热电偶测温原理及热电极材料演示文稿

热电偶测温原理及热电极材料演示文稿目前一页\总数五十五页\编于九点（优选）热电偶测温原理及热电极材料目前二页\总数五十五页\编于九点1、热电偶是什么东西？两个问题：1）热电偶是什么东西？2）热电偶是如何起源的？目前三页\总数五十五页\编于九点第一个故事：珀尔帖1834年，法国钟表匠珀尔帖将两种电子数密度不同的金属材料连接在一起，发现一个问题：目前四页\总数五十五页\编于九点珀尔帖实验结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。

热电极A自由端（参考端、冷端）

测量端（工作端、热端）

热电极B热电势AB目前五页\总数五十五页\编于九点接触电势(珀尔帖电势)珀尔帖电动势的数量级在10－1－10－3V之间，其数值大小除与金属材料有关外，还与温度有关，表示为：珀尔帖效应不是一种接触现象，与接点的接触情况毫无关系，只是由材料的固有性质决定的。目前六页\总数五十五页\编于九点接触电势假设NA>NB，则由于电子数密度梯度的存在而发生扩散现象：由A向B扩散,A失去电子带正电,B得到电子带负电,从而在接触面之间形成电场E。目前七页\总数五十五页\编于九点回路中的接触电势目前八页\总数五十五页\编于九点第二个故事：汤姆逊效应1854年，汤姆逊发现，同一种金属如存在温度梯度，如1处温度T0,2处温度T0＋⊿T，则温度高端自由电子动能大,会向温度低端移动，产生电动势,称为汤姆逊电势（开尔文），其值的大小为两端温度的函数：目前九页\总数五十五页\编于九点第三个：塞贝克效应

seeback材料和温度都不同。1821年，德国医生塞贝克将两种不同材料的导体或半导体A和B连接起来，构成一个闭合回路（如右图所示），当两接点温度不同时，回路中将有电流流动，此电流称为热电流。由于回路中的电流太小，当时塞贝克无法检知。

目前十页\总数五十五页\编于九点塞贝克电动势塞贝克电动势塞贝克系数SAB目前十一页\总数五十五页\编于九点对于金属热电极来说，因自由电子浓度很高，两端温差不会明显改变两端电子浓度差异，因此可以忽略单一导体的温差电势。已知条件AB目前十二页\总数五十五页\编于九点EAB(T2,T1)－热电偶的电动势；EAB(T2)－温度为T2端的电动势（工作端，感温端）；EAB(T1)－温度为T1端的电动势（连接仪表端，参比端，冷端），将热电偶的一个接点保持在一个恒定不变的温度T1，则热电偶的电动势仅随另一个接点的温度T2的变化而变化，也就是说，此时热电偶的电动势是温度T的单值函数。目前十三页\总数五十五页\编于九点2、热电偶基本原理热电偶定义：由两种不同材料的导体或半导体连接起来，用来测量温度的元件，称为热电偶。这两种导体称为热电极。热电偶测温方法：（1）1823年，物理学家贝克勒尔0－300℃Fe-Cu回路（2）列·卡特列尔使热电偶成为一种真正适用的高温计，500度左右的高温时采用PtRh10-Pt（铂铑－铂）热电回路。贵金属目前十四页\总数五十五页\编于九点注意事项:（1）热电偶并不是测量接点的温度T2，而是测量的温度差T2-T1。（2）热电偶回路热电动势的大小只与组成热电偶的材料及两端的温度有关，而与热电偶丝（偶丝）的几何形状（长短粗细）无关。（3）材料不同或接触点温度不同才有热电动势。目前十五页\总数五十五页\编于九点注意事项：(4）接触电势与温差电势相比要大得多。因而热电偶回路的总热电动势由接触电动势大小确定。(5）热电偶的极性由金属材料的电子数密度大小确定，电子数密度大的金属导体为正极。(6）当热电偶的两个热电极材料已知时，在实验室中精确测定热电偶的E-T特性程度为分度。目前十六页\总数五十五页\编于九点目前十七页\总数五十五页\编于九点3、热电偶回路基本性质3.1均质回路定律3.2中间导体定律3.3中间温度定律有了基本原理后如何运用？目前十八页\总数五十五页\编于九点3.1均质回路定律均质回路定律:由一种均质材料组成的闭合回路，不论材料长度方向各处温度如何分布（依靠局部加热或冷却或改变其横截面积），回路中均不产生热电势。目前十九页\总数五十五页\编于九点均质回路定律作用：作用：检验材料的均匀性。（1）加热杂质段与均质段的交接处，则回路中会产生热电动势。（2）热电偶急冷急热，热电极材料晶粒粗大，产生不均匀性。组成热电偶的两种材料必须各自都是均质的,否则会由于沿热电偶长度方向存在温度梯度而产生附加电势，从而因热电偶材料不均引入误差。目前二十页\总数五十五页\编于九点3.2中间导体定律：测温在热电偶回路中插入第三种（或多种）均质材料，只要所插入的材料两端连接点温度相同，则所插入的第三种材料不影响原回路的热电势，即热电偶产生的电动势保持不变。目前二十一页\总数五十五页\编于九点假设T=T0目前二十二页\总数五十五页\编于九点中间导体定律作用：拉线（1）在热电偶回路中可拉入测量热电势的仪表和导线，只要保持两端接点的温度相同，不影响回路测量结果。（2）热电偶的接点不仅可经焊接而成，也可以借用均质等温的导体加以连接。(对于不易焊接的两极)目前二十三页\总数五十五页\编于九点3.3中间温度定律：补偿导线

