《制冷與低溫測試技術》課件chapter2-3熱電偶溫度計

1、2.6.熱電偶溫度計 (Thermocouple)2.6.1 熱電偶溫度計 (Thermocouple) 熱電偶溫度計由熱電偶、連接導線和電測儀表組成，它廣泛應用于中低溫的測量，在0.2K-2800C廣大溫區(qū)內都可使用。 特點：熱電偶制作簡單，結點小，反應靈敏，不需要電源，電測儀表簡單，測溫精度能滿足工業(yè)和實驗室一般需要，而且熱電偶能把溫度信號轉變成電信導，可遠傳和集中控制。是工業(yè)和科學研究中常用的測溫儀器2.6.1熱電偶測溫原理 2.6.2熱電偶回路基本性質 2.6.3低溫熱電偶 2.6.4熱電偶的分度和校驗 2.6.5熱電偶的制作和使用 2.6.1熱電偶測溫原理熱電效應塞貝克效應 Seeb

2、eck Effect (1821年）接觸電勢 (Peltier,1834)溫差電勢 (Thomson)2.6.1熱電偶測溫原理接觸電勢 (Peltier)兩種不同導體A和B接觸溫度相同 k為玻爾茲曼常數(shù)，1.3810-23J/K； e為電荷，1.610-19庫；T 越高，接觸電勢越大。nA: 溫度T時的電子密度兩種導體自由電子密度的比值越大，接觸電勢越大 小知識：當電流流過兩種不同導體的界面時，將從外界吸收熱量，或向外界放出熱量，這就是PELTIER 效應。該現(xiàn)象由法國科學家PELTIER在1834年發(fā)現(xiàn)。該現(xiàn)象可用在半導體制冷或半導體發(fā)電技術中。半導體制冷片溫差在0-60度，可產生電壓0-3

3、.5V，電流0-3A2.6.1 熱電偶測溫原理2.6.1熱電偶測溫原理溫差電勢 (Thomson)Source:熱工參數(shù)測量與處理（第二版），呂崇德主編，清華大學出版社 p70當導線兩端的溫度不同時會產生熱電勢。設TT0，則在導體兩端之間的溫差電動勢eA為 同種材料，兩端的溫度不同湯姆遜系數(shù)，大小與材料和溫度有關高溫端比低溫端具有更大的自由電子能量，因此電子從高溫端擴散到低溫端，高溫端帶正電，低溫端得到電子而帶負電2.6.1熱電偶測溫原理回路中總電動勢Source:熱工參數(shù)測量與處理（第二版），呂崇德主編，清華大學出版社 p70在總電勢中，溫差電勢跟接觸電阻比小得多，故可忽略不計，從而總熱電勢

4、為：實際測量中，參考溫度T0一般是固定的，即：EAB(T0)=c，則總熱電勢只與被測溫度T有函數(shù)關系2.6.1熱電偶測溫原理回路中總電動勢即熱電偶所產生的熱電勢只和溫度T有關，因此可通過測量熱電偶的熱電勢來決定被測溫度，這就是熱電偶測溫原理，組成的熱電偶的兩種導體稱熱電極，通常把T0端稱為熱電偶的自由參考端，而T 端稱為工作端或測量端，如果參考端的電流從導體A端流向B，則A稱為正級，而B為負極。2.6.熱電偶溫度計 (Thermocouple)2.6.1熱電偶測溫原理 2.6.2熱電偶回路基本性質 2.6.3低溫熱電偶 2.6.4熱電偶的分度和校驗 2.6.5熱電偶的制作和使用 2.6.2熱電

5、偶回路基本性質 2.6.2.1均勻導體定律 2.6.2.2中間導體定律 2.6.2.3中間溫度定律 2.6.2.4連接導體定律(參考電極定律)定律一均勻導體定律：由一種均質導體組成的閉合回路各處溫度不同都不會產生熱電勢不論其截面積、長度、及各處的溫度分布 小知識：熱電偶必須由兩種不同性質的材料組成，如果在溫度梯度下一種材料組成的回路產生了熱電勢，說明這種材料是不均勻的(化學成分、組織結構、內應力或截面)，據(jù)此，可以檢查偶線材料的均勻性。 2.6.2.1 熱電偶回路基本性質 定律二中間導體定律：在熱電偶回路中插入第三種（或多種）均質材料，只要插入材料兩端連接點溫度相同，則所插入的第三種材料不影響

