大物实验热电偶制作与测温

1、热电偶的制作与测温热电偶的制作与测温报告人：报告人：*小组成员：小组成员：* * * *华东师范大学华东师范大学2012年年12月月14日日第一部分 实验目的1.探究人点偶的测量原理2.了解温差电热与不同材料间的关系3.学习制作热电偶的方法4.学会热电偶的定标及测温的方法 第二部分第二部分 实验原理实验原理 热电偶的测温原理热电偶的测温原理 热电偶温度计以热电偶作为感温元件，一般用于测量热电偶温度计以热电偶作为感温元件，一般用于测量500500以上的高温，长期使用时其测温上限可达以上的高温，长期使用时其测温上限可达13001300，短期使，短期使用时可达用时可达16001600，特殊材料制成的

2、热电偶可测量的温度范围为，特殊材料制成的热电偶可测量的温度范围为2000200030003000。 特点：特点：热电偶具有热电偶具有性能稳定、测温高、结构简单、使用性能稳定、测温高、结构简单、使用方便、经济耐用、容易维护和体积小方便、经济耐用、容易维护和体积小等优点，还便于信号远传等优点，还便于信号远传和实现多点切换测量。和实现多点切换测量。 应用：应用：电厂生产过程中的主蒸汽温度、过热器管壁温度电厂生产过程中的主蒸汽温度、过热器管壁温度、烟气高温等都是采用热电偶来测量的。、烟气高温等都是采用热电偶来测量的。 热电偶由热电偶由两种不同材料的导体（或半导两种不同材料的导体（或半导体）体）A A和

3、和B B组成。组成。A A、B B是热偶丝，也叫热是热偶丝，也叫热电极。放在被测对象中，感受温度变化电极。放在被测对象中，感受温度变化的那端的那端称为热端另一端称为冷端。当热端和冷称为热端另一端称为冷端。当热端和冷端温度不同时回路中有电流流过，此电端温度不同时回路中有电流流过，此电流称为热电流，产生热电流的电动势称流称为热电流，产生热电流的电动势称为热电势，这种物理现象称为热电现象为热电势，这种物理现象称为热电现象。 理论和实践都证实，热电现象中产生的热电势理论和实践都证实，热电现象中产生的热电势是由接触电势和温差电势两种电势的综合效果是由接触电势和温差电势两种电势的综合效果。二、热电偶的基本

4、定律这些定律已在理论分析和实践中得到证明，对保证热电偶这些定律已在理论分析和实践中得到证明，对保证热电偶正确测量温度至关重要。正确测量温度至关重要。 1、均质导体定律 该定律内容是：由一种均质导体或半导体组成的闭合回该定律内容是：由一种均质导体或半导体组成的闭合回路，路，不论导体或半导体的截面积、长度和各处温度分布如不论导体或半导体的截面积、长度和各处温度分布如何，都不能产生热电势。何，都不能产生热电势。 结论：结论： （1 1）热电偶必须由两种不同性质的材料构成。）热电偶必须由两种不同性质的材料构成。 （2 2）由一种材料组成的闭合回路存在温差时，回路如产）由一种材料组成的闭合回路存在温差时

5、，回路如产生热电势，便说明该材料是不均匀的。据此，可检查热电生热电势，便说明该材料是不均匀的。据此，可检查热电极材料的均匀性。极材料的均匀性。 2 2、中间导体定律、中间导体定律 该定律内容是：由不同材料组成的闭合回路中，若各种材料接触点的温度都相同，则回路中热电势的总和等于零。该定律内容是：由不同材料组成的闭合回路中，若各种材料接触点的温度都相同，则回路中热电势的总和等于零。 结论：结论： （1 1）在热电偶回路中接入第三种均质材料，只要保证所）在热电偶回路中接入第三种均质材料，只要保证所接入材料两端温度相同，就不会影响热电偶的热电势。下图接入材料两端温度相同，就不会影响热电偶的热电势。下图

6、为两种接入中间导体的热电偶回路。为两种接入中间导体的热电偶回路。 1.1.显示仪表接入热电偶回路时，只要保证连接导线和显示仪显示仪表接入热电偶回路时，只要保证连接导线和显示仪表接入热电偶回路时两连接端的温度相同，就不会改变回路表接入热电偶回路时两连接端的温度相同，就不会改变回路热电势。热电势。2.2.热电偶的热端焊接点也相当于第三种金属，只要它与热电热电偶的热端焊接点也相当于第三种金属，只要它与热电极接触良好，整个接点温度一致，也不会影响热电偶回路的极接触良好，整个接点温度一致，也不会影响热电偶回路的热电势。热电势。3.3.中间温度定律中间温度定律 已知热电偶在某一给定冷端温度下进行的分度，只

