1、三、热电偶测温仪表三、热电偶测温仪表 组成 热电偶 1连接导线 2显示仪表 3 311tt022 基于热电效应原理的测温仪表。广泛应用于生产和研究领域：测温精度高、性能稳定；结构简单，易于制造，产品互换性好；便于信号远传和实现多点切换；测温范围广，可达-2002000；形式多样，适用于各种测温条件。2三、热电偶测温仪表三、热电偶测温仪表（一）热电偶测温仪表工作原理1.热电效应 热电偶的测温原理是以热电效应为基础的。两种不同材料的导体A、B组成一个闭合回路，当回路两端接点t0、t 的温度不相同时（假设tt0），回路中就会产生一定大小的电势，形成电流，这个电流的大小与导体材料性质和接点温度有关，这
2、种原理称为热电效应。这种现象早在1821年首先由西拜克（Seeback）发现,所以又称西拜克效应。AB3术语：热电偶两种不同材料的组合体称为热电偶；热电极构成热电偶的两种导体称为热电极；测量端（工作端，热端）插入被测介质中感受被测温度的一端，如图中接点 t；参考端（自由端，冷端）处于周围环境中的一端，如图中接点t0。t0teAB(t0)eA(t,t0)eB(t,t0)ABeAB(t)参考端参考端测量端测量端42.2.热电势热电势 热电势是接触电势和温差电势共同作用的结果。(1)接触电势 由于两种不同导体的电子密度不同，从而在接点处发生电子扩散而形成的电动势。它只与与A、B导体的性质和接点处导体
3、的性质和接点处温度有关温度有关，记作eAB(t)。电子浓度NANB+eAB(t)ABNANBt()ln()AABBktteNeNk-波尔曼系数,k=1.381023(J/)e-单位电荷,e=4.8021010NA,NB-电子密度5(2)温差电势 由于同一根导体同一根导体中电子从高温端向低温高温端向低温端迁移而引起的电动势，只与导体材料性质和两端温度与导体材料性质和两端温度有关有关，记作 eA(t,t0)=eA(t)-eA(t0)。温差电势原理图+eA(t,t0)tt0热端 t冷端t06(3)热电势公式推导：00000()(,)()()()(,)(,)ABAABABBABABEt tetetet
4、etet ttte可得热电势公式为：对于给定热电偶，热电势是其两端温度函数之差。若其冷端温度 t0 恒定，则 f(t0)是定值。热电偶回路热电势只与组成热电热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。t0teAB(t0)eA(t,t0)eB(t,t0)ABeAB(t)根据电磁场理论得000(,)ln()()tAABABABtBNkEt tdtftfteN温差电势远小于接触电势7 中规定写在前面的A和t分别为正极和高温，写在后面的B和t0分别为负极和低温。若它们的位置互换，则热电势的极性就反相。(4)热电极的极性
5、 测量端失去电子的热电极为正极，得到电子的热电极为负极。符号0(,)ABt tE例：00(,)(,)ABABt tt tEE 00(,)(,)BAABt tt tEE（二）热电偶的基本定律（二）热电偶的基本定律(1)匀质导体定律匀质导体定律 匀质导体的回路不论各处温度分布如何都不会产生热电势。热电偶必须由两个不同质的材料组成；同一导体回路是否有热电势可用来判定导体是否匀质。9T2T1AaBC23EABaAT023ABEABT1T2 CT0(a)(b)T0T0第三种材料接入热电偶回路图(2)中间导体定律中间导体定律 由两种不同导体构成的热电偶回路中，接入第三种导体，只要保持第三种导体两端温度相等
6、，则对回路热电势没有影响。ET0T0TET0T1T1T电位计接入 热电偶回路 根据上述原理，可以在热电偶回路中接入电位计E，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，就不会影响回路中原来的热电势，接入的方式见下图所示。也允许采用不同方法来焊接热电偶。(3)中间温度定律中间温度定律 热电偶回路中，热端温度为t、冷端为t0时的热电势，等于此热电偶热端为t、冷端为tn，及同一热电偶热端为tn、冷端为t0时热电势的代数和。00(,)(,)(,)ABABnABnEt tEt tEt t中间温度定律是制定热电偶分度表的理论基础。由于热电偶分度表都是以冷端温度为0 时做出的，但一般工程测量中冷端都不为0
