快速响应热电偶焊接技术与性能研究-毕业论.doc

兰州交通大学毕业设计（论文） 兰州交通大学 毕 业 设 计 论 文题目： 快速响应热电偶焊接技术与性能研究 学院： 机电工程学院 专业： 材料成型及控制工程 指导教师： 徐立新 老师 班级： 成型091班 姓名： 安志龙 学号： 200904923 I 摘 要 热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一， 是通过测量热电动势来实现测温的，即热电偶测温是基于热电势转化现象热电现象。如果进一步分析，则可发现热电偶是一种换能器，它是将热能转化为电能，用所产生的热电动势测量温度。该电动势实际上是由接触电势（珀尔帖电势）与温差电势（汤姆逊电势）所组成。但是有时由于焊接接头的不良接触会使热电偶的测量造成很大的误差，而且还会降低其灵敏度，影响测量结果。本论文综合讨论了测温技术、热电偶的基本原理、热点偶的焊接接头性能对热点偶灵敏度的影响，其中重点对热电偶焊接接头的焊接工艺进行了较全面的研究。论文首先介绍了一些测温方法；其次用对比法对热点偶焊接接头性能进行了比较；最好全面数据分析，拟合出了自制热电偶的拟合曲线，并对其进行了分析与结论的总结。关键词：热电偶，测温技术，基本原理，拟合曲线I Abstract Thermocouple is one of the most commonly used temperature detecting element in industry, is through the measure to realize the temperature measurement, thermoelectric emfs is thermocouple temperature measurement based on the transformation of thermoelectric potential phenomenon - thermoelectric phenomena. If further analysis, it can be found that the thermocouple is a kind of transducer, it is to convert thermal energy into electric energy, using thermoelectric emf generated by the temperature measurement. The electromotive force is actually made contact potential (Peltier potential) with differential electric potential (Thomson potential). But sometimes because of poor contact of welding joint can make the thermocouple measurement caused great error, but also can reduce the sensitivity, affect the measurement result. Integrated temperature measurement technology are discussed this paper, the basic principle of thermocouple, hot I welding joint performance of hot I sensitivity, the influence of some key thermocouples welded joint welding technology in a more comprehensive study. Paper first introduces some temperature measuring method. Secondly by contrast method for hot accidentally welding joint properties are compared. Comprehensive data analysis, the best fitting out of the homemade thermocouple fitting curve, and carries on the analysis and conclusion is summarized.Key words: Thermocouple，Temperature measuring technology，The basic principle， Fitting curveIII 