大物实验热电偶制作与测温

热电偶的制作与测温

报告人：***小组成员：************华东师范大学2012年12月14日当前第1页\共有36页\编于星期六\4点第一部分实验目的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当前第2页\共有36页\编于星期六\4点

第二部分实验原理

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500℃以上的高温，长期使用时其测温上限可达1300℃，短期使用时可达1600℃，特殊材料制成的热电偶可测量的温度范围为2000～3000℃。

特点：热电偶具有性能稳定、测温高、结构简单、使用方便、经济耐用、容易维护和体积小等优点，还便于信号远传和实现多点切换测量。

应用：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。

当前第3页\共有36页\编于星期六\4点热电偶测温主要利用热电现象1、热电现象(塞贝克效应）热电偶由两种不同材料的导体（或半导体）A和B组成。A、B是热偶丝，也叫热电极。放在被测对象中，感受温度变化的那端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。热电偶

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。当前第4页\共有36页\编于星期六\4点当前第5页\共有36页\编于星期六\4点二、热电偶的基本定律

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路，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。

结论：

（1）热电偶必须由两种不同性质的材料构成。

（2）由一种材料组成的闭合回路存在温差时，回路如产生热电势，便说明该材料是不均匀的。据此，可检查热电极材料的均匀性。

当前第6页\共有36页\编于星期六\4点2、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。结论：

（1）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。下图为两种接入中间导体的热电偶回路。

当前第7页\共有36页\编于星期六\4点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。

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。当前第8页\共有36页\编于星期六\4点3.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，只要引入适当的修正，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度表奠定了理论基础。

因为热电偶分度表是在冷端温度t0=0℃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度时的热电势值。

EAB（t，0）＝EAB（t，tn）＋EAB（tn，0）当前第9页\共有36页\编于星期六\4点需要说明的几个问题：

分度表的建立

热电偶分度表是在冷端温度t0=0℃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偶有不同的分度表。

注意：热电偶的热电势与热端温度的关系一般为非线性关系。当前第10页\共有36页\编于星期六\4点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。当前第11页\共有36页\编于星期六\4点

（1）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，而与热电极几何尺寸无关。

（2）如果保持热电偶冷端温度t0恒定不变，对一定材料的热电偶，其eAB（t0）亦为常数，设为C，则热电偶的热电势只与热电偶热端温度t有关，若测得EAB(t,t0)值，便可知温度t值，这就是热电偶测温原理。即

EAB(t,t0)=fAB(t)–C

我们选取0摄氏度为冷端参考端，C等于零。当前第12页\共有36页\编于星期六\4点

标准化热电偶与非标准化热电偶

所谓标准化热电偶是指制造工艺较成熟、应用广泛、能成批生产、性能优良而稳定并已列入专业或国家工业标准化文件中的那些热电偶。由于标准化文件对同一型号的标准化热电偶规定了统一的热电极材料及其化学成分、热电性质和允许偏差，也就是说标准化热电偶具有统一的分度表。对于同一型号的标准化热电偶具有互换性、使用十分方便。

非标准化热电偶是为适应更高或更低的温度以及特殊的介质气氛而出现的,它们没有统一的国家标准和统一的分度号。它们是标准化热电偶的补充。当前第13页\共有36页\编于星期六\4点常用的标准化热电偶

•铂铑10-铂热电偶（分度号S）

•铂铑13-铂热电偶（分度号R）

•铂铑30-铂铑6热电偶（分度号B）

•镍铬一镍硅（镍铬一镍铝）热电偶（分度号K）

•镍铬硅一镍硅镁热电偶（分度号N）

•镍铬一康铜热电偶（分度号E）

•铁一康铜热电偶（分度号J）

•铜一康铜热电偶（分度号T）

注意了解各种标准化热电偶的分度号、特点。当前第14页\共有36页\编于星期六\4点当前第15页\共有36页\编于星期六\4点热电偶冷端温度处理

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总有波动，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映热端温度（被测温度）的变化，而不受冷端温度变化的影响。当前第16页\共有36页\编于星期六\4点总的来说，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。当前第17页\共有36页\编于星期六\4点实验步骤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当前第18页\共有36页\编于星期六\4点当前第19页\共有36页\编于星期六\4点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。当前第20页\共有36页\编于星期六\4点注意事项①引线接点处要防水以防短路;②引线的正负极一定要与热电偶的正负极相对应,否则会引起测量误差;③冷端保持恒定，最好0℃减小动态误差:尽量④缩小热电偶测量端的体积,以减小测量端的热容量,提高响应速度。⑤使用的检测记录仪表采集数据时选取时间间隔尽量小,达到秒级为宜;⑥根据热电偶的最高使用温度选择合适的绝缘材料,保证在整个测温范围内都能有足够的绝缘电阻;⑦多点测量时,选择热电偶要性能稳定和一致性好的类型;⑧在测温过程中定期对热电偶进行温度标定当前第21页\共有36页\编于星期六\4点实验数据记录当前第22页\共有36页\编于星期六\4点线性回归模型当前第23页\共有36页\编于星期六\4点当前第24页\共有36页\编于星期六\4点二次回归模型当前第25页\共有36页\编于星期六\4点线性回归与二次回归比较可以看到相关系数R²分别为0.999和1.000拟合效果都特别好，而且可一看到在二次回归中，a=4.211E-5÷b=0.11%。所以完全可以用线性回归来代替二次回归来描铜康铜热电偶定标曲线当前第26页\共有36页\编于星期六\4点结论通过对铜-康铜热电偶的制作标定及多项式回归分析表明,铜-康铜热电偶的制作简单,测头光滑、无污染、不断偶、一致性好、拟合优度好。无论是线性拟合,还是二次拟合都能满足测温精度的要求。铜-康铜热电偶在日常生产生活中,采用线性拟合,便于直接计算;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-康铜热电偶测温灵敏度高,热电势值大,测温精度高,一致性好,价格低廉在使用铜-康铜热电偶时,为了保证测温的准确度,要注意参考端温度、动态误差、测量端的绝缘性能等几个方面的问题。当前第27页\共有36页\编于星期六\4点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。当前第28页\共有36页\编于星期六\4点误差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。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。当前第29页\共有36页\编于星期六\4点几点小结与小思考1.为什么在一次二次拟合曲线中，都出现了常数项？①.测温端不恒为零，略比零度低。②.测量误差及偶然误差③.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。当前第30页\共有36页\编于星期六\4点思考题1.要不同的导电材料。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。当前第31页\共有36页\编于星期六\4点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。当前第32页\共有36页\编于星期六\4点当前第33页\共有36页\编于星期六\4点思考：为什么热电偶不直接用铜线直接引出电势信号？

我国规定补偿导线分为补偿型和延伸型两种。补偿型补偿导线的材料与对应的热电偶不同，是