《建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)》 教案 3-2熱電偶

熱電偶熱電效應(yīng)和熱電偶測(cè)溫原理兩種不同金屬焊接成的閉合電路被稱(chēng)為熱電偶。由于不同金屬自由電子的氣密度不一樣，在焊接處兩種金屬中的自由電子相互擴(kuò)散出現(xiàn)差異，致使兩金屬接觸處產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)差，此為接觸電動(dòng)勢(shì)。接觸電動(dòng)勢(shì)除了與兩種金屬性質(zhì)有關(guān)外，還與溫度有關(guān)，在溫度相同的情況下，兩接頭處電動(dòng)勢(shì)數(shù)值相等、方向相反，總電動(dòng)勢(shì)為零。若兩接頭處溫度不同，兩電動(dòng)勢(shì)數(shù)值不同，總電動(dòng)勢(shì)就不為零，閉合電路就會(huì)出現(xiàn)電流，這種由溫差引起的電流稱(chēng)為溫差電流。用溫差電偶測(cè)量溫度的方法：令一個(gè)接頭的溫度已知，另一個(gè)接頭插入待測(cè)溫度的物體中，測(cè)出電偶內(nèi)出現(xiàn)的溫差電流，便可推知被測(cè)溫度。將A、B兩種不同材質(zhì)的金屬導(dǎo)體的兩端焊接成一個(gè)閉合回路，如REF_Ref6855\h圖1所示。若兩個(gè)接點(diǎn)處的溫度不同，在閉合回路中就會(huì)有熱電勢(shì)產(chǎn)生，這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱電效應(yīng)。兩點(diǎn)間溫差越大則熱電勢(shì)越大，在回路內(nèi)接入毫伏表，它將指示出熱電勢(shì)的數(shù)值。熱電偶正是基于這一熱電效應(yīng)與溫度之間的關(guān)系來(lái)測(cè)量溫度的。這兩種不同材質(zhì)的金屬導(dǎo)體的組合體就稱(chēng)為熱電偶，熱電偶的熱電極有正（+）、負(fù)（－）之分。圖1熱電偶原理圖T>T0當(dāng)T>T0時(shí)，在熱端（T）和冷端（T0）所產(chǎn)生的等位電勢(shì)分別為E1E2，此時(shí)回路中的總電勢(shì)為： E=E1-E2當(dāng)熱端溫度T為測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際溫度時(shí)，為了使T與總電勢(shì)E之間具有一定關(guān)系，令冷端溫度T0不變，即E2=K（常數(shù)），這樣回路中的總電勢(shì)為： E=E1-K 回路中產(chǎn)生的熱電勢(shì)僅是熱端溫度T的函數(shù)。當(dāng)冷端溫度T0=0℃時(shí)，可得出REF_Ref12604\h圖2所示的熱電勢(shì)-溫度特性曲線（E-t特性曲線）。根據(jù)上述原理，可以選擇到許多反應(yīng)靈敏準(zhǔn)確、使用可靠耐久的金屬導(dǎo)體來(lái)制作熱電偶。圖2熱電勢(shì)-溫度特性曲線熱電偶的結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)化1）鎧裝熱電偶完整的熱電偶由熱電極、絕緣套管、保護(hù)套管、接線盒等部分組成，如REF_Ref12896\h圖3所示。熱電極的直徑由材料的價(jià)格、機(jī)械強(qiáng)度、導(dǎo)電率及用途和測(cè)溫范圍所決定。如是貴金屬，熱電極直徑多用0.3～0.65mm的細(xì)絲；廉金屬熱電極直徑一般為0.5～3.2mm。熱電極的長(zhǎng)度由安裝條件、熱電偶的插入深度來(lái)決定，通常為350～2000mm。絕緣套管的作用是防止兩個(gè)熱電極之間或熱電極與保護(hù)套管之間短路。套管的材料和結(jié)構(gòu)形式由使用溫度范圍確定，其結(jié)構(gòu)形式有長(zhǎng)有短，有單孔、雙孔、四孔等多種規(guī)格。在1000℃以下采用普通陶瓷，1300℃以下采用高純氧化鋁，1600℃以下采用剛玉。保護(hù)套管為使熱電偶不直接與被測(cè)介質(zhì)接觸。以防止化學(xué)腐蝕、玷污和機(jī)械損傷，將熱電偶放入保護(hù)套管中。