大物實驗熱電偶制作與測溫

1、熱電偶的制作與測溫報告人：*小組成員：* * * *華東師范大學(xué)2012年12月14日第一頁，共三十六頁。第一部分 實驗?zāi)康?.探究人點偶的測量原理2.了解溫差電熱與不同材料間的關(guān)系3.學(xué)習(xí)制作熱電偶的方法4.學(xué)會熱電偶的定標及測溫的方法第二頁，共三十六頁。 第二部分 實驗原理 熱電偶的測溫原理 熱電偶溫度計以熱電偶作為感溫元件，一般用于測量500以上的高溫，長期使用時其測溫上限可達1300，短期使用時可達1600，特殊材料制成的熱電偶可測量的溫度范圍為20003000。 特點：熱電偶具有性能穩(wěn)定、測溫高、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、經(jīng)濟耐用、容易維護和體積小等優(yōu)點，還便于信號遠傳和實現(xiàn)多點切換測量。

2、 應(yīng)用：電廠生產(chǎn)過程中的主蒸汽溫度、過熱器管壁溫度、煙氣高溫等都是采用熱電偶來測量的。 第三頁，共三十六頁。熱電偶測溫主要利用熱電現(xiàn)象1、熱電現(xiàn)象(塞貝克效應(yīng)）熱電偶由兩種不同材料的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）A和B組成。A、B是熱偶絲，也叫熱電極。放在被測對象中，感受溫度變化的那端稱為熱端另一端稱為冷端。當熱端和冷端溫度不同時回路中有電流流過，此電流稱為熱電流，產(chǎn)生熱電流的電動勢稱為熱電勢，這種物理現(xiàn)象稱為熱電現(xiàn)象。熱電偶 理論和實踐都證實，熱電現(xiàn)象中產(chǎn)生的熱電勢是由接觸電勢和溫差電勢兩種電勢的綜合效果。第四頁，共三十六頁。第五頁，共三十六頁。二、熱電偶的基本定律這些定律已在理論分析和實踐中得到證明，對

3、保證熱電偶正確測量溫度至關(guān)重要。 1、均質(zhì)導(dǎo)體定律 該定律內(nèi)容是：由一種均質(zhì)導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成的閉合回路，不論導(dǎo)體或半導(dǎo)體的截面積、長度和各處溫度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢。 結(jié)論： （1）熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的材料構(gòu)成。 （2）由一種材料組成的閉合回路存在溫差時，回路如產(chǎn)生熱電勢，便說明該材料是不均勻的。據(jù)此，可檢查熱電極材料的均勻性。 第六頁，共三十六頁。2、中間導(dǎo)體定律 該定律內(nèi)容是：由不同材料組成的閉合回路中，若各種材料接觸點的溫度都相同，則回路中熱電勢的總和等于零。 結(jié)論： （1）在熱電偶回路中接入第三種均質(zhì)材料，只要保證所接入材料兩端溫度相同，就不會影響熱電偶的熱電勢。下圖為兩種

4、接入中間導(dǎo)體的熱電偶回路。 第七頁，共三十六頁。1.顯示儀表接入熱電偶回路時，只要保證連接導(dǎo)線和顯示儀表接入熱電偶回路時兩連接端的溫度相同，就不會改變回路熱電勢。2.熱電偶的熱端焊接點也相當于第三種金屬，只要它與熱電極接觸良好，整個接點溫度一致，也不會影響熱電偶回路的熱電勢。第八頁，共三十六頁。3.中間溫度定律 已知熱電偶在某一給定冷端溫度下進行的分度，只要引入適當?shù)男拚?，就可在另外的冷端溫度下使用?該定律為制定和使用熱電偶的熱電勢一溫度關(guān)系即分度表奠定了理論基礎(chǔ)。 因為熱電偶分度表是在冷端溫度t0 =0時熱電勢與熱端溫度的關(guān)系，根據(jù)中間溫度定律便可以算出任何冷端溫度時的熱電勢值。 EAB（

5、t，0）EAB（t，tn）EAB（tn，0）第九頁，共三十六頁。需要說明的幾個問題： 分度表的建立 熱電偶分度表是在冷端溫度t0 =0時熱電勢與熱端溫度的關(guān)系，可用表格形式給出，不同材料制成的熱電偶有不同的分度表。 注意：熱電偶的熱電勢與熱端溫度的關(guān)系一般為非線性關(guān)系。第十頁，共三十六頁。確定了某一熱電偶的材料質(zhì)的情況下：式中a,b為電偶常熟，t為熱端溫度，t0為冷端溫度。第十一頁，共三十六頁。 （1）熱電偶的熱電勢是熱電偶兩端溫度的函數(shù)之差，其大小取決于熱電偶兩個熱電極材料的性質(zhì)和兩端接點溫度，而與熱電極幾何尺寸無關(guān)。 （2）如果保持熱電偶冷端溫度t0恒定不變，對一定材料的熱電偶，其eAB（

