《建筑环境与能源应用工程专业综合实验》 教案 3-2热电偶

热电偶热电效应和热电偶测温原理两种不同金属焊接成的闭合电路被称为热电偶。由于不同金属自由电子的气密度不一样，在焊接处两种金属中的自由电子相互扩散出现差异，致使两金属接触处产生一个电势差，此为接触电动势。接触电动势除了与两种金属性质有关外，还与温度有关，在温度相同的情况下，两接头处电动势数值相等、方向相反，总电动势为零。若两接头处温度不同，两电动势数值不同，总电动势就不为零，闭合电路就会出现电流，这种由温差引起的电流称为温差电流。用温差电偶测量温度的方法：令一个接头的温度已知，另一个接头插入待测温度的物体中，测出电偶内出现的温差电流，便可推知被测温度。将A、B两种不同材质的金属导体的两端焊接成一个闭合回路，如REF_Ref6855\h图1所示。若两个接点处的温度不同，在闭合回路中就会有热电势产生，这种现象称为热电效应。两点间温差越大则热电势越大，在回路内接入毫伏表，它将指示出热电势的数值。热电偶正是基于这一热电效应与温度之间的关系来测量温度的。这两种不同材质的金属导体的组合体就称为热电偶，热电偶的热电极有正（+）、负（－）之分。图1热电偶原理图T>T0当T>T0时，在热端（T）和冷端（T0）所产生的等位电势分别为E1E2，此时回路中的总电势为： E=E1-E2当热端温度T为测量点的实际温度时，为了使T与总电势E之间具有一定关系，令冷端温度T0不变，即E2=K（常数），这样回路中的总电势为： E=E1-K 回路中产生的热电势仅是热端温度T的函数。当冷端温度T0=0℃时，可得出REF_Ref12604\h图2所示的热电势-温度特性曲线（E-t特性曲线）。根据上述原理，可以选择到许多反应灵敏准确、使用可靠耐久的金属导体来制作热电偶。图2热电势-温度特性曲线热电偶的结构和标准化1）铠装热电偶完整的热电偶由热电极、绝缘套管、保护套管、接线盒等部分组成，如REF_Ref12896\h图3所示。热电极的直径由材料的价格、机械强度、导电率及用途和测温范围所决定。如是贵金属，热电极直径多用0.3～0.65mm的细丝；廉金属热电极直径一般为0.5～3.2mm。热电极的长度由安装条件、热电偶的插入深度来决定，通常为350～2000mm。绝缘套管的作用是防止两个热电极之间或热电极与保护套管之间短路。套管的材料和结构形式由使用温度范围确定，其结构形式有长有短，有单孔、双孔、四孔等多种规格。在1000℃以下采用普通陶瓷，1300℃以下采用高纯氧化铝，1600℃以下采用刚玉。保护套管为使热电偶不直接与被测介质接触。以防止化学腐蚀、玷污和机械损伤，将热电偶放入保护套管中。保护管的材质一般根据测量范围、加热区长度、环境气氛以及测温的时间常数等条件来决定。各种保护套管材料及其使用温度为：黄铜为400℃、碳钢为700℃、不锈钢为900℃、高温不锈钢为1000～1200℃、高纯氧化铝为1300℃、刚玉为1600℃、金属陶瓷为1800℃、氧化铍和氧化钍可达2200℃。接线盒一般由铝合金制成，供热电偶与补偿导线或引出线用，兼有密封和保护接线端子的作用。2）薄膜热电偶采用真空蒸镀或化学涂层等制造工艺将两种热电极材料蒸镀到绝缘基板上，形成薄膜状热电偶，其热端极点非常薄，大约0.01～0.1μm。薄膜热电偶适合于表面温度的快速测量，响应时间约为数毫秒。基板由云母或浸渍酚醛塑料片等制成，热电极由镍铬-镍硅、铜-康铜等。薄膜热电偶的测温范围一般在300℃以下，使用时可用胶粘剂将基板固定在被测物体的表面，示意图如REF_Ref13118\h图4所示。图3铠装热电偶的结构图4薄膜热电偶示意图1—接线盒；2—保护套管；1—热电极；2—热极点3—绝缘套管；4—热电偶3—绝缘基板；4—引出线热电偶的分类热电偶可分为标准化热电偶和非标准化热电偶。1）标准化热电偶标准化热电偶是指生产工艺成熟、成批生产、性能优良并已列入工业标准文件中的热电偶，具有统一的分度表，可互换并有配套的显示仪表供使用。国际电工委员会（InternationalElectroTechnicalCommission，IEC）向各国推荐七种标准化热电偶，我国标准化热电偶已经采用IEC标准。（1）廉金属热电偶T型（铜-康铜）热电偶的测温范围为－200～350℃，在廉金属热电偶中准确度最高，热电势较大，其主要原因是铜丝的纯度高而无应力。