目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论3第一节 温度测量概述3一、温度3二、温标3三、温度测量的基本原理4第二节 温度测量的方法4一、温度计的选择4二、温度测量方法分类5三、接触式测温方法原理及特点6四、非接触式测温方法原理及特点7五、温度测量技术近年来的发展重点9第三节 研究的主要内容11第二章 快速响应热电偶13第一节 热电偶的基本原理与特点13一、特点13二、热电偶基本原理13第二节 热电偶测温原理18一、接触电势19二、温差电势19第三节 热电偶基本定律与结构形式20一、热电偶基本定律20二、热电偶的结构形式21第四节 热电偶的正确使用与测量方法21一、引起误差的原因22二、切记勿将热电偶补偿导线接反23第五节 热电偶劣化与使用寿命23一、热电偶的劣化23二、热电偶的使用寿命24第三章 热电偶的焊接技术25第一节 热电偶焊点不同方法的的连接25一、直流电弧焊接25二、交流电弧焊接26三、食盐水焊接26四、盐浴焊接27五、水银浴27第二节 电阻焊实质与其基本原理28一、电阻焊实质、分类及特点28二、电阻焊的特点29三、电阻焊的应用30四、电阻热的产生30五、影响电阻热的因素30六、焊接电流的影响32七、通电时间的影响32八、电极压力的影响32九、电极端面形状及材料的影响33十、焊件表面状况的影响33第三节 铜康铜细微热电偶接点的电阻焊接实验33一、铜康铜制作热电偶的一般要求33二、热电偶制作工艺33三、实验工艺流程36四、铜康铜热电偶焊接接头的性能比较37五、热电偶的标定与性能研究41结论及展望46致 谢47参考文献48第一章 绪论 第一节 温度测量概述温度是一个重要的物理量。它是国际单位制中7个基本物理量之一，也是工业生产中,尤其是热力学中的主要工艺参数。但是，要准确地测量被测物体的温度是很困难的，无论采用准确度多么高的温度计，如果温度计选择不当，或者测试方法不适宜，均不能得到满意结果。由此可以看出测量温度技术的重要性与复杂性。一、温度 物体的冷热程度常用“温度”这个物理量来表示。从能量角度来看，温度是描述系统不同自由度间能量分布状况的物理量，从热平衡的观点来看，温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量，它标志着系统内部分子无规则运动的剧烈程度，温度高的物体，分子无规则越大，平均动能则越大；温度低的物体，分子平均动能小。对于非平衡态系统，目前对温度尚缺乏准确的定义。温度的高低，也可由人的器官感觉出来，但这是不可靠，也不准确。为了判断温度的高低，只能借助于某种物质的某种特性（例如体积，长度和电阻等）随温度变化的一定规律来测量，自然就会有各种各样的温度计。但是。迄今为止，还没有适应整个温度范围用的温度计（或物质）。比较理想的物质及相应的物理性能有：液体、气体的体积或压力，金属（或合金）的电阻，热电偶的热电动势和物体的热辐射等，这些性能随温度变化，都可作为温度测量的依据。二、温标 为了保证温度量值的统一和准确，应该建立一个用来衡量温度的标准尺度，简称为温度。温度的高低必须用数字来说明，温标就是温度的数值表示方法。各种温度计的数值都是温标决定的。即温度计必须进行分度，或称标定。好比一把测量长度的尺子。预先要在尺子上刻线后，此能用来测量长度。由于温度这个量比较特殊，只能借助于物理量来间接表示，因此温度的尺子不能像长度的尺子那样明显，它是利用一些物质的“相平衡温度”作为固定点刻在“标尺”上，而固定点中间的温度值则是利用一种函数关系来描述，称为内插函数（或称内插方程）。通常把温度计，固定点和内插方程叫做温标的三要素，或称为三个基本条件。三、温度测量的基本原理 假定有两个热力学系统，原来各处在一定的平衡态，这两个系统相互接触时，由于温度差的存在，它们之间将发生热交换（这种接触叫做热接触）。实验证明。热接触后的两个系统一般都发生变化，但经过一段时间后，两个系统的状态便不再变化，说明两个系统又达到新的平衡态。这种平衡态是两个系统在有热交换的条件下达到的，称为热平衡。 取3个热力学系统D、E、F，进一步实验。将D与E相互隔绝开，但是他们同时与F接触，经过一段时间后，D与E以及D与F都达到了热平衡。这时如果再将E与F接触，则发现E和F的状态都不在发生变化，说明E和F也达到热平衡。由此可以得出结论：如果两个热力学系统都分别与第三个热力学系统处于热平衡。由此可以得出结论：如果两个热力学系统都分别与第三个热力学系统处于热平衡，则它们彼此间也必定处于热平衡。该结论通常称为热力学第零定律。 由热力学第零定律得知，处于同一热平衡状态的所有物体都具有某一共同的温度。温度这个物理量仅取决于热平衡时物体内部的热运动状态。换言之，温度能反映物体内部热运动状况，即温度高的物体，分子平均动能大；温度低的物体，分子平均动能小。