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1、第四章温度测量交流第一页，本课件共有53页 铠装式热电偶铠装式热电偶第二页，本课件共有53页热电偶温度计的特点热电偶温度计的特点v结构简单，制作方便，测量范围宽，准确结构简单，制作方便，测量范围宽，准确度高，热惯性小度高，热惯性小;v可测量流体温度，固体温度可测量流体温度，固体温度;v可测量静态温度，动态温度可测量静态温度，动态温度;v能直接输出直流电压信号，或转换成线性能直接输出直流电压信号，或转换成线性化的直流电流信号化的直流电流信号;v便于测量、信号传输、自动记录和自动控便于测量、信号传输、自动记录和自动控制等。制等。热电偶到底如何测温的呢？热电偶到底如何测温的呢？第三页，本课件共有53
2、页一、热电偶的测温原理及特点一、热电偶的测温原理及特点v热电效应及热电势热电效应及热电势（1 1）热电效应：）热电效应：两种不同的导体或半导体两种不同的导体或半导体材料材料A A和和B B组成闭合回路，组成闭合回路，如果两个接合点如果两个接合点处的温度不相同处的温度不相同，则回路中就会有电流存，则回路中就会有电流存在，即有电动势存在，这种现象叫做热电在，即有电动势存在，这种现象叫做热电效应。效应。（2 2）热电势：）热电势：由该热电效应所产生的电动由该热电效应所产生的电动势，通常称为热电势。势，通常称为热电势。第四页，本课件共有53页热电势热电势接触电势接触电势温差电势温差电势第五页，本课件共
3、有53页接触电势接触电势温差电势温差电势第六页，本课件共有53页1 1、接触电势、接触电势 当当两两种种不不同同性性质质的的导导体体或或半半导导体体材材料料相相互互接接触触时时，由由于于内内部部电电子子密密度度不不同同，若若N NA ANNB B，则则会会有有一一部部分分电电子子从从A A扩扩散散到到B,B,使使得得A A失失去去电电子子而而呈呈正正电电位位，B B获获得得电电子子而而呈呈负负电电位位，最最终终形形成成由由A A向向B B的的静静电电场场。静静电电场场的的作作用用又又阻阻止止电电子子由由A A向向B B扩扩散散，同同时时加加速速电电子子向向相相反反方方向向转转移移。当当扩扩散散
4、力力和和电电场场力力达达到到平平衡衡时时，材材料料A A和和B B之间形成一个电位差，称为接触电势。之间形成一个电位差，称为接触电势。第七页，本课件共有53页方向：方向：B AB A第八页，本课件共有53页2 2、温差电势、温差电势 温差电势是由于同一种导体或半导体材料温差电势是由于同一种导体或半导体材料其两端温度不同而产生的一种电动势。因其两端温度不同而产生的一种电动势。因材料两端温度不同，则两端的电子所具有材料两端温度不同，则两端的电子所具有的能量不同，温度较高的一端电子具有较的能量不同，温度较高的一端电子具有较高的能量，其电子将向温度较低的一端运高的能量，其电子将向温度较低的一端运动，于
5、是在材料两端之间形成一个由高温动，于是在材料两端之间形成一个由高温端指向低温端的静电场。电子迁移力和静端指向低温端的静电场。电子迁移力和静电场力达到平衡时形成的电位差叫温差电电场力达到平衡时形成的电位差叫温差电势。其方向由低温端指向高温端。势。其方向由低温端指向高温端。第九页，本课件共有53页方向：方向：T T0 0 T T第十页，本课件共有53页3 3、热电偶回路的总热电动势、热电偶回路的总热电动势第十一页，本课件共有53页v由由A A和和B B两种材料组成热电偶回路，回路中两种材料组成热电偶回路，回路中存在存在两个接触电势两个接触电势E EABAB(T)(T)和和E EABAB(T(T0