6、原回路的熱電勢。2.6.2 熱電偶回路基本性質 中間導體定律表明熱電偶回路中可接入測量熱電勢的儀表。只要儀表處于穩(wěn)定的環(huán)境溫度，原熱電偶回路的熱電勢將不受接入測量儀表的影響。證明：熱電偶回路接入第三種材料定律三中間溫度定律：兩種不同材料A和B組成的熱電偶回路，其接點溫度分別為t和t0時的熱電勢EAB(t,t0)，等于熱電偶在連接點溫度為(t,tn)和(tn,t0)時相應的熱電勢EAB(t,tn)和EAB(tn,t0)的代數(shù)和，其中tn為中間溫度 該定律是參考端溫度計算修正法的理論依據(jù)。實際中利用熱電偶參考端溫度往往不等于零，可以利用此定律進行修正。2.6.2.3 熱電偶回路基本性質 證明：定律

7、四連接導體定律：在熱電偶回路中，如果熱電偶的電極材料A和B分別與連接導線A和B相連接，各有關接點溫度為t，tn和t0，那么回路的總熱電勢等于熱電偶兩端處于t和tn溫度條件下的熱電勢EAB(t,tn)與連接導線A和 B兩端處于tn和t0溫度條件的熱電勢EAB(tn,t0)的代數(shù)和。中間溫度定律和連接導體定律是工業(yè)熱電偶測溫中應用補償導線的理論依據(jù)。熱電偶的長度一般為幾十厘米至一、二米，因而參考端離被測對象很近。補償導線的作用是將熱電偶的參考端延伸到遠離熱源或環(huán)境溫度較恒定的地方，改善機械和物理性質，并提高線路的柔性。2.6.2.3 熱電偶回路基本性質 常用熱電偶補償導線2.6.2.4連接導體定律

8、好處：1）降低成本。當熱電偶與儀表的距離較遠時，可用賤金屬補償型補償導線代替貴金屬熱電偶，從而可節(jié)約貴金屬熱電偶材料。2）改善熱電偶測量線路的機械與物理性能。采用多股或小直徑補償導線可提高線路的柔性，使接線方便，并可調節(jié)線路的電阻以及避免外界干擾2.6.2.4（補）標準電極定律 兩種導體A、B分別與參考電極C（或稱標準電極）組成熱電偶，如果它們所產生的熱電勢為已知，那么，A與B兩熱電極配對后的熱電勢可按下式求得：由此可見，標準電極定律大大簡化了熱電偶的選配工作。由于純鉑絲的物理化學性能穩(wěn)定、熔點高、易提純，故常用鉑絲為參考電極2.6.2熱電偶標準測量回路 1、冰水混合物；2、保溫瓶；3、油類或

9、水銀；4、蒸餾水；5、試管；6、蓋；7、銅導線；8、熱電勢測量儀表2.6.2熱電偶回路測量回路一 按照上述的熱電偶特性，在測溫時可有以下幾種連接方法：第一種 2.6.2熱電偶回路測量回路二 第二種2.6.2熱電偶回路測量回路三 第三種使用一個多點轉換開關(無熱電勢轉換開關)和一個測量儀表，能同時測量數(shù)支熱電偶，可用圖2-16c接法。 2.6.2熱電偶回路測量回路四 第四種工業(yè)采用補償線以把熱電偶信號遠傳，可用圖2-19d的接法2.6.2熱電偶實用測量回路五 1）測量兩點溫差的測溫電路在測量兩點溫度T1和T2的差時，采用兩只同型號的熱電偶反向串聯(lián)，同時配用相同的補償導線，這時儀表就可測得兩點的溫