7、，因此，只要测出热端与冷端时的热电势，便可利用中间温度定律求出热端温度。作用：ttnt0AABBtt0AABBtntn=12 两种金属构成热电偶的热电势，可以用这两种金属分别与第三种金属构成的热电势之差来表示：A A t=BBCCt0这里C称为标准电极。标准电极通常采用纯铂丝制成，因为铂容易提纯，熔点高，性能稳定。标准电极定律使热电偶的选配工作大为简化，只要知道一些材料与标准电极相配时的热电势，就可求出任何两种材料配成热电偶的热电势。作用：(4)标准电极定律标准电极定律t t0t t0000(,)(,)(,)ABACBCEt tEt tEt t（三）常用热电偶测温系统（三）常用热电偶测温系统E
8、BA0t0t 1.热电偶信号传输到控制室若A，B为普通铜导线，则 t0为现场环境温度，不稳定，从而导致E与t的关系不唯一。00BA0AB,ttEttEE,0ABttEE（1）采用普通铜导线E现场控制室（三）常用热电偶测温系统（三）常用热电偶测温系统EBA0t0tE现场控制室0AB,ttEE t0在控制室内，温度稳定，则保证E与t的单值对应关系。00AB00BA,),(ttEttE 1.热电偶信号传输到控制室00BA0AB,ttEttEE（2）采用补偿导线 若A、B 的热电特性与A、B热电特性在t0t0范围内相似，则 补偿导线：补偿导线：是在一定的温度范围内（0-100或0-200）与所接的热电
9、偶热电性能相同的廉价金属丝。补偿导线只是改变了冷端的位置，根据热电偶的基本定律，利用接入的补偿导线，使冷端远离测温现场，并同测量仪表一起放在恒温或温度波动较小的控制室里。t0tnt3BABA2补偿导线16热电偶的分度表热电偶的分度表 热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法 我国从1991年开始采用国际计量委员会规定的“1990年国际温标”（简称ITS-90）的新标准。按此标准，制定了相应的分度表，并且有相应的线性化集成电路与之对应。直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是：自由端（冷端）温度必须为自由端（冷端）温度必须为0 0C C。温度温度
10、0-10-20-30-40-50-60-70-80-90-95-100-200-5.8914-6.0346-6.1584-6.2618-6.3438-6.4036-6.4411-6.4577-100-3.5536-3.8523-4.1382-4.4106-4.669-4.9127-5.1412-5.354-5.5503-5.7297-5.8128-5.891400-0.3919-0.7775-1.1561-1.5269-1.8894-2.2428-2.5866-2.9201-3.2427-3.3996-3.5536温度温度010203040506070809095100000.39690.79
11、811.20331.61182.02312.43652.85123.26663.68193.88924.09621004.09624.50914.91995.32845.73456.13836.54026.94067.347.73917.93878.13852008.13858.53868.93999.34279.747210.153410.561310.970911.382111.794712.001512.208630012.208612.623613.039613.456613.874514.293114.712615.132715.553615.97516.18616.39714001
12、6.397116.819817.243117.666918.091118.515818.940919.366319.792120.218120.431220.644350020.644321.070621.497121.923622.3522.776423.202723.628824.054724.480224.692924.905560024.905525.330325.754726.178626.60227.024927.447127.868628.289528.709628.919429.12970029.12929.547629.965330.382230.798331.213531.