保護(hù)管的材質(zhì)一般根據(jù)測(cè)量范圍、加熱區(qū)長(zhǎng)度、環(huán)境氣氛以及測(cè)溫的時(shí)間常數(shù)等條件來(lái)決定。各種保護(hù)套管材料及其使用溫度為：黃銅為400℃、碳鋼為700℃、不銹鋼為900℃、高溫不銹鋼為1000～1200℃、高純氧化鋁為1300℃、剛玉為1600℃、金屬陶瓷為1800℃、氧化鈹和氧化釷可達(dá)2200℃。接線盒一般由鋁合金制成，供熱電偶與補(bǔ)償導(dǎo)線或引出線用，兼有密封和保護(hù)接線端子的作用。2）薄膜熱電偶采用真空蒸鍍或化學(xué)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，其熱端極點(diǎn)非常薄，大約0.01～0.1μm。薄膜熱電偶適合于表面溫度的快速測(cè)量，響應(yīng)時(shí)間約為數(shù)毫秒?；逵稍颇富蚪n酚醛塑料片等制成，熱電極由鎳鉻-鎳硅、銅-康銅等。薄膜熱電偶的測(cè)溫范圍一般在300℃以下，使用時(shí)可用膠粘劑將基板固定在被測(cè)物體的表面，示意圖如REF_Ref13118\h圖4所示。圖3鎧裝熱電偶的結(jié)構(gòu)圖4薄膜熱電偶示意圖1—接線盒；2—保護(hù)套管；1—熱電極；2—熱極點(diǎn)3—絕緣套管；4—熱電偶3—絕緣基板；4—引出線熱電偶的分類(lèi)熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶。1）標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶是指生產(chǎn)工藝成熟、成批生產(chǎn)、性能優(yōu)良并已列入工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)文件中的熱電偶，具有統(tǒng)一的分度表，可互換并有配套的顯示儀表供使用。國(guó)際電工委員會(huì)（InternationalElectroTechnicalCommission，IEC）向各國(guó)推薦七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶已經(jīng)采用IEC標(biāo)準(zhǔn)。（1）廉金屬熱電偶T型（銅-康銅）熱電偶的測(cè)溫范圍為－200～350℃，在廉金屬熱電偶中準(zhǔn)確度最高，熱電勢(shì)較大，其主要原因是銅絲的純度高而無(wú)應(yīng)力。低于－200℃時(shí)熱電勢(shì)變化急劇降低，350℃以上則主要是受銅的氧化限制。K型（鎳鉻-鎳鋁或鎳硅）熱電偶在廉金屬熱電偶中測(cè)溫范圍最寬（－200～1100℃），溫度-毫伏特性接近線性，熱電勢(shì)比S型熱電偶大4～5倍，我國(guó)目前多用鎳鉻-鎳硅熱電偶取代鎳鉻-鎳鋁熱電偶，它們的特性一樣，而且脫氧化性強(qiáng)。它們使用同一分度表。E型（鎳鉻-康銅）熱電偶雖不及K型熱電偶應(yīng)用廣泛，但在標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶中靈敏度最高，在氧化氣氛中可使用到1000℃。（2）貴金屬熱電偶S型（鉑銠10-鉑）熱電偶在所有標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶中S型熱電偶是準(zhǔn)確度等級(jí)最高的，但熱電勢(shì)小，熱電特性曲線非線性較大。長(zhǎng)期使用測(cè)溫上限可到1400℃。短期可測(cè)到1600℃，不適于還原性氣氛。R型（鉑銠13-鉑）熱電偶與S型熱電偶相比除熱電勢(shì)稍大之外，其他特點(diǎn)均相同。它只作為引進(jìn)設(shè)備的配件，不大量生產(chǎn)。B型（鉑銠30-鉑銠6）熱電偶又簡(jiǎn)稱(chēng)為雙鉑銠熱電偶。這種類(lèi)型的熱電偶具有鉑銠-鉑熱電偶的各種特點(diǎn)，抗污染能力強(qiáng)，具有較好的穩(wěn)定性，長(zhǎng)期使用上限可達(dá)1600℃，但這種熱電偶熱電勢(shì)最小，靈敏度低，室溫下熱電勢(shì)極小，E（25）=2mV，故使用時(shí)一般不采用補(bǔ)償導(dǎo)線，也不適用于還原性氣氛。