因此，温度可表征物体内部大量分子无规则运动的程度。 一切互为热平衡的物体都具有相同温度，这是用温度计测量温度的基本原理。选择适当的温度计，在测量时使温度计与待测物体接触，经过一段时间达到热平衡后，温度计就可以显示出被测物体的温度。第二节 温度测量的方法一、温度计的选择为了准确地测量温度，最重要的是使温度计的感温部分与被测物体的温度一致（对于辐射温度计，射入温度计内的辐射要与被测物体的热辐射一致）。其一致的程度取决于二者的热接触。接触不良将导致测温误差。其次，还应详细探讨测量目的、测量对象及主要的测定量是什么。并在掌握温度计性质、安装情况的基础上，采用最恰当的方法选择最适合的温度计，这点很重要。温度计选择原则如下：1） 使用温度范围、准确度、最小分度值及测量误差是否能达到要求。2） 相应速度、互换性及可靠性如何。3） 读数、记录、控制、报警等操作是否方便。4） 使用寿命，耐热、耐蚀、抗热震性能怎样。5） 经济性。二、温度测量方法分类 温度测量方法有很多，由于测量原理的多样性，也有多种分类。图1.1给出了一种从测量原理上进行分类的方法，基本包含了目前温度测量的基本原理，几乎所有的温度测量方法都是在这些基本原理的基础上发展起来的。 温度测量方法 非接触式测量方法接触式测量方法声波 、微波测温 激光干涉测温光谱法测温辐射式测温接触式光电、热色测温电量式测温膨胀式测温超声波、微波衰减法测量光纤、黑体空腔测量激光散斑、全息照相法纹影法测量干涉仪、纹影法测量多光谱测量光谱吸收法测量受激荧光光谱测量瑞利、拉曼散射光谱比色式、热像仪测量全辐射、亮度式测量试温器、液晶测量石英晶体测量玻璃温度计测量半导体、集成芯片测量热电偶、铂电阻测量压力式温度计的测量双金属温度计的测量 图1.1 温度测量方法分类三、接触式测温方法原理及特点接触式测温方法包括膨胀式测温、电量式（热电偶就是利用了这个基本原理）和接触式光电、热色测温等几大类。接触测温法在测量时需要与被测物体或介质充分接触，一般测量的是被测对象和传感器的平衡温度，在测量时，由于温度计的自生因素，因此接触式测温会对被测温度有一定干扰。（一）电量式测温方法电量式测温方法主要利用材料的电势、电阻或电磁性与温度的函数关系进行温度测量，包括热电偶温度测量、热电阻和热敏电阻温度测量、集成芯片温度测量等。热电偶的原理是两种不同材料的金属焊接在一起,当参考端和测量端有温差时，就会产生热电势，根据该热电势与温度的函数关系就可以较准确的测量温度。热电偶具有结构简单，响应快，适宜远距离测量和自动控制的特点，应用比较广泛。热电阻是根据材料的电阻和温度的关系来进行测量的，输出信号大，而且当两种金属直径越小，则准确度就较高。其稳定性好，但元件结构一般比较大，动态响应较差，不适宜测量体积狭小和温度瞬变区域。热敏电阻是一种电阻值随温度呈指数变化的半导体热敏感元件，具有灵敏度高、价格便宜的特点，但其电阻值和温度的关系线性度差，且稳定性和互换性也不好。石英温度传感器是以石英晶体的固有频率随温度而变化的特性来测量温度的。石英晶体温度传感器稳定性很好，可用于高精度和高分辨力的测量场合。随着电子技术的发展，可以将感温元件和相关电子线路集成在一个小芯片上，构成一个小型化、一体化及多功能化的专用集成电路芯片，输出信号可以是电压、频率，或者是总线数字信号，使用非常方便,适用于便携式设备。（二）膨胀式测温方法 膨胀式测温是一种比较传统的温度测量方法,它主要利用物质的热胀冷缩原理，即根据物体体积或几何形变与温度的关系进行温度测量。膨胀式温度计包括玻璃液体温度计、双金属膨胀式温度计和压力式温度计等。膨胀式温度计结构简单，价格低廉，可直接读数，使用方便，并且由于是机械式测量方式，因此其准确度比较低，不易实现自动化，而且容易损坏。（三）接触式光电、热色测温方法 接触式光电测温方法主要是指通过接触被测对象，将温度变化引起的热辐射或其他光电信号引出，通过导线传向光电转换器件检测该信号，从而获得测温结果的方法。这种方法的优点是：可以在电磁环境下进行温度测量；可以避免像非接触式辐射温度计那样容易受到被测对象表面发射率和中间介质的影响。缺点是：会干扰被测对象的温度，带来接触式测温方法引起的一些误差。光纤式温度测量技术近年来发展迅速，根据光纤所起的作用，可分为两类：一类是利用光纤本身具有的某种敏感功能测量温度，属于功能型传感器；另一类，光纤仅仅起到传输光信号的作用，必须在光纤端面配合其他敏感元件才能实现测量，称为传输型传感器。从信号检测的原理分类，可分为相干型和强度型两种：相干型光纤传感器检测受温度影响后光纤中光相位和偏振的变化，光路比较复杂，对光器件、光纤的要求比较高；而强度型则检测光强随温度的变化，结构相对简单，性能可靠，成本较低。基于不同的原理，有很多种光纤温度传感器，适用于不同的测温场合。