10、差。 參考端溫度為T0:由于：2.6.2熱電偶實用測量電路六 2）測量多點溫度之和的測溫電路 2.6.2熱電偶實用測量電路七 3）測量多點平均溫度的測溫電路證明：此時總電勢為：2.6.2熱電偶參考點的補償 理論上，對某一熱電偶來講，熱電偶產生的熱電勢與被測溫度應該呈現(xiàn)函數(shù)關系，但實際上參考端溫度并不是保持恒定，而是在緩慢的變化。同時熱電偶的分度表是以00C作為基準進行分度的，而實際中參考端的溫度往往不是00C。因此為了準確獲得被測溫度，我們必須對參考溫度進行修正或補償。 1）冷端恒溫方式 冰水混合物。 也可將參考端置于恒溫槽中，如恒溫槽溫度為Tm，則冷端的誤差為：2.6.2熱電偶參考點的補償

11、2)參考端溫度自動補償法 工業(yè)上，常常采用參考端溫度自動補償法，這種方法就是在熱電偶和測溫儀表間接入一個不平衡電橋（也稱為溫度補償器）來補償參考端溫度不為0 0C或變化而引起的熱電勢變化。當參考端溫度升高，導致回路中總電勢降低(或增加）時，溫度補償器此時受參考端的變化產生一個正電勢，其值剛好等于熱電偶降低的電勢，兩者相互抵消而達到補償?shù)哪康?。反之亦然?電橋的四個橋臂：溫度系數(shù)較小的錳銅絲繞制R1,R2,R3，以及具有正溫度系數(shù)且系數(shù)較大的銅絲、可調Rcu。補償器在工作時與參考端處于同一環(huán)境。工程中一般設計為電橋與20 0C出于平衡。應用時，適當選擇橋臂電阻和電源電壓，同時調節(jié)Rcu，可補償參

12、考端溫度變化引起的熱電勢變化E(T0,200C）。2.6.熱電偶溫度計 (Thermocouple)2.6.1熱電偶測溫原理 2.6.2熱電偶回路基本性質 2.6.3低溫熱電偶 2.6.4熱電偶的分度和校驗 2.6.5熱電偶的制作和使用 2.6.3低溫熱電偶 對熱電材料有下列主要要求：物理化學性能穩(wěn)定，能在較寬的溫度范圍內使用， 其熱電勢性質不隨時間變化；熱電勢和熱電勢率(dE/dT或稱靈敏度)大，熱電勢與溫度之間呈線性變化； 良好復現(xiàn)性，以便互換；響應塊；加工性能好，價格便宜。K 鎳鉻-鎳硅2.6.3低溫熱電偶2.6.3低溫熱電偶1、鎳鉻康銅(E型) 2、銅康銅(T型)3、鎳鉻金鐵 4、銅鐵

13、 測溫范圍：25-273-673K偶線的熱導率差，漏熱小偶線均勻性差，精確度低 測溫范圍：50-640K低溫下應用最廣泛的熱電偶之一 測溫范圍：2-300K熱電勢在低溫區(qū)(10K以下)較大 銅代金的銅鐵熱偶 2.6.3低溫熱電偶1、普通型熱電偶結構圖 2.6.3低溫熱電偶鎧裝式熱電偶2.6.3低溫熱電偶薄膜式熱電偶2.6.熱電偶溫度計 (Thermocouple)2.6.1熱電偶測溫原理 2.6.2熱電偶回路基本性質 2.6.3低溫熱電偶 2.6.4熱電偶的分度和校驗 2.6.5熱電偶的制作和使用 2.6.4熱電偶的分度和校驗 (1)內插公式法(以K表示) (2-63)(以C表示) (2-64

14、) 式中An，Bn是待定系數(shù)，美國NIST制定的金鐵熱電偶標準參考表5KT280K的數(shù)據(jù)，是以式(2-63)中取N=14得到的，而銅-康銅分度表用N=5，按式(2-64)計算的。 對于實用的熱電偶，在上述公式中取N=2或3即可，如銅-康銅熱電偶，在-1900C，取N=3，誤差為0.01C，取N=2時誤差為0.5C，2.6.4熱電偶的分度和校驗當N=3時，式(2-64)變成： 只要在三個已知溫度點測出其電勢值，常數(shù)a、b、c即可求得，三個已知溫度可以是固定點(如液氮沸點，二氧化碳升華點(-78.48)和汞凝固點(-38.8344)，也可以由標準鉑電阻溫度計測定的溫度。 2.6.4熱電偶的分度和校