6、0)；两个两个温差电势温差电势E EA A(T(T，T T0 0)和和E EB B(T(T，T T0 0)。按顺时针按顺时针取向，回路中总热电势为：取向，回路中总热电势为：v经过计算可得：经过计算可得：第十二页，本课件共有53页v若材料若材料A A和和B B已定，则已定，则N NA A和和N NB B只是温度的函只是温度的函数，上式表示为：数，上式表示为：v或写为摄氏度形式：或写为摄氏度形式：第十三页，本课件共有53页v所得结论如下：所得结论如下：（1 1）热电偶回路热电势的大小，只与组成热电偶的材）热电偶回路热电势的大小，只与组成热电偶的材料和材料两端连接点处的温度有关，与热电偶丝的直料和材
7、料两端连接点处的温度有关，与热电偶丝的直径、长度及沿程温度分布无关。径、长度及沿程温度分布无关。（2 2）相同材料组成的闭合回路不会产生热电势。）相同材料组成的闭合回路不会产生热电势。（3 3）两两个个热热电电极极材材料料确确定定之之后后，热热电电势势的的大大小小只只与与热热电电偶偶两两端端接接点点的的温温度度有有关关。如如果果T T0 0已已知知且且恒恒定定，则则 为为常常数数。回回路路总总热热电电势势只只是是温温度度T T的的单单值函数。值函数。（4 4）只要测量热电势的大小，就可以求得温度）只要测量热电势的大小，就可以求得温度T T的数值。的数值。第十四页，本课件共有53页v热电偶测量温
8、度时，总是把两个接点之一热电偶测量温度时，总是把两个接点之一放置于被测温度为放置于被测温度为T T的介质中，此接点称为的介质中，此接点称为热电偶的热端或测量端；热电偶的另一接热电偶的热端或测量端；热电偶的另一接点处于已知恒定温度点处于已知恒定温度T T0 0，此接点称为热电，此接点称为热电偶的冷端或参比端。偶的冷端或参比端。v当温度量值为摄氏度，参比端温度定为当温度量值为摄氏度，参比端温度定为0 0，热电势写为，热电势写为E EABAB(t,t(t,t0 0)。如果。如果t t0 0=0=0时时,则为则为E(t,0)E(t,0)，简写为，简写为 E(t)E(t)。v工程上使用的各种热电偶均把工
9、程上使用的各种热电偶均把E(t)E(t)和和t t的关的关系制成表格形式，称为热电偶分度表。系制成表格形式，称为热电偶分度表。第十五页，本课件共有53页二、热电偶回路的性质二、热电偶回路的性质v掌握热电偶的基本规律；掌握热电偶的基本规律；v灵活而熟练地应用到实际测温种。灵活而熟练地应用到实际测温种。第十六页，本课件共有53页1 1、均质材料定律、均质材料定律v定义：定义：由一种均质材料组成的闭合回路，不由一种均质材料组成的闭合回路，不论沿材料长度方向各处温度如何分布，回路论沿材料长度方向各处温度如何分布，回路中均不产生热电势。中均不产生热电势。v否则，如果回路中有热电势存在，则材料必否则，如果
10、回路中有热电势存在，则材料必为非均质的。为非均质的。要要求求组组成成热热电电偶偶的的两两种种材材料料必必须须各各自自都都是是均均质，否则会产生附加电势，引入测温误差。质，否则会产生附加电势，引入测温误差。v利用此定律可以检查单支热电极是否均质。利用此定律可以检查单支热电极是否均质。第十七页，本课件共有53页2 2、中间导体定律、中间导体定律定定义义：在在热热电电偶偶回回路路中中插插入入第第三三种种（或或多多种种）均均质质材材料料，只只要要所所插插入入的的材材料料两两端端连连接接点点温温度度相相同同，则则所所插插入入的的第第三三种种材材料不影响原回路的热电势。料不影响原回路的热电势。第十八页，本
11、课件共有53页如如果果两两种种导导体体A A、B B对对另另一一参参考考导导体体C C的的热热电电势势为为已已知知，则则A A、B B两两种种导导体体组组成成热热电电偶偶的的热热电电势势为为A A和和C C以以及及B B和和C C热热电电势势的代数和。的代数和。EABC(T0)=EAB(T0)+EBC(T0)+ECA(T0)=0第十九页，本课件共有53页EABC(T,T0)=EAB(T,T0)第二十页，本课件共有53页中间导体定律的应用中间导体定律的应用第二十一页，本课件共有53页第二十二页，本课件共有53页3 3、中间温度定律、中间温度定律v两种不同材料组成的热电偶回路，其接点两种不同材料组