中间温度定律:两种不同材料组成的热电偶回路，其接点温度分别为T0和T2时的热电势EAB(T0,T2)等于“两个”热电偶在连接点温度为(T0,T1)和(T1,T2)时相应的热电势EAB(T0,T1)和EAB(T1,T2)的代数和，其中T1为中间温度。假设A和A‘不是一种材料！T0为被测温度，T大于T1,T1大于T2！目前二十四页\总数五十五页\编于九点中间温度定律目前二十五页\总数五十五页\编于九点中间温度定律的应用:补偿导线使用成为可能，避免贵金属大量使用。当热电偶冷端（参比端）温度T1不为0℃时，且T1已知，仍可以采用热电偶分度表求得被测温度T2值。例1目前二十六页\总数五十五页\编于九点例1：冷端温度为20℃，热电偶为铂铑－铂，毫伏表测得的电动势为0.3毫伏，求被测物体的温度。已知条件：E1=0.3毫伏，T1=20℃,T2=0℃，求T0=?解：查表，E2=0.113毫伏，则E=E1＋E2=0.413毫伏。查表T0=67℃。前提条件：冷端温度用其他办法测出来。目前二十七页\总数五十五页\编于九点例2：镍铬－镍硅热电偶，A’B’为补偿导线，Cu为铜导线，已知接线盒1的温度t1=40℃,t2=0℃，t3=20℃。当Ux＝39.314mV时，计算被测点温度tx。如果A’B’换成铜导线，此时Ux＝37.701mV，求tx

。txA’B’说明：补偿导线在温度较低时（100度）其电子数目与偶丝一样！目前二十八页\总数五十五页\编于九点说明：采用不同导线测同一温度，热电势不相等。目前二十九页\总数五十五页\编于九点4、热电极材料基本要求理论上任何两种导体（或半导体）材料都可以组配成热电偶，但是要制成使用的测温元件，热电极材料必须具有一定的要求：（1）热电极材料之间的热电动势应足够大，并且随温度呈单值函数变化。（2）热电极材料的熔点应足够高，以便配成的热电偶能在较宽的温度范围内工作。热电偶最高使用温度比热电极材料的熔点低50－150℃。目前三十页\总数五十五页\编于九点（3）热电极材料应具有良好的高温抗氧化性和抗环境介质的腐蚀性。（4）热电极材料的热电特性在使用过程中或分度时应稳定不变。（5）热电极材料应具有良好的塑性和足够高的机械强度，以利于加工成丝材。热电极材料基本要求热电极材料特殊要求目前三十一页\总数五十五页\编于九点

