jié)約目的。電測儀表區(qū)誤差當(dāng)使用高質(zhì)量的電位差計(jì)進(jìn)行測量熱電動(dòng)勢時(shí)測量誤差是很小的，但用較高速的如模擬－數(shù)字轉(zhuǎn)換器或計(jì)算機(jī)進(jìn)行測量時(shí)，常常會(huì)引進(jìn)約10℃的測量誤差。如何減少管內(nèi)流體溫度測量誤差把管道和套管外露部分一起進(jìn)行保溫，即用保溫材料包起來，使套管外露部分的溫度接近管道溫度。增加溫度計(jì)插入深度，減少外露部分，具體做法是將溫度計(jì)在管道彎頭處插入或斜向插入。使溫度計(jì)迎著氣流方向插入，感溫元件頭部放在管道中心線上，以得到最大的對(duì)流換熱系數(shù)。減小溫度計(jì)套管導(dǎo)熱系數(shù)，不采用高導(dǎo)熱系數(shù)的材料作套管？？？增加套管的外圓周長和截面積之比，在強(qiáng)度許可的條件下，應(yīng)采用薄壁和小直徑套管。熱電偶測量高溫?zé)煔庹`差熱電偶實(shí)測的溫度壁煙氣的真實(shí)溫度低熱接點(diǎn)的平衡溫度熱電偶與與周圍氣體的對(duì)流換熱熱電偶與氣體、懸浮粒子及爐壁的輻射換熱熱電偶絲的導(dǎo)熱氣體的動(dòng)能在熱接點(diǎn)邊界層內(nèi)轉(zhuǎn)化為熱能熱電偶測量高溫?zé)煔獾膶?dǎo)熱誤差熱電偶測量高溫?zé)煔獾妮椛湔`差熱接點(diǎn)受到氣體的對(duì)流加熱及煙氣中的三原子氣體和灰粒子的輻射加熱熱接點(diǎn)同時(shí)對(duì)水冷壁輻射加熱減少熱電偶測量氣流溫度的誤差盡可能增加熱電偶插入被測氣流的長度以減少導(dǎo)熱誤差。采用細(xì)直徑熱電偶，可以減少導(dǎo)熱誤差，提高氣流對(duì)熱電偶接點(diǎn)前放熱系數(shù)。一個(gè)121mm直徑的鉑絲探頭，在1300k的氣流溫度輻射修正量為5K，在2100K時(shí)會(huì)上升到60K，對(duì)于501mm直徑的探頭，相應(yīng)的數(shù)值則為35K和200K將廉價(jià)金屬材料的熱電偶接點(diǎn)上鍍上黑度較小的金屬膜如金、銀(黑度只有0.05)，或鉑(0.18)。采用遮熱罩以減少輻射誤差。用抽氣熱電偶，高速抽取被測高溫氣流，以加強(qiáng)對(duì)熱電偶的對(duì)流加熱。

抽氣熱電偶由熱電偶元件、遮熱罩和水冷抽氣套管組成，與二次測量儀表(毫伏計(jì)、電位差計(jì)等)及抽氣