热色测温方法主要通过示温敏感材料的颜色在不同温度下发生变化来指示温度的，示温漆和示温液晶都属于热色测温。示温漆可以测量运动物体或其他复杂条件表面的温度分布，使用简单方便，缺点是影响判别温度结果的因素比较多，如涂层厚度、判读方法、样板和示温颗粒大小等，目前主要还是靠人工判读。示温液晶的主要成分是胆甾醇类，这类液晶在一定的温度范围内，其颜色随温度灵敏地变化，改变液晶的成分，可以灵活调整其测温量程和测温灵敏度。四、非接触式测温方法原理及特点 非接触式测温方法则不需要温度计与被测对象接触，因而不会干扰温度场，动态响应特性一般也很好，但是会受到被测对象表面状态或测量介质物性参数的影响。非接触测温方法主要包括辐射式测温、光谱法测温、激光干涉式测温以及声波测温方法等。(一) 辐射式测温方法 辐射式测温方法是以热辐射定律为基础的，由于实际物体往往是非黑体，因此，引入了辐射温度、亮度温度和颜色温度等表观温度的概念，基于以上三种表观温度测量方法的高温计分别称为全辐射高温计、比色式和亮度式高温计。全辐射高温计结构相对简单，但其易受被测对象发射率和中间介质影响比较大，测温偏差较大，不适合用于测量发射率低的目标。亮度温度计结构也比较简单，灵敏度比较高，受被测对象发射率和中间介质影响相对较小，测量的亮度温度与真实温度偏差较小，但也不适用于测量低发射率物体的温度，并且测量时要避开中间介质的吸收带。比色测温法测量结果最接近真实温度，并且适用于低发射率物体的温度测量，但结构比较复杂，价格较贵。红外热像仪是一种二维平面成像的红外系统，它通过光学系统将红外辐射能量聚集在红外探测器上，并转换为视频信号，经过处理形成红外热图像。热像仪除具有与红外测温仪相同的特点外，还具有如下优点：可以采用伪彩色直观显示物体表面的温度场；温度分辨力高，能准确区分的温度差甚至达01e以下。（二）光谱测温方法 光谱测温方法主要适用于高温火焰和气流温度的测量。当单色光线照射透明物体时，会发生光的散射现象，散射光包括弹性散射和非弹性散射，弹性散射中的瑞利散射和非弹性散射的拉曼散射的光强都与介质的温度有关。相比而言，拉曼散射光谱测温技术的实用性更好，常用拉曼散射光谱来测量温度。由于自发拉曼散射的信号微弱且非相干，对于许多具有光亮背景和荧光干扰的实际体系，它的应用受到一定的限制。而受激拉曼散射能大幅度提高测量的信噪比，更具有实用性。如相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温方法，可使收集到的有效散射光信号强度比自发拉曼散射提高好几个数量级，同时还具有方向性强、抗噪声、荧光性好、脉冲效率高和所需脉冲输入能量小等优点，适合于含有高浓度颗粒的两相流场非清洁火焰的温度诊断。但是，CARS法的整套测量装置价格十分昂贵，其信号的处理相当复杂，限制了其广泛使用。受激荧光光谱法是指在入射光的激励下，分子发出的荧光光谱在若干个波长上有较强的尖峰，这些特征波长的强度是温度的函数。通过测量其特征波长下的绝对强度、相对强度，或者荧光的驰豫时间，就可以确定被测介质的温度。谱线反转法也称自蚀法或谱线隐现法，最常见的是钠D线反转法，可用于火焰等高温测量。它的基本原理是在目标火焰中均匀地加入微量钠盐，产生两条波长为5889195!和5895192!的黄色明亮谱线。当背景光源的自然光线照射并通过钠蒸气时，调节背景光使钠谱线在背景的连续光谱中消失时，光源的亮温就等于火焰的温度。谱线反转法的装置简单，适用于火焰稳定、测量方向温度梯度不大的场合。（三）激光干涉测温方法 基于干涉原理的各种光学方法测量介质的温度场，均可以等效为测量介质的折射率分布。它们的测量原理是将流场中各处折射率的变化(即被测介质密度的变化)转变为各种光参量的变化，记录并处理后可以得到其温度和分布。散斑照相法记录的是偏折位置差，反映的是折射率梯度的变化(即折射率的二阶导数)；纹影法记录的是偏折角度差，反映的是折射率的梯度(即折射率的一阶导数)；干涉仪法记录的是光波相位差，反映的是折射率本身；全息干涉法也是基于干涉仪法的原理，不过它不仅可记录物波波前的振幅信息，同时还记录了波前的相位信息，既有相位信息又有振幅信息，反映的是折射率本身和三维流场的立体信息。（四）声波、微波测温方法 声学测温是基于声波在介质中的传播速度与介质温度有关的原理实现的，因此只要测得声速，就可以推算出温度。可以通过直接测量声波在被测介质中的传播速度，也可以测量放在被测介质中细线的声波传播速度来得到温度。这种方法可以用于测量高温气体或液体的温度，在高温时会有更高的灵敏度。微波衰减法可以用来测量火焰温度，其原理是当入射微波通过火焰时，与火焰中的等离子体相互作用，使射出的微波强度减弱，通过测量入射微波的衰减程度可以确定火焰气体的温度。五、温度测量技术近年来的发展重点 传统的热电偶、热电阻测温方法以其技术成熟、结构简单、使用方便等特点,在未来温度测量领域中，依然能够广泛使用。