第一种方法：互相搭配

按材料的绝对热电动势特性选配I:导体A和B的塞贝克系数SAB与导体A和B自身的绝对热电动势SA、SB之间存在如下的关系：SAB＝SA－SB，因此配对材料应选择具有相反符号的，量值大的SA和SB。II:导体A和B的绝对热电动势率随温度变化的曲线斜率要求相等。线性！目前三十二页\总数五十五页\编于九点第二种方法：与参照物搭配

按参比电极定律选配

参比电极定律：若导体A和B分别与某个参比热电极C组成热电偶，当两接点温度都在T0和T时，则所产生的热电动势为EAC和EBC。EAB（T0，T）＝EAC（T0，T）－EBC（T0，T）目前三十三页\总数五十五页\编于九点按参比电极定律选配

当用导体A和B直接配对热电偶，其两接点的温度也在同样的温度T0和T时，所产生的热电动势EAB为上述两种热电偶的热电动势之差。EAB（T0，T）＝EAC（T0，T）－EBC（T0，T）目前三十四页\总数五十五页\编于九点参比电极定律的作用参比电极的使用简化了热电极的选配工作。只要获得有关热电极与标准电极（铂电极）配对的热电势，那么任何两种热电极配对时的热电势便可以通过公式求得，而不需重新进行测定。标准电极：纯度非常高的铂作为参比电极，Pt-67。目前三十五页\总数五十五页\编于九点世界上仅南非和俄罗斯出产。

铂金的抗氧化能力强，熔点高；良好的催化剂，被广泛用于汽车尾气排放装置；任何人的皮肤对铂金都不会有过敏现象，可做成电极用于电子脉冲调节器；可用于制造潜水深度达200米的深水手表。Pt900代表纯铂含量高达90％的铂金首饰。Pt-27是27号熔铂炉炼出的铂材料，到了60年代材料用竭。Pt-67年代名，其纯度99.999%

。

铂金常识目前三十六页\总数五十五页\编于九点5、标准热电偶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。目前三十七页\总数五十五页\编于九点5.1热电偶的国际标准国际上规定热电偶分为八个不同的分度，分别为B，R，S，K，N，E，J和T，其测量温度的最低可测零下270摄氏度，最高可达1800摄氏度。其中B，R，S属于铂系列的热电偶，由于铂属于贵重金属，所以他们又被称为贵金属热电偶，而剩下的几个则称为廉价金属热电偶。写法：BP/BN目前三十八页\总数五十五页\编于九点贵金属热电偶优点：高温下使用；物理性能稳定；测量精度高；便于复制；熔点高。缺点：材料成本高；灵敏度低（热电势低！）。还原性气氛、侵蚀性气氛、金属蒸汽易断丝。S:铂铑10-铂R:铂铑13-铂B:铂铑30-铂铑6目前三十九页\总数五十五页\编于九点贵金属热电偶铑的好处：铂铑合金对铂的热电动势随着合金中铑的含量增加而迅速增加，但到一定程度后（铑含量大于40％后），合金的热电动势却不会再变化。但铑会扩散到铂级，或者作为氧化物挥发出去！铑的缺点：随着铑含量的增加，铂铑合金的加工性变坏（需要热加工或频繁进行中间退火处理才能拉成丝），目前含铑量以30％为限。目前四十页\总数五十五页\编于九点（1）S型：铂铑10-铂系列最早开始使用的热电偶!1890年优点：性质稳定，精度高，抗氧化能力强，在空气或真空环境中，S型热电偶能在1400℃下连续使用；在1750℃下可以使用它进行短时间的测量。长期工作温度1300℃