2）非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，測(cè)溫范圍向超高溫和深低溫兩極拓展，測(cè)溫精度的要求也日益提高，新的測(cè)溫方法和傳感器不斷出現(xiàn)，有些熱電偶目前尚無(wú)定型產(chǎn)品，熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系也沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化，所以稱(chēng)為非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，常用的有鎢-錸系熱電偶、鎢-銥系熱電偶等。熱電偶的制作熱電偶的制作常用以下兩種方法。電弧焊接法。如圖5所示，先準(zhǔn)備一臺(tái)調(diào)壓器，找兩個(gè)廢舊1號(hào)干電池取出炭棒（或用直徑相近的炭棒），將炭棒一端磨成錐體，另一端用導(dǎo)線擰緊在炭棒上，并接到調(diào)壓器的輸出端。調(diào)壓器的輸入端接電源，輸出電壓調(diào)到20V左右。兩根炭棒水平放置在工作臺(tái)上，中間留有間隙，將待焊的熱電偶端頭放在炭棒中間，兩只炭棒向熱電偶緩緩靠近，當(dāng)產(chǎn)生弧光時(shí)兩根導(dǎo)線熔化形成光滑無(wú)孔的球形焊接點(diǎn)，這樣即焊好一個(gè)熱電偶。圖5熱電偶電弧焊接法因焊接時(shí)弧光十分刺激人的眼睛，所以應(yīng)戴上墨鏡。工作電壓過(guò)高，會(huì)使熱電偶頭部產(chǎn)生氣孔或者焊接不牢，工作電壓過(guò)低，金屬熔化不好也會(huì)使焊接不牢。為確保焊接質(zhì)量，應(yīng)邊焊邊用放大鏡檢查，隨時(shí)調(diào)整工作電壓。不合格的焊頭可剪掉重新焊接。若想得到比較理想的熱電偶，需在焊接過(guò)程中不斷摸索、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。（2）錫焊接法。它與一般用電烙鐵、焊錫焊接導(dǎo)線的方法相同，但只許使用焊藥而嚴(yán)禁使用“錐水”，焊點(diǎn)要小并且力求圓滑。錫焊制作的熱電偶性能相對(duì)比較穩(wěn)定，因焊頭比較牢固而不易損壞。但一般操作者難以達(dá)到對(duì)焊點(diǎn)的要求。制作好的熱電偶，為防止漆皮被磨破造成短路，應(yīng)用兩種顏色的塑料套管保護(hù)起來(lái)。熱電偶測(cè)溫顯示儀表根據(jù)熱電偶的測(cè)溫原理，當(dāng)冷端溫度一定時(shí)，熱電偶回路的熱電勢(shì)只是被測(cè)溫度的單值函數(shù)。因此可以在回路中加入測(cè)量熱電勢(shì)的儀表，通過(guò)測(cè)量熱電偶回路的熱電勢(shì)來(lái)得到被測(cè)溫度值。常用的測(cè)量熱電勢(shì)的儀表有動(dòng)圈式儀表、電位差計(jì)和數(shù)字式電壓表等。銅-康銅熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)較小，用毫伏計(jì)不易準(zhǔn)確測(cè)量，所以與銅-康銅熱電偶配用的二次儀表通常為高精度的電位差計(jì)。1）動(dòng)圈式儀表這是一種直接變換式儀表，變換信號(hào)所需的能量是由熱電勢(shì)供給的。輸出信號(hào)是儀表指針相對(duì)于標(biāo)尺的位置，其工作原理如REF_Ref30235\h圖6所示。圖6動(dòng)圈式儀表原理圖REF_Ref30235\h圖6（a）虛線框內(nèi)是指示儀內(nèi)部測(cè)量部分，其中RD處是一種測(cè)量微安級(jí)電流的磁電式指示儀表。熱電偶經(jīng)過(guò)補(bǔ)償導(dǎo)線、冷端補(bǔ)償器和外部調(diào)整電阻RC再與溫度指示儀相連接。REF_Ref30235\h圖6（b）是磁電式指示儀表的基本原理圖。當(dāng)處于均勻恒定磁場(chǎng)中的線圈通以電流I時(shí)，線圈將產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩M，在線圈幾何尺寸和匝數(shù)已定的條件下，M只與流過(guò)線圈的電流成正比。