6、t0）亦為常數(shù)，設(shè)為C，則熱電偶的熱電勢只與熱電偶熱端溫度t有關(guān)，若測得EAB(t,t0) 值，便可知溫度t值，這就是熱電偶測溫原理。即 EAB(t,t0)=fAB(t) C 我們選取0攝氏度為冷端參考端，C等于零。第十二頁，共三十六頁。標準化熱電偶與非標準化熱電偶 所謂標準化熱電偶是指制造工藝較成熟、應(yīng)用廣泛、能成批生產(chǎn)、性能優(yōu)良而穩(wěn)定并已列入專業(yè)或國家工業(yè)標準化文件中的那些熱電偶 。 由于標準化文件對同一型號的標準化熱電偶規(guī)定了統(tǒng)一的熱電極材料及其化學(xué)成分、熱電性質(zhì)和允許偏差，也就是說標準化熱電偶具有統(tǒng)一的分度表。對于同一型號的標準化熱電偶具有互換性、使用十分方便。 非標準化熱電偶是為適應(yīng)

7、更高或更低的溫度以及特殊的介質(zhì)氣氛而出現(xiàn)的,它們沒有統(tǒng)一的國家標準和統(tǒng)一的分度號。它們是標準化熱電偶的補充。第十三頁，共三十六頁。常用的標準化熱電偶鉑銠10-鉑熱電偶（分度號S） 鉑銠13-鉑熱電偶（分度號R） 鉑銠30-鉑銠6熱電偶（分度號B）鎳鉻一鎳硅（鎳鉻一鎳鋁）熱電偶（分度號K） 鎳鉻硅一鎳硅鎂熱電偶（分度號N） 鎳鉻一康銅熱電偶（分度號E） 鐵一康銅熱電偶（分度號J）銅一康銅熱電偶（分度號T）注意了解各種標準化熱電偶的分度號、特點。第十四頁，共三十六頁。第十五頁，共三十六頁。熱電偶冷端溫度處理 對熱電偶冷端溫度進行處理的原因 熱電偶的測溫原理表明：熱電偶的熱電勢是兩個接點溫度的函數(shù)差

8、，只有當冷端溫度不變時，熱電勢才是熱端溫度的單值函數(shù)。但在實際應(yīng)用中，熱電偶冷端所處環(huán)境溫度總有波動，從而使測量得不到正確結(jié)果，因此必須對熱電偶冷端溫度變化的影響采取補償措施，使熱電偶的熱電勢只反映熱端溫度（被測溫度）的變化，而不受冷端溫度變化的影響。第十六頁，共三十六頁?？偟膩碚f，只有兩種均質(zhì)的導(dǎo)體組成的熱電偶在冷端熱端具有溫差的時候才會有熱電勢。并且材料確定后，熱電勢置于溫度有關(guān)，是溫度的二次函數(shù)。第十七頁，共三十六頁。實驗步驟1.測溫差電動勢連接好實驗裝置，如前面的圖，將熱電偶熱端置燒燒水壺中，將熱電偶冷端置于保溫杯的冰水混合物（0攝氏度），醬燒水壺中的水加熱至100攝氏度，讀出臺式萬用

9、表上顯示的文差電動勢。2.熱電偶定標如步驟一，隨著熱水壺中的水降溫，每隔5攝氏度。度并記錄溫差電動勢，而熱電偶冷端保持不變（0攝氏度）。做出熱電偶定標曲線。這里我們用的是比較法第十八頁，共三十六頁。第十九頁，共三十六頁。3.擬合定標曲線分別用一次曲線，和二次曲線去擬合定標曲線，進行多項式回歸顯著性檢驗4.估計室溫值利用制成的簡單熱電偶“溫度計”測量室溫，根據(jù)曲線求出室溫。比較當天天氣預(yù)報。第二十頁，共三十六頁。注意事項 引線接點處要防水以防短路; 引線的正負極一定要與熱電偶的正負極相對應(yīng),否則會引起測量誤差; 冷端保持恒定，最好0減小動態(tài)誤差:盡量縮小熱電偶測量端的體積,以減小測量端的熱容量,