随着新材料、新工艺以及一些新技术的发展，其应用范围更加拓展。（一）薄膜温度传感器 在传感器结构改进方面，出现了薄膜温度传感器，它是随着薄膜技术的成熟而发展起来的新型微传感器，其敏感元件为微米级的薄膜，具有体积小、热扰动小、热动态响应时间短、灵敏度高、便于集成和安装的特点，并且具有耐磨、耐压、耐热冲击和抗剥离的优良性能，特别适合于微尺度或小空间温度测量、表面温度的测量等场合。近年来发展的陶瓷薄膜热电偶，可以测量更高的温度，克服了金属薄膜热电偶的一些催化效应和冶金效应等缺点，在高温表面温度测量领域应用更为广泛。（二）热电偶材料性能的提高在热电偶丝材料方面，一些类型的热电偶性能得到了提高，并出现了一些新型热电偶类型。 N型热电偶越来越受到重视。与K型热电偶相比, N型热电偶的高温稳定性与使用寿命均明显提高。目前国外N型热电偶得到了广泛的应用,而国内应用仍旧不是很普遍，但随着对加工产品质量控制要求的提高，N型热电偶使用将会越来越多。 钨铼热电偶抗氧化技术得到了发展，拓宽了其应用领域。主要是采用热电偶丝材镀膜或采用高致密保护套管隔绝等技术，可以延长钨铼热电偶在氧化气氛下的使用时间，使之不局限在还原条件下使用，可在一定程度上取代铂铑等贵金属热电偶。一些非标准分度的金属、非金属热电偶正在研制并逐步得到应用。为了提高温度测量上限，一些非标准分度的铂铑、铱铑等贵金属热电偶已经在工程上得到应用。另外，一些非金属热电偶材料得到了人们的重视，其特点有：热电动势和微分电势大；熔点高，测温上限也高；价格低；选用合适的非金属材料，可制成抗氧化或抗碳化的热电偶，用于恶劣条件下温度的测量。其缺点是复现性和机械性能差。目前取得进展的非金属热电偶有C-TiC (ZrB2、NbC、SiC)、SiC-SiC、ZrB2(NbC) -ZrC、MoSi2-WSi2以及B4C-C等。（三）温度传感器保护套管材料 保护套管材料在温度测量中对敏感元件起着保护作用,对其测量准确度和使用寿命有很大影响，可由金属、非金属或金属陶瓷等材料制成。近年来金属陶瓷保护套管材料性能得到了很大提高，如Al2O3基、MgO基、ZrO2基和碳化钛基等几种金属陶瓷，具有耐腐蚀、抗热冲击、耐高温性，可以在氧化、还原和中性气氛下使用，在冶金行业中可用于高温金属熔液温度的测量。（四）辐射测温技术 随着光电和红外探测器的发展，出现了多种多样的红外测温仪，红外测温技术得到了更多的应用。具体表现在：测温范围从高温、中温向中、低温部分拓展；准确度和稳定性更高；工作波段多样化，维修方法：修理时需更换新的丝杆或螺母；在圆木棍和紧箍之间加垫片，或将螺母用垫片垫高，以达到缩小两圆木棍和伸缩腿之间的距离。特别适合于微尺度或小空间温度测量、表面温度的测量等场合。近年来发展的陶瓷薄膜热电偶，可以测量更高的温度,克服了金属薄膜热电偶的一些催化效应和冶金效应等缺点，在高温表面温度测量领域应用更为广泛。（五）光纤测温技术 黑体空腔式光纤高温计是由黑体空腔与被测介质达到温度平衡,通过光纤将黑体腔的辐射能量传输给光电探测器件，从而实现温度测量。如蓝宝石黑体空腔式光纤高温计，具有测温高、响应快、寿命长的特点，可以部分取代贵金属热电偶。还有一种测量钢水温度的消耗型光纤温度传感器，也是基于以上原理，由普通石英光纤实现测温，因其价格低、准确度高的特点可以取代消耗型贵金属热电偶。分布式光纤测温系统是近年来发展起来的一种用于实时测量空间温度场分布的传感系统,它是一种分布式的、连续的、功能型光纤温度测量技术。其中，光纤既是传输媒体也是传感媒体，利用光纤后向喇曼散射的温度效应，可以对光纤所在的温度场进行实时测量，利用光时域反射技术(OTDR)可以对测量点进行精确定位。分布式的结构使得该系统能够实现实时快速多点测温。光纤布拉格光栅(FBG)是最近十几年发展最为迅速的光纤无源器件之一，它是利用掺杂(如锗、磷等)光纤的光敏性,通过某种工艺方法使外界入射光子和纤芯内的掺杂粒子相互作用，导致纤芯折射率沿纤轴方向周期或非周期性地永久性变化，在纤芯内成空间相位光栅。当温度变化时，光纤的栅距和折射率发生变化，导致其响应波长的移动，通过检测响应波长即可确定温度。它可以在一根光纤上实现多点测量，并能同时测量温度和应变。利用这些原理制作的光纤多点温度传感器，可以应用在油井温度测量、大坝或地质灾害监测、飞机蒙皮的健康监测方面等场合，具有很好的应用前景,是近几年温度测量技术发展的重点之一。第三节 研究的主要内容 本文以测量温度为背景，阐述了测量温度的一些常用方法，并以热电偶温度计为研究重点，文章中首先阐述了热电偶的种类、电势产生的基本原理，冷端补偿原理、结构形式及误差分析。然后对热电偶接头的不同焊接方法（直流电弧焊接、交流电弧焊接、食盐水焊接、盐浴焊接、水银浴）进行了详细的论述。其次对电阻焊的基本原理、优缺点和影响因素进行了描述。