12、成的热电偶回路，其接点温度分别为温度分别为t t和和t t0 0时的热电势时的热电势E EABAB(t,t(t,t0 0)等等于热电偶在连接点温度为于热电偶在连接点温度为(t,t(t,tn n)和和(t(tn n,t,t0 0)时相应的热电势时相应的热电势E EABAB(t,t(t,tn n)和和E EABAB(t(tn n,t,t0 0)的的代数和，其中代数和，其中t tn n为中间温度。为中间温度。EAB(t,t0)=EAB(t,tn)+EAB(tn,t0)第二十三页，本课件共有53页当当热热电电偶偶参参比比端端温温度度t t0 0不不等等于于0 0 时时，只只要要能能测测得得热热电电势势
13、E EABAB(t,t(t,t0 0)，且且t t0 0已已知知，仍仍可以采用热电偶分度表求得被测温度可以采用热电偶分度表求得被测温度t t值。值。v若设若设tn=0,则有：则有：EAB(t,t0)=EAB(t,0)+EAB(0,t0)=EAB(t,0)-EAB(t0,0)则有：则有：EAB(t,0)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0)中间温度定律应用中间温度定律应用第二十四页，本课件共有53页例题：例题：1、有有铂铂铑铑10铂铂热热电电偶偶，热热端端温温度度为为1600，冷冷端端温温度度为为50，则则热热电电动动势势为为多多少少mV?若若采采用用热热端端与与冷冷端端的的温温度度差差查查分
14、分度表求热电动势会造成多大的误差？度表求热电动势会造成多大的误差？解：解：（1）Es（1600，50）Es（1600）Es（50）16.7770.29916.478mV（2）Es（1600-50，0）16.182mV 误差：误差：16.182-16.478-0.296mV第二十五页，本课件共有53页2、已知某热电偶热电动势有、已知某热电偶热电动势有E(1000,0)=41.276mV,E(20,0)=0.798mV,E(30,20)=0.405mV.试试 求求 热热 电电 偶偶 热热 电电 动动 势势E(30,0)，E(1000,20)和和E(30,1000)？第二十六页，本课件共有53页4
15、4、连接导体定律、连接导体定律第二十七页，本课件共有53页v在在热热电电偶偶回回路路中中，如如果果热热电电偶偶的的电电极极材材料料A A和和B B分分别别与与连连接接导导线线AA和和BB相相连连接接，各各接接点点温温度度为为t t，t tn n和和t t0 0，那那么么回回路路的的总总热热电电动动势势等等于于E EABAB(t,t(t,tn n)和和E EABAB(t(tn n,t t0 0)的的代代数数和。和。E EABBAABBA=E=EABAB(t,t(t,tn n)+E)+EABAB(t(tn n,t,t0 0)v中间温度定律和连接导体定律是工业热电中间温度定律和连接导体定律是工业热电
16、偶测温中应用补偿导线的理论依据。偶测温中应用补偿导线的理论依据。第二十八页，本课件共有53页例题：例题：应用热电偶定律，试求下图所示的三种热电极组成回应用热电偶定律，试求下图所示的三种热电极组成回路的总热电动势的值，并指出其电流方向？路的总热电动势的值，并指出其电流方向？第二十九页，本课件共有53页三、常用热电偶的材料、特点和结构三、常用热电偶的材料、特点和结构v对热电偶测温元件材料的要求：对热电偶测温元件材料的要求：（1 1）两种材料组成的热电偶应）两种材料组成的热电偶应输出较大的热电势输出较大的热电势，以得到较高的灵敏度，且要求热电势与温度之间尽可以得到较高的灵敏度，且要求热电势与温度之间