7、要已知热电偶在某一给定冷端温度下进行的分度，只要引入适当的修正，就可在另外的冷端温度下使用。引入适当的修正，就可在另外的冷端温度下使用。 该定律为制定和使用热电偶的热电势一温度关系即分该定律为制定和使用热电偶的热电势一温度关系即分度表奠定了理论基础。度表奠定了理论基础。 因为热电偶分度表是在冷端温度因为热电偶分度表是在冷端温度t t0 0 =0=0时热电势与热时热电势与热端温度的关系，根据中间温度定律便可以算出任何冷端温端温度的关系，根据中间温度定律便可以算出任何冷端温度时的热电势值。度时的热电势值。 E EABAB（t t，0 0）E EABAB（t t，t tn n）E EABAB（t t

8、n n，0 0）需要说明的几个问题：需要说明的几个问题： 分度表的建立分度表的建立 热电偶分度表是在冷端温度热电偶分度表是在冷端温度t t0 0 =0 =0时热电势与热端温时热电势与热端温度的关系，可用表格形式给出，不同材料制成的热电度的关系，可用表格形式给出，不同材料制成的热电偶有不同的分度表。偶有不同的分度表。 注意：注意：热电偶的热电势与热端温度的关系一般热电偶的热电势与热端温度的关系一般为非线性关系。为非线性关系。确定了某一热电偶的材料质的情况下：式中a,b为电偶常熟，t为热端温度，t0为冷端温度。2)t -b(t)t -t (a00 （1 1）热电偶的热电势是热电偶两端温度的函数之差

9、，其大小热电偶的热电势是热电偶两端温度的函数之差，其大小取决于热电偶两个热电极材料的性质和两端接点温度，而与热取决于热电偶两个热电极材料的性质和两端接点温度，而与热电极几何尺寸无关。电极几何尺寸无关。 （2 2）如果保持热电偶冷端温度）如果保持热电偶冷端温度t t0 0恒定不变，对一定材料的热恒定不变，对一定材料的热电偶，其电偶，其e eABAB（t t0 0）亦为常数，设为）亦为常数，设为C C，则热电偶的热电势只与，则热电偶的热电势只与热电偶热端温度热电偶热端温度t t有关，若测得有关，若测得E EABAB(t,t(t,t0 0) ) 值，便可知温度值，便可知温度t t值，值，这就是热电偶

10、测温原理。即这就是热电偶测温原理。即 E EABAB(t,t(t,t0 0)=f)=fABAB(t) (t) C C常用的标准化热电偶常用的标准化热电偶铂铑铂铑10-10-铂热电偶（分度号铂热电偶（分度号S S） 铂铑铂铑13-13-铂热电偶（分度号铂热电偶（分度号R R） 铂铑铂铑30-30-铂铑铂铑6 6热电偶（分度号热电偶（分度号B B）镍铬一镍硅（镍铬一镍铝）热电偶（分度号镍铬一镍硅（镍铬一镍铝）热电偶（分度号K K） 镍铬硅一镍硅镁热电偶（分度号镍铬硅一镍硅镁热电偶（分度号N N） 镍铬一康铜热电偶（分度号镍铬一康铜热电偶（分度号E E） 铁一康铜热电偶（分度号铁一康铜热电偶（分度号

11、J J）铜一康铜热电偶（分度号铜一康铜热电偶（分度号T T）注意了解各种注意了解各种标准化热电偶的分度号、特点。标准化热电偶的分度号、特点。热电偶冷端温度处理热电偶冷端温度处理 对热电偶冷端温度进行处理的原因对热电偶冷端温度进行处理的原因 热电偶的测温原理表明：热电偶的热电势是两个接点热电偶的测温原理表明：热电偶的热电势是两个接点温度的函数差，只有当冷端温度不变时，热电势才是热端温温度的函数差，只有当冷端温度不变时，热电势才是热端温度的单值函数。但在实际应用中，热电偶冷端所处环境温度度的单值函数。但在实际应用中，热电偶冷端所处环境温度总有波动，从而使测量得不到正确结果，因此必须对热电偶总有波动

12、，从而使测量得不到正确结果，因此必须对热电偶冷端温度变化的影响采取补偿措施，使热电偶的热电势只反冷端温度变化的影响采取补偿措施，使热电偶的热电势只反映热端温度（被测温度）的变化，而不受冷端温度变化的影映热端温度（被测温度）的变化，而不受冷端温度变化的影响。响。 总的来说，只有两种均质的导体组成的热总的来说，只有两种均质的导体组成的热电偶在冷端热端具有温差的时候才会有热电偶在冷端热端具有温差的时候才会有热电势。并且材料确定后，热电势置于温度电势。并且材料确定后，热电势置于温度有关，是温度的二次函数。有关，是温度的二次函数。实验步骤1.测温差电动势连接好实验装置，如前面的图，将热电偶热端置烧烧水壶