最后对直径0.05mm铜康铜双金属热电偶接头进行焊接，通过自制而成的热电偶进行温度测量，根据测出的不同温度值，分析焊接接头并对焊接工艺进行分析，得出最佳的焊接工艺。第二章 快速响应热电偶测温原理及特点 第一节 热电偶的基本原理与特点一、特点 热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一，热电偶工作原理是基于赛贝克(seeback)效应,即两种不同成分的导体两端连接成回路，如两连接端温度不同，则在回路内产生热电流的物理现象。其优点是：测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。测量范围广。常用的热电偶从-50+1600均可边续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269（如金铁镍铬），最高可达+2800（如钨-铼）。构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。 （一）优点1) 热电偶可将温度量转化成电量进行电量检测，所以对于温度的测量、控制， 以 及对温度信号的放大、变换等都很方便。2) 结构简单，制造容易，价格便宜。3) 惰性小，准确度高，测温范围广。4) 能适应各种测温对象的要求（特定部位或狭小场所），如点温和面温的测量。5) 适于远距离测量与自动控制。（二）缺点1） 测量准确度难以超过0.2。2） 必须有参考端，并且温度要保持恒定。3） 在高温或长期使用时，因受被测介质影响或气氛腐蚀作用（如氧化、还原等）而发生劣化。二、热电偶基本原理 热电偶就是通过测量热电动势来实现测温的，即热电偶测温是基于热电势转化现象热电现象。如果进一步分析，则可发现热电偶是一种换能器，它是将热能转化为电能，用所产生的热电动势测量温度。该电动势实际上是由接触电势（珀尔帖电势）与温差电势（汤姆逊电势）所组成。将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，如图2.1所示。当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便 + 1 金属A 加热 E（AB） - 2 金属B产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。 2.1热电偶原理图 第二节 热电偶的种类及结构形成一、热电偶的种类 常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。 标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。热电偶的结构形式为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下： 组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固。 两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路。 补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠。 保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。热电偶分类如下：（一）S型热电偶）铂铑10-铂热电偶 铂铑10-铂热电偶（S型热电偶）为贵金属热电偶。偶丝直径规定为0.5mm，允许偏差-0.015mm，其正极（SP）的名义化学成分为铂铑合金，其中含铑为10%，含铂为90%，负极（SN）为纯铂，故俗称单铂铑热电偶。该热电偶长期最高使用温度为1300，短期最高使用温度为1600。 S型热电偶在热电偶系列中具有准确度最高，稳定性最好，测温温区宽，使用寿命长等优点。它的物理，化学性能良好，热电势稳定性及在高温下抗氧化性能好，适用于氧化性和惰性气氛中。由于S型热电偶具有优良的综合性能，符合国际使用温标的S型热电偶，长期以来曾作为国际温标的内插仪器，“ITS-90”虽规定今后不再作为国际温标的内查仪器，但国际温度咨询委员会（CCT）认为S型热电偶仍可用于近似实现国际温标。 S型热电偶不足之处是热电势，热电势率较小，灵敏读低，高温下机械强度下降，对污染非常敏感，贵金属材料昂贵，因而一次性投资较大。 （二）（R型热电偶）铂铑13-铂热电偶 铂铑13-铂热电偶（R型热电偶）为贵金属热电偶。偶丝直径规定为0.5mm，允许偏差-0.015mm，其正极（RP）的名义化学成分为铂铑合金，其中含铑为13%，含铂为87%，负极（RN）为纯铂，长期最高使用温度为1300，短期最高使用温度为1600。 R型热电偶在热电偶系列中具有准确度最高，稳定性最好，测温温区宽，使用寿命长等优点。