低于－200℃时热电势变化急剧降低，350℃以上则主要是受铜的氧化限制。K型（镍铬-镍铝或镍硅）热电偶在廉金属热电偶中测温范围最宽（－200～1100℃），温度-毫伏特性接近线性，热电势比S型热电偶大4～5倍，我国目前多用镍铬-镍硅热电偶取代镍铬-镍铝热电偶，它们的特性一样，而且脱氧化性强。它们使用同一分度表。E型（镍铬-康铜）热电偶虽不及K型热电偶应用广泛，但在标准型热电偶中灵敏度最高，在氧化气氛中可使用到1000℃。（2）贵金属热电偶S型（铂铑10-铂）热电偶在所有标准化热电偶中S型热电偶是准确度等级最高的，但热电势小，热电特性曲线非线性较大。长期使用测温上限可到1400℃。短期可测到1600℃，不适于还原性气氛。R型（铂铑13-铂）热电偶与S型热电偶相比除热电势稍大之外，其他特点均相同。它只作为引进设备的配件，不大量生产。B型（铂铑30-铂铑6）热电偶又简称为双铂铑热电偶。这种类型的热电偶具有铂铑-铂热电偶的各种特点，抗污染能力强，具有较好的稳定性，长期使用上限可达1600℃，但这种热电偶热电势最小，灵敏度低，室温下热电势极小，E（25）=2mV，故使用时一般不采用补偿导线，也不适用于还原性气氛。2）非标准化热电偶随着生产和科学技术的发展，测温范围向超高温和深低温两极拓展，测温精度的要求也日益提高，新的测温方法和传感器不断出现，有些热电偶目前尚无定型产品，热电势与温度的关系也没有标准化，所以称为非标准化热电偶，常用的有钨-铼系热电偶、钨-铱系热电偶等。热电偶的制作热电偶的制作常用以下两种方法。电弧焊接法。如图5所示，先准备一台调压器，找两个废旧1号干电池取出炭棒（或用直径相近的炭棒），将炭棒一端磨成锥体，另一端用导线拧紧在炭棒上，并接到调压器的输出端。调压器的输入端接电源，输出电压调到20V左右。两根炭棒水平放置在工作台上，中间留有间隙，将待焊的热电偶端头放在炭棒中间，两只炭棒向热电偶缓缓靠近，当产生弧光时两根导线熔化形成光滑无孔的球形焊接点，这样即焊好一个热电偶。图5热电偶电弧焊接法因焊接时弧光十分刺激人的眼睛，所以应戴上墨镜。工作电压过高，会使热电偶头部产生气孔或者焊接不牢，工作电压过低，金属熔化不好也会使焊接不牢。为确保焊接质量，应边焊边用放大镜检查，随时调整工作电压。不合格的焊头可剪掉重新焊接。若想得到比较理想的热电偶，需在焊接过程中不断摸索、总结经验。（2）锡焊接法。它与一般用电烙铁、焊锡焊接导线的方法相同，但只许使用焊药而严禁使用“锥水”，焊点要小并且力求圆滑。锡焊制作的热电偶性能相对比较稳定，因焊头比较牢固而不易损坏。但一般操作者难以达到对焊点的要求。制作好的热电偶，为防止漆皮被磨破造成短路，应用两种颜色的塑料套管保护起来。热电偶测温显示仪表根据热电偶的测温原理，当冷端温度一定时，热电偶回路的热电势只是被测温度的单值函数。因此可以在回路中加入测量热电势的仪表，通过测量热电偶回路的热电势来得到被测温度值。常用的测量热电势的仪表有动圈式仪表、电位差计和数字式电压表等。铜-康铜热电偶所产生的热电势较小，用毫伏计不易准确测量，所以与铜-康铜热电偶配用的二次仪表通常为高精度的电位差计。1）动圈式仪表这是一种直接变换式仪表，变换信号所需的能量是由热电势供给的。输出信号是仪表指针相对于标尺的位置，其工作原理如REF_Ref30235\h图6所示。图6动圈式仪表原理图REF_Ref30235\h图6（a）虚线框内是指示仪内部测量部分，其中RD处是一种测量微安级电流的磁电式指示仪表。热电偶经过补偿导线、冷端补偿器和外部调整电阻RC再与温度指示仪相连接。REF_Ref30235\h图6（b）是磁电式指示仪表的基本原理图。当处于均匀恒定磁场中的线圈通以电流I时，线圈将产生转动力矩M，在线圈几何尺寸和匝数已定的条件下，M只与流过线圈的电流成正比。动圈偏转角与流过动圈的电流具有单值正比关系。2）直流电位差计用动圈式仪表测量热电势虽然比较方便，但电流流过总回路，会因回路电阻变化而给测温带来误差。又由于机械方面和电磁方面的因素，很难进一步提高测量精度。因此在高精温度测量中常使用直流电位差计测量热电势。直流电位差计是按随动平衡方式工作的，采用把被测量与已知标准量比较后的差值调整至零差的测量方法，所以当直流电位差计处于静态平衡时热电偶回路没有电流，因而对测量回路电阻值的变化没有严格的要求。（1）手动电位差计。这是一种带积分环节的仪器，因此具有无差特性，这就决定了它可以具有很高的测量精度，工作原理见图7。图7手动电位差计原理REF_Ref30438\h图7中的直流工作电源EB是干电池或直流稳压电源，EN为标准电池。图中共有3个回路：A由EB、Rs、RN、RABC所组成的工作电流回路，回路的电流为I；B由Ex、RN和检流计G所组成的校准回路，回路电流为iN，其功能是调整工作电流I维持设计时所规定的电流值：C由Et、RAB和检流计G组成的测量回路，回路电流为i。当开关K置向“标准”位置时，校准回路工作，其电压方程为 EN-IRN=式中RG——检流计的内阻；