。800度以上缺点：热电特性非线性严重高温下易升华与再结晶。目前四十一页\总数五十五页\编于九点（3）B型：铂铑30-铂铑6系列1953年测量高温的比较理想的热电偶，可连续用于0－1800℃温区，能在氧化性或惰性气氛中使用。优点：（1）不会出现铑扩散；（2）不易发生大结晶化的现象；（3）机械性能好，长期使用后热电动势下降的趋势也不明显。缺点：热电动势和灵敏度不如S型和R型热电偶（尤其在低温范围），价格贵。特点：在0－50℃范围内热电动势很小（50℃时为3微伏）,冷端不为0度时可不补偿。目前四十二页\总数五十五页\编于九点（4）K型：镍铬（9：1）-镍硅（97：3）1906年工业使用最广泛的一种，优点：1）具有较好的抗氧化性能，广泛应用于500－1300℃的测温范围；2）0－1100℃之间的热电动势与温度的关系几乎是线性的，使得显示仪表的刻度均匀；3）热电动势大，灵敏度比较高；P2724）热导率低；5）便宜，工业中广泛使用（1000℃以上取代S型）。目前四十三页\总数五十五页\编于九点（4）K型：缺点1）对应力敏感；2）不适用于还原性气氛或者交替氧化和还原的气氛中；3）不适用于硫气氛中以及真空中；

含硫气氛对电极有腐蚀作用真空气氛会使正极（镍铬）中的铬优先蒸发，使得分度特性变化4）精度较铂铑－铂热电偶低。目前四十四页\总数五十五页\编于九点Ni-Cr合金：K状态、择优氧化K状态是Ni－Cr合金特有的晶格变化，当Cr含量在5－30%范围内、温度为300－500℃时存在原子晶格有序向无序转变，引起热电动势不稳定！择优氧化：Ni—Cr合金在800℃左右氧分压较低时同O2亲和力大的Cr，将发生选择性氧化，Cr含量降低会引起热电势偏低。目前四十五页\总数五十五页\编于九点（5）N型：镍铬硅-镍硅镁

1971年分度表与K型热电偶相近，但抗氧化性和稳定性大幅提高。名义成分是：正极为14.2%Cr，1.4%Si，余量是Ni；负极为4.4%Si，0.1Mg，余量为Ni。克服K型热电偶两个缺点：K状态、择优氧化增加了稀土金属La、Ce、Y、Ca，使合金丝的高温抗氧化性和热稳定性有明显地提高。N型热电偶的长期稳定性远优于K型热电偶，成为可用于－50－1300℃的优秀的廉价金属热电偶。（国际标准热电偶）目前四十六页\总数五十五页\编于九点（6）E型：镍铬（9：1）-铜镍（康铜）适用于－200－900℃温区的氧化性或惰性气氛中的温度测量。低温炉广泛使用热电动势最大、灵敏度最高，制成热电堆，测量微小的温度变化。可用于核反应堆！福岛核电站适宜湿度较高度环境，适宜核辐射环境（热电特性稳定），不适宜于还原性气氛或含碳与含硫气氛中，变脆！目前四十七页\总数五十五页\编于九点E型热电偶热电势最大！目前四十八页\总数五十五页\编于九点（7）J型：铁-铜镍系列:Fe-NiCu551910年开始使用纯铁-康铜，但康铜成分与E型热电偶中负极材料不同。JP、NP既可在氧化性气氛中使用（750℃），又可在还原性气氛中使用（950℃），不能在高温含硫的气氛中使用。超过500℃

，铁氧化速率加快！目前四十九页\总数五十五页\编于九点（8）T型：铜-铜镍系列正极为纯铜、负极与E型热电偶通用。使用温度低，－200℃－350℃在使用温度范围内，准确度最高，稳定性和均匀性好！可制作标准热电偶铜在500℃会很快氧化，不超过400℃。目前五十页\总数五十五页\编于九点5.2非标准热电偶贵金属热电偶:铂铑