其物理，化学性能良好，热电势稳定性及在高温下抗氧化性能好，适用于氧化性和惰性气氛中。由于R型热电偶的综合性能与S型热电偶相当，在我国一直难于推广，除在进口设备上的测温有所应用外，国内测温很少采用。1967年至1971年间，英国NPL，美国NBS和加拿大NRC三大研究机构进行了一项合作研究，其结果表明，R型热电偶的稳定性和复现性比S型热电偶均好，我国目前尚未开展这方面的研究。 R型热电偶不足之处是热电势，热电势率较小，灵敏读低，高温下机械强度下降，对污染非常敏感，贵金属材料昂贵，因而一次性投资较大。 （三）B型热电偶）铂铑30-铂铑6热电偶 铂铑30-铂铑6热电偶（B型热电偶）为贵金属热电偶。偶丝直径规定为0.5mm，允许偏差-0.015mm，其正极（BP）的名义化学成分为铂铑合金，其中含铑为30%，含铂为70%，负极（BN）为铂铑合金，含铑为量6%，故俗称双铂铑热电偶。该热电偶长期最高使用温度为1600，短期最高使用温度为1800。 B型热电偶在热电偶系列中具有准确度最高，稳定性最好，测温温区宽，使用寿命长，测温上限高等优点。适用于氧化性和惰性气氛中，也可短期用于真空中，但不适用于还原性气氛或含有金属或非金属蒸气气氛中。B型热电偶一个明显的优点是不需用补偿导线进行补偿，因为在050范围内热电势小于3V。 B型热电偶不足之处是热电势，热电势率较小，灵敏读低，高温下机械强度下降，对污染非常敏感，贵金属材料昂贵，因而一次性投资较大。 （四）（K型热电偶）镍铬-镍硅热电偶 镍铬-镍硅热电偶（K型热电偶）是目前用量最大的廉金属热电偶，其用量为其他热电偶的总和。正极（KP）的名义化学成分为：Ni：Cr=90：10，负极（KN）的名义化学成分为：Ni：Si=97：3，其使用温度为-2001300。 K型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中。广泛为用户所采用。 K型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛中。 （五）（N型热电偶）镍铬硅-镍硅热电偶 镍铬硅-镍硅热电偶（N型热电偶）为廉金属热电偶，是一种最新国际标准化的热电偶，是在70年代初由澳大利亚国防部实验室研制成功的它克服了K型热电偶的两个重要缺点：K型热电偶在300500间由于镍铬合金的晶格短程有序而引起的热电动势不稳定；在800左右由于镍铬合金发生择优氧化引起的热电动势不稳定。正极（NP）的名义化学成分为：Ni:Cr:Si=84.4:14.2:1.4，负极（NN）的名义化学成分为：Ni:Si:Mg=95.5:4.4:0.1，其使用温度为-2001300。 N型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜，不受短程有序化影响等优点,其综合性能优于K型热电偶,是一种很有发展前途的热电偶. N型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛中。 （六）（E型热电偶）镍铬-铜镍热电偶 镍铬-铜镍热电偶（E型热电偶）又称镍铬-康铜热电偶，也是一种廉金属的热电偶，正极（EP）为：镍铬10合金，化学成分与KP相同，负极（EN）为铜镍合金，名义化学成分为：55%的铜，45%的镍以及少量的锰，钴，铁等元素。该热电偶的使用温度为-200900。 E型热电偶热电动势之大，灵敏度之高属所有热电偶之最，宜制成热电堆，测量微小的温度变化。对于高湿度气氛的腐蚀不甚灵敏，宜用于湿度较高的环境。E热电偶还具有稳定性好，抗氧化性能优于铜-康铜，铁-康铜热电偶，价格便宜等优点，能用于氧化性和惰性气氛中，广泛为用户采用。 E型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性气氛中，热电势均匀性较差。 （七）（J型热电偶）铁-铜镍热电偶 铁-铜镍热电偶（J型热电偶）又称铁-康铜热电偶，也是一种价格低廉的廉金属的热电偶。它的正极（JP）的名义化学成分为纯铁，负极（JN）为铜镍合金，常被含糊地称之为康铜，其名义化学成分为：55%的铜和45%的镍以及少量却十分重要的锰，钴，铁等元素，尽管它叫康铜，但不同于镍铬-康铜和铜-康铜的康铜，故不能用EN和TN来替换。铁-康铜热电偶的覆盖测量温区为-2001200，但通常使用的温度范围为0750 。 J型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均匀性较好，价格便宜等优点,广为用户所采用。 J型热电偶可用于真空，氧化，还原和惰性气氛中，但正极铁在高温下氧化较快，故使用温度受到限制，也不能直接无保护地在高温下用于硫化气氛中。 （八）（T型热电偶）铜-铜镍热电偶 铜-铜镍热电偶（T型热电偶）又称铜-康铜热电偶，也是一种最佳的测量低温的廉金属的热电偶。它的正极（TP）是纯铜，负极（TN）为铜镍合金，常之为康铜，它与镍铬-康铜的康铜EN通用，与铁-康铜的康铜JN不能通用，尽管它们都叫康铜，铜-铜镍热电偶的盖测量温区为-200350。 二、热电偶冷端的温度补偿 由于热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。必须指出，热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t00时对测温的影响。（一）热电偶冷端补偿原理 热电偶测量温度时要求其冷端（测量端为热端，通过引线与测量电路连接的端称为冷端）的温度保持不变，其热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系。若测量时，冷端的（环境）温度变化，将影响严重测量的准确性。在冷端采取一定措施补偿由于冷端温度变化造成的影响称为热电偶的冷端补偿。 热电偶的冷端补偿通常采用在冷端串联一个由热电阻构成的电桥。电桥的三个桥臂为标准电阻，另外有一个桥臂由（铜）热电阻构成。当冷端温度变化（比如升高），热电偶产生的热电势也将变化（减小），而此时串联电桥中的热电阻阻值也将变化并使电桥两端的电压也发生变化（升高）。如果参数选择得好且接线正确，电桥产生的电压正好与热电势随温度变化而变化的量相等，整个热电偶测量回路的总输出电压（电势）正好真实反映了所测量的温度值。这就是热电偶的冷端补偿原理。（二）热电偶温度表 热电偶温度表是目前应用最广泛的一种温度表，热电偶温度表是一种温度电测仪表，它通常由热电偶、热电偶冷端温度补偿装置(或元件)和显示仪表三部分组成，三者之间用导线连接起来。第二节 热电偶测温原理热电偶是通过把两根不同的导体或半导体线状材料A和B的一端焊接起来而形成的，A、B就称为热电极(或热电偶丝)。焊接起来的一端置于被测温度t处，称为热电偶的热端(或称测量端、工作端)；非焊接端称为冷端(或参考端、自由端)，冷端则置于被测对象之外温度为to的环境中。如把热电偶的两个冷端也连接起来则形成一个闭合回路，如图2.2所示，则当热端温度和冷端温度不相等，即tto时，回路中有电流流过，这说明在回路中产生了电动势，由于热电偶两个接点处的温度不同而产生的电动势称为热电(动)势，上述理象称为热电效应，或称塞贝克效应。热电偶就是利用热电效应来测量温度的。进一步的研究表明，热电势是由接触电势和温差电组成的。 + Ea( t、to) A - + + Eab(t) Eab(to ) + Ea( t、to) A - 图2.2热电偶回路 一、接触电势两种均质导体A和B接触时，由于A和B中自由电子密度不同（设自由电子密度NANB)，导体A将通过接点向导体B进行自由电子扩散，则A失电子，B积累电子，从而使接点两侧产生电位差，建立了静电场E，如图2-2所示，静电场E的存左将阻止自由电子继续扩散。当扩散力和电场力的作用相互平衡时。电子的扩散就相对停止，最终在接点两侧之间产生电势，此电势称为接触电势，用符号eAB(t)表示，其中t为接点处的温度，接触电势的大小与接触面温度t和两种导体的性质有关，方向如图2.3所示，由电子密度小的电极指向电子密度大的电极。 eAB(t) A + - B NANB 图2.3接触电势二、温差电势因导体的自由电子密度会随温度升高而增大，因此当同一导体两端温度不同时(如图2-3所示)，温度高的一端自由电子密度将高于温度低的一端，因此在两端之间也会出现与接触电势中相似的自由电子扩散过程，最终在导体的两端间产生电位差，建立起电势，这种电势被称为温差电势，用符号eA(t，to)表示，其大小与导体两端温度t、to及导体性质有关，如图2.4所示由低温端指向高温端。为了便于分析问题，温差电势有时也写成下面的形式，即eA(t，to)=eA(t)-eA(to)。 eA(t、to) + - t to A tto 图2.4温差电势 综上所述，在图2.2所示的热电偶回路中，当tt0，NANB时，回路内将产生两个接触电势eAB(t)和AB(to)，两个温差电势eA(t，to)和eB(t，to)。各电势的方向如图2.4中所示。这时，回路的总电势，即热电势EAB(t，to)是这些接触电势和温差电势的代数和，即EAB(t,to)= eAB(t) - eA(t,to) - eAB(to) + eB(t,to) = eAB(t)-eA(t)-eA(to) - eAB(to)+eB(t) - eB(to)= eAB(t)-eA(t) + eB(t) - eAB(to)-eA(to)+eB(to) = fAB(t)fAB(to)由于温差电势比接触电势小，又tto，所以在总电势EAB(t，to)中，接触电势eAB(t)所占百分比最大，故总