動(dòng)圈偏轉(zhuǎn)角與流過(guò)動(dòng)圈的電流具有單值正比關(guān)系。2）直流電位差計(jì)用動(dòng)圈式儀表測(cè)量熱電勢(shì)雖然比較方便，但電流流過(guò)總回路，會(huì)因回路電阻變化而給測(cè)溫帶來(lái)誤差。又由于機(jī)械方面和電磁方面的因素，很難進(jìn)一步提高測(cè)量精度。因此在高精溫度測(cè)量中常使用直流電位差計(jì)測(cè)量熱電勢(shì)。直流電位差計(jì)是按隨動(dòng)平衡方式工作的，采用把被測(cè)量與已知標(biāo)準(zhǔn)量比較后的差值調(diào)整至零差的測(cè)量方法，所以當(dāng)直流電位差計(jì)處于靜態(tài)平衡時(shí)熱電偶回路沒(méi)有電流，因而對(duì)測(cè)量回路電阻值的變化沒(méi)有嚴(yán)格的要求。（1）手動(dòng)電位差計(jì)。這是一種帶積分環(huán)節(jié)的儀器，因此具有無(wú)差特性，這就決定了它可以具有很高的測(cè)量精度，工作原理見(jiàn)圖7。圖7手動(dòng)電位差計(jì)原理REF_Ref30438\h圖7中的直流工作電源EB是干電池或直流穩(wěn)壓電源，EN為標(biāo)準(zhǔn)電池。圖中共有3個(gè)回路：A由EB、Rs、RN、RABC所組成的工作電流回路，回路的電流為I；B由Ex、RN和檢流計(jì)G所組成的校準(zhǔn)回路，回路電流為iN，其功能是調(diào)整工作電流I維持設(shè)計(jì)時(shí)所規(guī)定的電流值：C由Et、RAB和檢流計(jì)G組成的測(cè)量回路，回路電流為i。當(dāng)開(kāi)關(guān)K置向“標(biāo)準(zhǔn)”位置時(shí)，校準(zhǔn)回路工作，其電壓方程為 EN-IRN=式中RG——檢流計(jì)的內(nèi)阻；

RE調(diào)整Rs以改變工作電流回路的工作電流I，使檢流計(jì)G指零，即iN=0，則EN=I將開(kāi)關(guān)K置向“測(cè)量”位置，此時(shí)測(cè)量回路工作，其電壓方程為 Et-IRN=式中RE——移動(dòng)電阻RABC的滑動(dòng)點(diǎn)B使檢流計(jì)G指零，則i=0，Et=IRAB，由于I已是精確的工作電流值，同時(shí)手動(dòng)電位差計(jì)的高精度決定于高靈敏度的檢測(cè)計(jì)、儀表內(nèi)穩(wěn)定和準(zhǔn)確的各電阻值以及穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)電壓。常用高精度的手動(dòng)電位差計(jì)最小讀數(shù)可達(dá)0.01μV。自動(dòng)電子電位差計(jì)。由于手動(dòng)電位差計(jì)精度高，在精密測(cè)量中顯示出很大的優(yōu)越性，所以廣泛地應(yīng)用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)和計(jì)量部門(mén)中。而在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中大多需要進(jìn)行連續(xù)測(cè)量與記錄，要求既要具有較高測(cè)量精度又能連續(xù)自動(dòng)記錄被測(cè)溫度。自動(dòng)電子電位差計(jì)是較理想的一種。它的精度等級(jí)為0.5級(jí)，除可以自動(dòng)顯示和自動(dòng)記錄被測(cè)溫度值外，還可以自動(dòng)補(bǔ)償熱電偶的冷端溫度。增加附件后還能增加參數(shù)超限自動(dòng)報(bào)警、多筆記錄和對(duì)被測(cè)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制等多種功能。自動(dòng)電子電位差計(jì)的基本工作原理如圖8所示。它的工作電流回路和測(cè)量回路可以與手動(dòng)電位差計(jì)類(lèi)比，只是去掉了檢流計(jì)，而用電子放大器對(duì)微小的不平衡電壓進(jìn)行放大，然后驅(qū)動(dòng)可逆電動(dòng)機(jī)通過(guò)一套機(jī)械裝置自動(dòng)進(jìn)行電壓平衡的操作，最終消除不平衡電壓。