17、尽可能呈能呈线性关系线性关系。（2 2）能应用于）能应用于较宽的温度范围较宽的温度范围，物理化学性能、热，物理化学性能、热电特性稳定。即有较好的耐热性、抗氧化性、电特性稳定。即有较好的耐热性、抗氧化性、抗还原性、抗腐蚀等性能。抗还原性、抗腐蚀等性能。（3 3）有）有较高的导电率较高的导电率，较低的电阻温度系数较低的电阻温度系数。（4 4）具有较好的工艺性能，）具有较好的工艺性能，便于成批生产便于成批生产。具有满。具有满意的意的复现性复现性，便于采用统一分度表。，便于采用统一分度表。第三十页，本课件共有53页热电偶的类型及特点热电偶的类型及特点1 1、铂铑、铂铑1010铂热电偶（分度号铂热电偶（
18、分度号S S）（1 1）是一种贵金属热电偶；）是一种贵金属热电偶；（2 2）常用金属丝的直径）常用金属丝的直径0.350.5mm0.350.5mm；（3 3）优点：优点：精度高，物理化学性能稳定，测温上限精度高，物理化学性能稳定，测温上限高，短期可达高，短期可达1600 1600；（4 4）缺点：缺点：热电势较小，灵敏度较低，价格昂贵；热电势较小，灵敏度较低，价格昂贵；（5 5）适用条件：适用条件：适于在氧化或中性气氛介质中使用，适于在氧化或中性气氛介质中使用，在高温还原介质中容易被侵蚀和污染；在高温还原介质中容易被侵蚀和污染；（6 6）可用于工业和实验室测温，可作为传递国际实用）可用于工业和
19、实验室测温，可作为传递国际实用温标的各等级标准热电偶。温标的各等级标准热电偶。第三十一页，本课件共有53页2 2、铂铑、铂铑3030铂铑铂铑6 6热电偶（分度号热电偶（分度号B B）（1 1）是一种贵金属热电偶；）是一种贵金属热电偶；（2 2）热电偶丝直径）热电偶丝直径0.30.5mm0.30.5mm；（3 3）优点：优点：精度高，测温上限短时间可达精度高，测温上限短时间可达 1800 1800；（4 4）缺点：缺点：灵敏度较低，价格昂贵；灵敏度较低，价格昂贵；（5 5）适适用用条条件件：适适于于在在氧氧化化或或中中性性气气氛氛中中使使用，不宜在还原介质中使用；用，不宜在还原介质中使用；第三十
20、二页，本课件共有53页3 3、镍铬镍硅热电偶（分度号、镍铬镍硅热电偶（分度号K K）（1 1）是一种贱金属热电偶；）是一种贱金属热电偶；（2 2）金属丝直径工业应用一般）金属丝直径工业应用一般0.53mm0.53mm；（3 3）优优点点：价价格格低低，灵灵敏敏度度高高，复复现现性性好好，高温下抗氧化能力强，应用广泛高温下抗氧化能力强，应用广泛 ；（4 4）适适用用条条件件：在在还还原原性性介介质质或或含含硫硫化化物物气氛中易被侵蚀。气氛中易被侵蚀。第三十三页，本课件共有53页4 4、铜康铜热电偶（分度号、铜康铜热电偶（分度号T T）（1 1）是一种贱金属热电偶；）是一种贱金属热电偶；（2 2）
21、常用热电偶丝直径为）常用热电偶丝直径为0.21.6mm0.21.6mm；（3 3）优点：优点：测量精度高，稳定性好，低温测量精度高，稳定性好，低温 时灵敏度高，价格低；时灵敏度高，价格低；（4 4）适用范围：适用范围：适用于适用于-200400-200400 范围测范围测 温。温。第三十四页，本课件共有53页5 5、镍铬康铜热电偶（分度号、镍铬康铜热电偶（分度号E E）（1 1）是一种贱金属热电偶；）是一种贱金属热电偶；（2 2）工业用热电偶丝直径为）工业用热电偶丝直径为0.53mm0.53mm；（3 3）优点：优点：在常用热电偶中灵敏度最高，在常用热电偶中灵敏度最高，价格最便宜；价格最便宜；
22、（4 4）适用条件：适用条件：抗氧化及抗硫化物介质的抗氧化及抗硫化物介质的 能力较差，适于在中性或还原性气氛能力较差，适于在中性或还原性气氛 中使用。中使用。（5 5）目前在我国将取代镍铬考铜热电偶。）目前在我国将取代镍铬考铜热电偶。第三十五页，本课件共有53页6 6、铁康铜热电偶（分度号、铁康铜热电偶（分度号J）（1 1）是一种贱金属热电偶；）是一种贱金属热电偶；（2 2）工业用热电偶丝直径为）工业用热电偶丝直径为0.50.53mm3mm；（3 3）优点：优点：稳定性好，灵敏度高，价格低稳定性好，灵敏度高，价格低 廉；廉；（4 4）适用条件：适用条件：适于在中性或还原性气氛适于在中性或还原性