13、627732.04132.453432.864933.070333.275480033.275433.684934.093434.50134.907535.313135.717736.121236.523836.925437.125837.325990037.325937.725538.12438.521538.91839.313539.70840.101540.493940.885341.080641.2756100041.275641.664942.053142.440342.826343.211243.595143.977744.359344.739644.929345.11871100
14、45.118745.496645.873346.248746.622746.995547.366847.736848.105448.472648.655648.8382120048.838249.202449.565149.926350.285850.643951.000351.355251.708552.060252.235452.4103130052.410352.758853.105853.451253.795254.137754.478854.8186温度单位：电压单位：mV 参考温度点（自由端温度）：参考温度点（自由端温度）：0(冰点冰点)K型（镍铬镍硅）热电偶分度表型（镍铬镍硅）热
15、电偶分度表（ITS-90）18（四）热电偶冷端温度的影响及处理（四）热电偶冷端温度的影响及处理 热电偶的分度表所表征的是冷端温度为0时的热电势-温度关系，与热电偶配套使用的显示仪表就是根据这一关系进行刻度的。因此，尽管使用补偿导线可以把热电偶的冷端延伸到温度易稳定的地方，但此时冷端温度可能还有变化，或者不等于0，造成测量误差。因此，在实际应用中，必须采取措施来保证冷端温度恒为0或补偿冷端温度不等于0时带来的测量误差。常用的冷端温度补偿方法有：恒温法恒温法、示值修正法示值修正法、冷端温冷端温度补偿电桥法度补偿电桥法等。191.恒温法恒温法把热电偶冷端置于人造恒温装置中。把热电偶冷端置于人造恒温装
16、置中。(1)冰点槽冰点槽 (2)电热式恒温箱电热式恒温箱 mVABABTCC仪表铜导线试管补偿导线热电偶冰点槽冰水溶液T02.示值修正法示值修正法 一般显示仪表的分度是在冷端温度恒定为 0 条件下进行的。若冷端温度 t00时，示值不能正确反映被测温度，需要修正。p机械零位调整法机械零位调整法：预先把仪表的机械零件调整到冷端温度t0处，相当预加电势E(t0,0)，即p计算修正法计算修正法：假设冷端温度t00，被测温度为t，有 00(,)(,0)(,0)E t tE tE t00(,0)(,)(,0)E tE t tE t实测查表（修正量）查表得实际 tt0tnt3BABA2补偿导线213.冷端温
17、度补偿电桥法冷端温度补偿电桥法 利用不平衡电桥产生的电压作为补偿电压，以抵消因冷端温度变化引起的热电势的变化。当冷端温度升高时，热电势Ex逐渐减小，电桥中RCu增大，Uab随之增大，若Uab=Ex，则UAB=Uab+Ex 不会随冷端温度变化而变化。22热电偶测温系统的构成热电偶测温系统的构成 （1）热电偶：测温元件（2）导线：补偿导线（3）显示/控制仪表：输入mV，带冷端补偿1、热电偶+显示（控制）0000,0=Et tEttEtE t补偿导线冷端补偿（,0)显示仪表ABABt0现场控制室mVt0注意：补偿导线和显示仪表都是与热电偶配用的。tt023例例5-3：有一个实际的热电偶测温系统，两个
18、热电极的材料为：有一个实际的热电偶测温系统，两个热电极的材料为镍铬和镍硅镍铬和镍硅，L1和和L2分别为配镍铬镍硅分别为配镍铬镍硅补偿导线补偿导线，测量系统配，测量系统配K型热电偶的温度显示仪型热电偶的温度显示仪表表(带补偿电桥带补偿电桥)来显示被测温度的大小，设来显示被测温度的大小，设t 300。tc50，t020求显示仪表输入端的热电势求显示仪表输入端的热电势补偿电桥 补偿导线显示仪表镍铬镍硅热电偶tct0t1L2L000K0,0=KKKEt tEttEEtt补偿导线冷补（,0)温度温度T()T()热电势热电势E(mV)E(mV)20200.7980.79850502.0232.023300
19、30012.20912.20900,=,012.2090.79811.411KKEt tE tEtmv（,0)-解：由题意可知，使用的热电偶分度号为解：由题意可知，使用的热电偶分度号为K型，则回路总电势型，则回路总电势24270.3tC铜导线显示仪表镍铬镍硅热电偶tct0t1L2L 如补偿导线如补偿导线错接为普通的铜导线错接为普通的铜导线，则测量回路的总电势和温度的显，则测量回路的总电势和温度的显示值为多少。示值为多少。K0000=,0KKKEtEt tEttEt补偿导线冷补（,0)00,0,0,0,0,012.2092.0230.79810.984KKcKKKcKEtEt tEtEtEtEtmV冷补（,0)=查查K型热电偶分度表，得型热电偶分度表，得25188.9tC补偿导线显示仪表镍铬镍硅热电偶tct0t1L2LKKE如如错配错配E型显示仪表型显示仪表，则测量回路的总电势和温度的显示值为多少，则测量回路的总电势和温度的显示值为多少?K0000=,0KKKEtEt tEttEt补偿导线冷补（,0)0000,0,0,0,012.2090.798 1.19212.603KccKKEKEtEt tEt ttEtEtEtEmEV补E冷补偿导线（,0)=查查E型型热电偶分度表热电偶分度表