13、中，将热电偶冷端置于保温杯的冰水混合物（0摄氏度），酱烧水壶中的水加热至100摄氏度，读出台式万用表上显示的文差电动势。2.热电偶定标如步骤一，随着热水壶中的水降温，每隔5摄氏度。度并记录温差电动势，而热电偶冷端保持不变（0摄氏度）。做出热电偶定标曲线。这里我们用的是比较法3.拟合定标曲线分别用一次曲线，和二次曲线去拟合定标曲线，进行多项式回归显著性检验4.估计室温值利用制成的简单热电偶“温度计”测量室温，根据曲线求出室温。比较当天天气预报。注意事项实验数据记录线性回归模型0.084-0.041tE0.084-0.041tE二次回归模型003. 0037. 02t )5211. 4(tEE线性

14、回归与二次回归比较0.084-0.041tE结论通过对铜通过对铜-康铜热电偶的制作标定及多项式回归分析康铜热电偶的制作标定及多项式回归分析表明表明, 铜铜-康铜热电偶的制作简单康铜热电偶的制作简单,测头光滑、无污测头光滑、无污染、不断偶、一致性好、拟合优度好。染、不断偶、一致性好、拟合优度好。无论是线无论是线性拟合性拟合,还是二次拟合都能满足测温精度的要求。还是二次拟合都能满足测温精度的要求。铜铜-康铜热电偶在日常生产生活中康铜热电偶在日常生产生活中,采用线性拟合采用线性拟合,便于直接计算便于直接计算;利用二次拟合可获得更为准确的铜利用二次拟合可获得更为准确的铜-康铜热电偶的分度表。铜康铜热电

15、偶的分度表。铜-康铜热电偶测温灵敏康铜热电偶测温灵敏度高度高,热电势值大热电势值大,测温精度高测温精度高,一致性好一致性好,价格低廉价格低廉在使用铜在使用铜-康铜热电偶时康铜热电偶时,为了保证测温的准确度为了保证测温的准确度,要注意参考端温度、动态误差、测量端的绝缘性要注意参考端温度、动态误差、测量端的绝缘性能等几个方面的问题。能等几个方面的问题。估计室温当日闵行最高气温12度。测得室温对应的是0.620mV，带入曲线 得到温度17.7度，比室外高五度？是开空调了还是我们大家能够呼出来五度。0.084-0.041tE误差1.电偶是否接触良好，是否表面光滑不断偶。2.热电偶直径过大，也会影响精度

16、。3.冷端温度变化增加了动态误差。4导体不均匀。有附加热电势5.热端接触不良。6.被实验多次了的热电偶绝缘变差从而对热电势有损耗，导线破了漆包线也是如此7.热电偶的热惰性及测量端过大8.显示仪表误差。9. 还有其他如电路连接不当接触不良操作不当等。及偶然误差。几点小结与小思考1.为什么在一次二次拟合曲线中，都出现了常数项？.测温端不恒为零，略比零度低。.测量误差及偶然误差.该电偶利用次数较多，含有杂质，不均匀，导电性不好。2.查铜康铜的分度表，发现我的曲线每个温度对应的热电势比标准值低。以90为例，标准值为3.813我测3.652。误差4.2%。原因和上面三条相同。思考题1.要不同的导电材料。

17、必须均匀的两种导体，否则会产生附加热电势干扰。2.不能，锡熔点低。还会引进第三种金属。但可以用热镀锡膜。3.冰水混合物。可以不取0度，可以采用恒温箱保持冷端恒定，但是实验成本增加。4.不可以，电流过小，导线电阻也会带来误差5.用一次二次曲线定标，定标之后得到关系式。可以求一定范围内任意温度。6.插在冷端的铁丝是第三种金属。第二问两个接头温度相同。7.不可以室温波动较大，而我们知道热电偶实质是测温度差的，冷端温度变化大，无法准确测量热端温度了8.应该可以吧，这个可不可以测比参照端的请各位指教。9.通过本实验，我认识到了电学对于测量世界的重要对于数字化世界的重要，物理量都可以转化为电学进行数字化测

18、量。比如力传感器速度计油箱计、光传感器当我们一个物理量不易测量时，就要转换测量方法，此是心得一。其二，温度计是用已知温度定标，去测未知温度，比如热敏电阻应用于高温铁炉，实际上炉子里的温度我们不知道的。而温度计已经证实在已知温度范围内成立了。这就是推广了。思考：为什么热电偶不直接用铜线直接引出电势信号？我国规定我国规定补偿导线分为补偿型和延伸型两种补偿导线分为补偿型和延伸型两种。补偿。补偿型补偿导线的材料与对应的热电偶不同，是用贱金型补偿导线的材料与对应的热电偶不同，是用贱金属制成的，但在低温下它们的热电性质是相同的。属制成的，但在低温下它们的热电性质是相同的。延伸型补偿导线的材料与对应的热电偶相同，但其延伸型补偿导线的材料与对应的热电偶相同，但其热电