23、气氛 中使用。中使用。第三十六页，本课件共有53页7、铂铑、铂铑13铂热电偶铂热电偶（分度号（分度号R）它的基本性能和使用条件和铂铑它的基本性能和使用条件和铂铑1010铂热铂热电偶相同，只是热电动势略大。电偶相同，只是热电动势略大。欧美等国欧美等国家使用较多。家使用较多。v以上七种热电偶可以看作是标准化热电偶：以上七种热电偶可以看作是标准化热电偶：工艺成熟、成批生产、性能优良稳定，并工艺成熟、成批生产、性能优良稳定，并已列入专业或国家工业标准化文件。具有已列入专业或国家工业标准化文件。具有统一的分度表，同种型号可互换。统一的分度表，同种型号可互换。第三十七页，本课件共有53页非标准化热电偶非标
24、准化热电偶1 1、钨铼、钨铼5 5钨铼钨铼2020（1 1）可以测到）可以测到240024002800 2800 高温；高温；（2 2）在高温下易氧化，只能用于真空和惰性气氛中。）在高温下易氧化，只能用于真空和惰性气氛中。2 2、铱铑、铱铑4040铱热电偶铱热电偶（1 1）当前唯一能在氧化气氛中测到）当前唯一能在氧化气氛中测到2000 2000 高温的热电高温的热电偶。偶。（2 2）成为宇航火箭技术中的重要测温工具。）成为宇航火箭技术中的重要测温工具。3 3、镍铬金铁热电偶、镍铬金铁热电偶 是一种较为理想的低温热电偶，可在是一种较为理想的低温热电偶，可在2 2273K273K范围范围内使用。内
25、使用。第三十八页，本课件共有53页工业用热电偶工业用热电偶第三十九页，本课件共有53页1 1、普通型热电偶、普通型热电偶（1 1）热电偶）热电偶热端热端通常采用通常采用焊接焊接方式。为了减小热传导方式。为了减小热传导误差和滞后，误差和滞后，焊点宜小焊点宜小，直径不超过两倍热电极直，直径不超过两倍热电极直径。径。（2 2）绝缘套管：）绝缘套管：为了使两根热电极很好地绝缘，以为了使两根热电极很好地绝缘，以防短路。防短路。通常为氧化铝和工业陶瓷。通常为氧化铝和工业陶瓷。（3 3）保护套管：）保护套管：为了防止热电极遭受化学腐蚀和为了防止热电极遭受化学腐蚀和机械损伤。机械损伤。测量测量1000 100
26、0 以下，一般用金属套管；以下，一般用金属套管；1000 1000 以上以上多用工业陶瓷或氧化铝。多用工业陶瓷或氧化铝。导热系数要高。科学研究中为了减小热惯性，提高导热系数要高。科学研究中为了减小热惯性，提高测量精度，通常不用。测量精度，通常不用。第四十页，本课件共有53页（4 4）接接线线盒盒：接接线线盒盒中中有有接接线线端端子子，它它将将热电极和连接导线连接起来。热电极和连接导线连接起来。接线盒起密封和保护接线端子的作用。接线盒起密封和保护接线端子的作用。第四十一页，本课件共有53页第四十二页，本课件共有53页2 2、铠装式热电偶、铠装式热电偶v特点：特点：结构紧凑，热惯性小，性能稳定，结
27、构紧凑，热惯性小，性能稳定，牢固、抗震且可挠。牢固、抗震且可挠。v由热电极、耐高温的金属氧化物粉末（如由热电极、耐高温的金属氧化物粉末（如AlAl2 2O O3 3）、不锈钢套管三者一起拉细。）、不锈钢套管三者一起拉细。v热端型式：热端型式：碰底型、不碰底型、露头型和碰底型、不碰底型、露头型和帽望型。帽望型。第四十三页，本课件共有53页3 3、薄膜式热电偶、薄膜式热电偶第四十四页，本课件共有53页v工艺：工艺：采用真空蒸镀或化学涂层等制造工采用真空蒸镀或化学涂层等制造工艺将两种热电极材料蒸镀到绝缘基板上。艺将两种热电极材料蒸镀到绝缘基板上。v热端接点极薄，约热端接点极薄，约0.010.10.0