因此它也是一種帶積分環(huán)節(jié)具有無(wú)差特性的儀表。圖8自動(dòng)電子電位計(jì)原理圖圖8中的EB為穩(wěn)壓電源，恒值電流I流過(guò)電阻RP。若RP上的分壓UAB=Et，則電子放大器的輸入偏差電壓?E=Et-UAB=0，RP上的滑動(dòng)點(diǎn)B的位置反映了被測(cè)值Et，若UAB≠Et，則電子放大器的輸入偏差電壓?E≠0，經(jīng)放大后能有足夠的功率去驅(qū)動(dòng)可逆電動(dòng)機(jī)，并根據(jù)?E>0或?E<0做正向或反向轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)機(jī)械系統(tǒng)帶動(dòng)RP的滑點(diǎn)B或左或右移動(dòng)，直到Et和3）數(shù)字式電壓表熱電偶所配用的數(shù)字式電壓表的基本原理是把被測(cè)的模擬電壓量轉(zhuǎn)換為二進(jìn)位制的數(shù)字量，再用數(shù)碼顯示器按十進(jìn)位數(shù)碼顯示出來(lái)。其核心部件是模-數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱(chēng)為A/D轉(zhuǎn)換器。比較適用的A/D轉(zhuǎn)換器根據(jù)轉(zhuǎn)換原理的不同可分為兩種：一種為逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器；另一種為雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器。前者因其轉(zhuǎn)換速度快，在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)中所用的AD轉(zhuǎn)換器多屬此類(lèi)，它每轉(zhuǎn)換一次所需時(shí)間為1～100μs，最通用的約為25μs；后者雖然轉(zhuǎn)換速度較慢，每轉(zhuǎn)換一次約30ms，但其抗干擾能力較強(qiáng)，價(jià)格低，常用于數(shù)字式電壓表中。參考端溫度處理根據(jù)熱電偶的測(cè)溫原理，EABT，T0=fT-fT0的關(guān)系式可看出，熱電偶回路所產(chǎn)生的熱電勢(shì)，只有在固定冷端溫度T0時(shí)。熱電偶的輸出電勢(shì)才只是熱端溫度T的單值函數(shù)，在熱電偶的分度表中或分度檢定時(shí)，冷端溫度都保持在1）冷端恒溫法維持冷端恒溫的方法很多，常見(jiàn)的方法有以下兩種。把冷端引至冰點(diǎn)槽內(nèi)，維持冷端始終為0℃，但使用起來(lái)不大方便。一般在實(shí)驗(yàn)室精密測(cè)量中使用，特別是分度和校驗(yàn)熱電偶時(shí)都要用它?？梢再?gòu)買(mǎi)高精度的冰點(diǎn)槽，控溫精度可以達(dá)到0±0.002℃。也可以利用保溫瓶自制冰點(diǎn)槽，保溫瓶?jī)?nèi)用純水制成冰水混合狀態(tài)，瓶?jī)?nèi)溫度可以保持為0±0.1℃。把冷端用補(bǔ)償導(dǎo)線引至電加熱的恒溫器內(nèi)，維持冷端為某一恒定的溫度。通常一個(gè)恒溫器可供許多支熱電偶同時(shí)使用。此法適于工業(yè)應(yīng)用。2）補(bǔ)償導(dǎo)線法補(bǔ)償導(dǎo)線法的原理是在一定溫度范圍內(nèi)，采用與配用熱電偶的熱電特性相同的一對(duì)帶有絕緣層的廉金屬導(dǎo)線作為補(bǔ)償導(dǎo)線。如REF_Ref25765\h圖9所示，其中A'、B'為補(bǔ)償導(dǎo)線，在一定溫度范圍內(nèi)（如0～100℃），它的熱電特性與主熱電偶A、B的熱電特性基本相同，所以A'、B'可視為A、B熱電極的延長(zhǎng)，因而熱電偶的冷端也從T0'處移到T0處，這樣熱電偶回路的熱電勢(shì)只同T和T0有關(guān)，原冷端T0'的變化不再影響讀數(shù)。若T0=0，則儀表對(duì)應(yīng)著熱端的實(shí)際溫度值；若T0≠0需進(jìn)行補(bǔ)償與修正