15、驗(2)標準參考表法 實驗室制作熱電偶的偶線，工廠按規(guī)定的工藝標準生產的，因此同類熱電偶的E-T關系很接近，國際常用的標準表由美國NBS提供，可供參考，表2-15，表2-16和表2-17。 使用參考表來分度熱電偶方法很多，如：可以從幾個已知溫度下測出等分度熱電偶的熱電勢值Ex；再從參考表中查出已知溫度對應的標準電勢值Es，查得偏差曲線得Es，結果Es= Ex +Ex查參考表即可得對應的溫度Ts。 2.6.4熱電偶的分度和校驗(3)ET 曲線法 利用參考表可以作Es-T的曲線，然后在幾個已知溫度下測得E值，并同畫在一個表上得E-T曲線，這種方法簡單但精度不很高。 低溫熱電偶由于工作溫度低，雖不會

16、發(fā)生氧化，但受冷熱循環(huán)變化會產生應力或損傷折斷，中高溫熱電偶由于工作溫度高，偶材受氧化、腐蝕，在高溫下偶材會發(fā)生再結晶，引起熱電勢發(fā)生變化，使測量誤差增大，因此熱電偶要定期進行校驗，校驗的方法和分度相同，300C以下及低溫可以用鉑電阻溫度計作標準比對，300C以上可用鉑電阻溫度計和鉑銠-鉑標準熱電偶作標準進行比對。 2.6.熱電偶溫度計 (Thermocouple)2.6.1熱電偶測溫原理 2.6.2熱電偶回路基本性質 2.6.3低溫熱電偶 2.6.4熱電偶的分度和校驗 2.6.5熱電偶的制作和使用 2.6.5熱電偶的制作和使用1、材料的選擇 2、結點的制作 3、參考點的選擇 4、低溫熱電偶的

17、熱接觸 5、差分熱電偶 2.6.5熱電偶的制作和使用1、材料的選擇 準確性的限制，主要來自材料的不均勻性。不均勻的材料在溫度梯度下，類似于加入第三種材料，而且這種材料兩端溫度不同，會產生附加電勢，引入測量誤差。 對所用的偶絲材料進行均勻性檢查，簡單的辦法是線的兩端接在微伏計上，然后讓線逐段通過液氮槽，如果微伏計上輸出不超過2V左右，偶絲即可使用。 銅絲問題小些，但銅熱導好，容易通過傳熱影響結點溫度，可以選得細些，但銅純度不夠，混有少量有害雜質，在低溫下有反常的溫差電動勢。 標準銀的熱電性能和銅差不多，可代替銅使用，因它的熱導率比銅小得多，可以用得粗些。 合金材料均勻性較差，不能做得太細。材料的

18、物理和化學不均勻性（如成分不均勻）、或受應力2.6.5熱電偶的制作和使用2、結點的制作 結點最好是熔焊，在熔焊時要防止結點以外部分過熱而引起的氧化，成分改變(如金鐵合金中少量的鐵很容易氧化)，常用的方法是：把待做結點的兩根偶線，去掉頭上絕緣物并擦干凈，然后絞合在一起，上些硼砂或浸在硼砂中，并接到直流電源正極金屬夾上，與電源的負極短路，瞬間放電可使偶絲形成光亮的球狀結點，若用惰性氣體保護，則效果更好。 結點也可用錫焊，但必須先絞合在一起，錫焊只起固定作用，焊點應盡量小，錫焊部分溫度要均勻，在錫焊時宜采用中性助焊劑(松香)以免氧化腐蝕或引進化學亂真電勢，在焊接時烙鐵功率不能太大，而動作要快，偶絲不能長期受熱，如金鐵絲在錫焊溫度(約200C)就熔化。 熱偶線切勿打折，不但會引進亂真電勢，還會影響它的壽命和電絕緣。 2.6.5熱電偶的制作和使用3、參考點的選擇 在液氮溫度以上直至高溫熱電偶都用冰點作參考溫度，用蒸鎦水結成的冰可得到相當準確的冰點(0C)；天然冰次之；人造冰中常含有鹽類物質使冰點偏低，熱電偶結點可放在盛有變壓器油的試管