28、10.1 m m，适于壁面，适于壁面温度测量。温度测量。v基板由云母或浸渍酚醛塑料片做成。基板由云母或浸渍酚醛塑料片做成。v测温范围一般在测温范围一般在300 300 以下。以下。第四十五页，本课件共有53页作业题作业题1 1、热电偶的测温原理是什么？、热电偶的测温原理是什么？2 2、用镍铬镍硅热电偶测量炉温，热电偶、用镍铬镍硅热电偶测量炉温，热电偶的冷端温度为的冷端温度为40 40，测得的热电势为，测得的热电势为35.714mV35.714mV。问被测炉温为多少？。问被测炉温为多少？3 3、某测量者采用铂铑、某测量者采用铂铑1010铂热电偶测温，铂热电偶测温，并采用两根普通铜导线将热电偶的输
29、出延并采用两根普通铜导线将热电偶的输出延伸至显示仪表端，如下图所示。试计算被伸至显示仪表端，如下图所示。试计算被测温度。若简单地通过测温度。若简单地通过E(t,0)=EE(t,0)=Eoutout查表求被查表求被测温度，会造成多大误差？测温度，会造成多大误差？第四十六页，本课件共有53页第四十七页，本课件共有53页四、热电偶的参比端（冷端）处理四、热电偶的参比端（冷端）处理1 1、冰点法、冰点法精度最高精度最高的处理方的处理方法，使法，使t t0 0稳稳定在定在0 0。第四十八页，本课件共有53页第四十九页，本课件共有53页2 2、热电势修正法、热电势修正法v在没有条件实现冰点法时，可以设法把
30、在没有条件实现冰点法时，可以设法把参比端置于已知的恒温条件，得到稳定参比端置于已知的恒温条件，得到稳定的的t t0 0,根据中间温度定律：根据中间温度定律：E(t,0)=E(t,tE(t,0)=E(t,t0 0)+E(t)+E(t0 0,0),0)v这种方法使用于实验室测温，这种方法使用于实验室测温，对于现场对于现场使用的只读式测温，此方法不方便。使用的只读式测温，此方法不方便。第五十页，本课件共有53页3 3、冷端补偿器法、冷端补偿器法第五十一页，本课件共有53页v利用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶冷端温度变利用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶冷端温度变化而引起的热电势变化。化而引起的热电
31、势变化。v当热电偶参比端和补偿器温度当热电偶参比端和补偿器温度t t0 0=0=0 时，桥路四臂时，桥路四臂电阻均为电阻均为1 1，电桥处于平衡状态，桥路输出电压，电桥处于平衡状态，桥路输出电压U Ubaba=0,=0,总电势：总电势：E=E(t,tE=E(t,t0 0)+U)+Ubaba=E(t,0)=E(t,0)v当当t t0 0升高时，升高时，R R4 4增大，增大，U Ubaba增加。由于增加。由于t t0 0增高，增高，E(t,E(t,t t0 0)将减小。通过合理设计计算限流电阻将减小。通过合理设计计算限流电阻R Rg g，使，使U Ubaba的的增加值恰等于增加值恰等于E(t,0
32、)-E(t,tE(t,0)-E(t,t0 0)，总电势将不随，总电势将不随t t0 0而变。而变。v热电偶回路的热电势在任一点得到完全补偿是困热电偶回路的热电势在任一点得到完全补偿是困难的，实际上只有在难的，实际上只有在平衡点温度和计算点温度平衡点温度和计算点温度时。时。第五十二页，本课件共有53页v我国工业用的冷端补偿器有两种参数：一我国工业用的冷端补偿器有两种参数：一种是种是平衡点温度定为平衡点温度定为0 0 ；另一种是；另一种是定为定为20 20 。v它们的它们的计算点温度均为计算点温度均为40 40 。v选用平衡点为选用平衡点为20 20 的补偿器时，动圈式温的补偿器时，动圈式温度指示仪指针的度指示仪指针的初始位置应调整在初始位置应调整在20 20 的的刻度线上。刻度线上。第五十三页，本课件共有53页