RE调整Rs以改变工作电流回路的工作电流I，使检流计G指零，即iN=0，则EN=I将开关K置向“测量”位置，此时测量回路工作，其电压方程为 Et-IRN=式中RE——移动电阻RABC的滑动点B使检流计G指零，则i=0，Et=IRAB，由于I已是精确的工作电流值，同时手动电位差计的高精度决定于高灵敏度的检测计、仪表内稳定和准确的各电阻值以及稳定的标准电压。常用高精度的手动电位差计最小读数可达0.01μV。自动电子电位差计。由于手动电位差计精度高，在精密测量中显示出很大的优越性，所以广泛地应用于科学实验和计量部门中。而在工业生产过程中大多需要进行连续测量与记录，要求既要具有较高测量精度又能连续自动记录被测温度。自动电子电位差计是较理想的一种。它的精度等级为0.5级，除可以自动显示和自动记录被测温度值外，还可以自动补偿热电偶的冷端温度。增加附件后还能增加参数超限自动报警、多笔记录和对被测参数进行自动控制等多种功能。自动电子电位差计的基本工作原理如图8所示。它的工作电流回路和测量回路可以与手动电位差计类比，只是去掉了检流计，而用电子放大器对微小的不平衡电压进行放大，然后驱动可逆电动机通过一套机械装置自动进行电压平衡的操作，最终消除不平衡电压。因此它也是一种带积分环节具有无差特性的仪表。图8自动电子电位计原理图图8中的EB为稳压电源，恒值电流I流过电阻RP。若RP上的分压UAB=Et，则电子放大器的输入偏差电压∆E=Et-UAB=0，RP上的滑动点B的位置反映了被测值Et，若UAB≠Et，则电子放大器的输入偏差电压∆E≠0，经放大后能有足够的功率去驱动可逆电动机，并根据∆E>0或∆E<0做正向或反向转动，经机械系统带动RP的滑点B或左或右移动，直到Et和3）数字式电压表热电偶所配用的数字式电压表的基本原理是把被测的模拟电压量转换为二进位制的数字量，再用数码显示器按十进位数码显示出来。其核心部件是模-数转换器，简称为A/D转换器。比较适用的A/D转换器根据转换原理的不同可分为两种：一种为逐次逼近式A/D转换器；另一种为双积分式A/D转换器。前者因其转换速度快，在计算机数据采集与处理系统中所用的AD转换器多属此类，它每转换一次所需时间为1～100μs，最通用的约为25μs；后者虽然转换速度较慢，每转换一次约30ms，但其抗干扰能力较强，价格低，常用于数字式电压表中。参考端温度处理根据热电偶的测温原理，EABT，T0=fT-fT0的关系式可看出，热电偶回路所产生的热电势，只有在固定冷端温度T0时。热电偶的输出电势才只是热端温度T的单值函数，在热电偶的分度表中或分度检定时，冷端温度都保持在1）冷端恒温法维持冷端恒温的方法很多，常见的方法有以下两种。把冷端引至冰点槽内，维持冷端始终为0℃，但使用起来不大方便。一般在实验室精密测量中使用，特别是分度和校验热电偶时都要用它。可以购买高精度的冰点槽，控温精度可以达到0±0.002℃。也可以利用保温瓶自制冰点槽，保温瓶内用纯水制成冰水混合状态，瓶内温度可以保持为0±0.1℃。把冷端用补偿导线引至电加热的恒温器内，维持冷端为某一恒定的温度。通常一个恒温器可供许多支热电偶同时使用。此法适于工业应用。2）补偿导线法补偿导线法的原理是在一定温度范围内，采用与配用热电偶的热电特性相同的一对带有绝缘层的廉金属导线作为补偿导线。如REF_Ref25765\h图9所示，其中A'、B'为补偿导线，在一定温度范围内（如0～100℃），它的热电特性与主热电偶A、B的热电特性基本相同，所以A'、B'可视为A、B热电极的延长，因而热电偶的冷端也从T0'处移到T0处，这样热电偶回路的热电势只同T和T0有关，原冷端T0'的变化不再影响读数。若T0=0，则仪表对应着热端的实际温度值；若T0≠0需进行补偿与修正