10、提高響應(yīng)速度。使用的檢測記錄儀表采集數(shù)據(jù)時選取時間間隔盡量小,達到秒級為宜; 根據(jù)熱電偶的最高使用溫度選擇合適的絕緣材料,保證在整個測溫范圍內(nèi)都能有足夠的絕緣電阻; 多點測量時,選擇熱電偶要性能穩(wěn)定和一致性好的類型; 在測溫過程中定期對熱電偶進行溫度標定第二十一頁，共三十六頁。實驗數(shù)據(jù)記錄第二十二頁，共三十六頁。線性回歸模型第二十三頁，共三十六頁。第二十四頁，共三十六頁。二次回歸模型第二十五頁，共三十六頁。線性回歸與二次回歸比較可以看到相關(guān)系數(shù)R分別為0.999和1.000擬合效果都特別好，而且可一看到在二次回歸中，a=4.211E-5b=0.11%。所以完全可以用線性回歸來代替二次回歸來描銅

11、康銅熱電偶定標曲線第二十六頁，共三十六頁。結(jié)論通過對銅-康銅熱電偶的制作標定及多項式回歸分析表明, 銅-康銅熱電偶的制作簡單,測頭光滑、無污染、不斷偶、一致性好、擬合優(yōu)度好。無論是線性擬合,還是二次擬合都能滿足測溫精度的要求。銅-康銅熱電偶在日常生產(chǎn)生活中,采用線性擬合,便于直接計算;利用二次擬合可獲得更為準確的銅-康銅熱電偶的分度表。銅-康銅熱電偶測溫靈敏度高,熱電勢值大,測溫精度高,一致性好,價格低廉在使用銅-康銅熱電偶時,為了保證測溫的準確度,要注意參考端溫度、動態(tài)誤差、測量端的絕緣性能等幾個方面的問題。第二十七頁，共三十六頁。估計室溫當日閔行最高氣溫12度。測得室溫對應(yīng)的是0.620m

12、V，帶入曲線 得到溫度17.7度，比室外高五度？是開空調(diào)了還是我們大家能夠呼出來五度。第二十八頁，共三十六頁。誤差1.電偶是否接觸良好，是否表面光滑不斷偶。2.熱電偶直徑過大，也會影響精度。3.冷端溫度變化增加了動態(tài)誤差。4導(dǎo)體不均勻。有附加熱電勢5.熱端接觸不良。6.被實驗多次了的熱電偶絕緣變差從而對熱電勢有損耗，導(dǎo)線破了漆包線也是如此7.熱電偶的熱惰性及測量端過大8.顯示儀表誤差。9. 還有其他如電路連接不當接觸不良操作不當?shù)取＜芭既徽`差。第二十九頁，共三十六頁。幾點小結(jié)與小思考1.為什么在一次二次擬合曲線中，都出現(xiàn)了常數(shù)項？.測溫端不恒為零，略比零度低。.測量誤差及偶然誤差.該電偶利用次

13、數(shù)較多，含有雜質(zhì)，不均勻，導(dǎo)電性不好。2.查銅康銅的分度表，發(fā)現(xiàn)我的曲線每個溫度對應(yīng)的熱電勢比標準值低。以90為例，標準值為3.813我測3.652。誤差4.2%。原因和上面三條相同。第三十頁，共三十六頁。思考題1.要不同的導(dǎo)電材料。必須均勻的兩種導(dǎo)體，否則會產(chǎn)生附加熱電勢干擾。2.不能，錫熔點低。還會引進第三種金屬。但可以用熱鍍錫膜。3.冰水混合物?？梢圆蝗?度，可以采用恒溫箱保持冷端恒定，但是實驗成本增加。4.不可以，電流過小，導(dǎo)線電阻也會帶來誤差5.用一次二次曲線定標，定標之后得到關(guān)系式?？梢郧笠欢ǚ秶鷥?nèi)任意溫度。第三十一頁，共三十六頁。6.插在冷端的鐵絲是第三種金屬。第二問兩個接頭溫度

14、相同。7.不可以室溫波動較大，而我們知道熱電偶實質(zhì)是測溫度差的，冷端溫度變化大，無法準確測量熱端溫度了8.應(yīng)該可以吧，這個可不可以測比參照端的請各位指教。9.通過本實驗，我認識到了電學(xué)對于測量世界的重要對于數(shù)字化世界的重要，物理量都可以轉(zhuǎn)化為電學(xué)進行數(shù)字化測量。比如力傳感器速度計油箱計、光傳感器當我們一個物理量不易測量時，就要轉(zhuǎn)換測量方法，此是心得一。其二，溫度計是用已知溫度定標，去測未知溫度，比如熱敏電阻應(yīng)用于高溫鐵爐，實際上爐子里的溫度我們不知道的。而溫度計已經(jīng)證實在已知溫度范圍內(nèi)成立了。這就是推廣了。第三十二頁，共三十六頁。第三十三頁，共三十六頁。思考：為什么熱電偶不直接用銅線直接引出電勢信號？我國規(guī)定補償導(dǎo)線分為補償型和延伸型兩種。補償型補償導(dǎo)線的材料與對應(yīng)的熱電偶不同，是用賤金