制冷與低溫測(cè)試技術(shù) 熱電偶

制冷與低溫測(cè)試技術(shù)教學(xué)內(nèi)容課程介紹（2）第一章 測(cè)量誤差分析（3）

測(cè)量基本概念

測(cè)量誤差及其表示方法隨機(jī)誤差及其計(jì)算

誤差的傳遞誤差的綜合第二章

溫度的測(cè)量（11）

溫度和溫標(biāo)（2）熱電偶溫度計(jì)（3）

熱電阻溫度計(jì)

（3）

膨脹式溫度計(jì)（1）氣體溫度計(jì)（1）蒸汽壓溫度計(jì)及其它（1）

熱電勢(shì)和電阻的測(cè)量第三章

壓力和真空的測(cè)量

液柱式壓力計(jì)彈性式壓力計(jì)壓力變送器

真空測(cè)量第四章

流量測(cè)量

容積式流量計(jì)渦輪流量計(jì)電磁流量計(jì)超聲波流量計(jì)

速度頭流量計(jì)靶式流量計(jì)轉(zhuǎn)子流量計(jì)節(jié)流式流量計(jì)

低溫流體質(zhì)量流量的測(cè)量流量?jī)x表的標(biāo)定裝置第五章

低溫流體液面測(cè)量

壓差式液面計(jì)電阻式液面計(jì)超導(dǎo)式液面計(jì)

電容式液面計(jì)熱力學(xué)液面計(jì)其他低溫流體液面測(cè)量方法第六章

氣體組分測(cè)量與分析（補(bǔ)充）（結(jié)合“專業(yè)實(shí)驗(yàn)——熱電偶的制作與標(biāo)定”進(jìn)行）熱電偶溫度計(jì)(Thermocouple)熱電偶溫度計(jì)(Thermocouple)熱電偶溫度計(jì)由熱電偶、連接導(dǎo)線和電測(cè)儀表組成，它廣泛應(yīng)用于中低溫的測(cè)量，在0.2K-2800

C廣大溫區(qū)內(nèi)都可使用。

特點(diǎn)：熱電偶制作簡(jiǎn)單，結(jié)點(diǎn)小，反應(yīng)靈敏，不需要電源，電測(cè)儀表簡(jiǎn)單，測(cè)溫精度能滿足工業(yè)和實(shí)驗(yàn)室一般需要，而且熱電偶能把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信導(dǎo)，可遠(yuǎn)傳和集中控制。

工業(yè)和科學(xué)研究中常用的測(cè)溫儀器2.6.1熱電偶測(cè)溫原理2.6.2熱電偶回路基本性質(zhì)

2.6.3低溫?zé)犭娕?/p>

2.6.4熱電偶的分度和校驗(yàn)2.6.5熱電偶的制作和使用2.6熱電偶溫度計(jì)(Thermocouple)熱電偶測(cè)溫原理熱電效應(yīng)塞貝克效應(yīng)SeebeckEffect(1821年）接觸電勢(shì)(Peltier，1834)溫差電勢(shì)(Thomson，1854)背景：1826年，歐姆定律G.S.Ohm熱電偶測(cè)溫原理——接觸電勢(shì)(Peltier)k為玻爾茲曼常數(shù)，

1.38

10-23J/K；e為電荷，

1.6

10-19庫(kù)；T越高，接觸電勢(shì)越大兩種導(dǎo)體自由電子密度的比值越大，接觸電勢(shì)越大

NAT>NBT玻爾茲曼熱電偶測(cè)溫原理——接觸電勢(shì)(Peltier)小知識(shí)：當(dāng)電流流過(guò)兩種不同導(dǎo)體的界面時(shí)，將從外界吸收熱量，或向外界放出熱量，這就是PELTIER效應(yīng)。該現(xiàn)象由法國(guó)科學(xué)家PELTIER在1834年發(fā)現(xiàn)。該現(xiàn)象可用在半導(dǎo)體制冷或半導(dǎo)體發(fā)電技術(shù)中。熱電偶測(cè)溫原理——溫差電勢(shì)(Thomson)在同一根導(dǎo)體中，當(dāng)導(dǎo)體兩端的溫度不同時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)。設(shè)T>T0，則在導(dǎo)體兩端之間的溫差電動(dòng)勢(shì)eA為

熱電偶測(cè)溫原理——回路中總電勢(shì)若T>T0，NA>NB熱電偶測(cè)溫原理

熱電偶測(cè)溫原理

熱電偶測(cè)溫原理

熱電偶測(cè)溫原理

其大小與符號(hào)取決于熱電極材料的相對(duì)特性

熱電偶測(cè)溫原理熱電偶回路熱電勢(shì)的大小，只與組成熱電偶的材料和材料兩端連接點(diǎn)處的溫度有關(guān)，與熱電偶絲的直徑、長(zhǎng)度及沿程溫度分布無(wú)關(guān)。只有用兩種不同性質(zhì)的材料才能組成熱電偶，相同材料組成的閉合回路不會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)。熱電偶的兩個(gè)熱電極材料確定之后，熱電勢(shì)的大小只與熱電偶兩端接點(diǎn)的溫度有關(guān)。只是溫度T的單值函數(shù)。

2.6.1熱電偶測(cè)溫原理2.6.2熱電偶回路基本性質(zhì)

2.6.3低溫?zé)犭娕?/p>

2.6.4熱電偶的分度和校驗(yàn)2.6.5熱電偶的制作和使用2.6熱電偶溫度計(jì)(Thermocouple)熱電偶回路基本性質(zhì)均勻?qū)w定律中間導(dǎo)體定律中間溫度定律連接導(dǎo)體定律(參考電極定律)熱電偶回路基本性質(zhì)均勻?qū)w定律由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路各處溫度不同都不會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)不論其截面積、長(zhǎng)度、及各處的溫度分布熱電偶回路基本性質(zhì)均勻?qū)w定律

熱電偶回路熱電勢(shì)的大小，只與組成熱電偶的材料和材料兩端連接點(diǎn)處的溫度有關(guān)，與熱電偶絲的直徑、長(zhǎng)度及沿程溫度分布無(wú)關(guān)。只有用兩種不同性質(zhì)的材料才能組成熱電偶，相同材料組成的閉合回路不會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)。熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的材料組成，如果在溫度梯度下一種材料組成的回路產(chǎn)生了熱電勢(shì)，說(shuō)明這種材料是不均勻的(化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、內(nèi)應(yīng)力或截面)據(jù)此，可以檢查偶線材料的均勻性。熱電偶回路基本性質(zhì)中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中插入第三種（或多種）均質(zhì)材料，只要所插入的材料兩端連接點(diǎn)溫度相同，則所插入的第三種材料不影響原回路的熱電勢(shì)。熱電偶回路基本性質(zhì)中間導(dǎo)體定律

中間導(dǎo)體定律表明熱電偶回路中可接入測(cè)量熱電勢(shì)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(shì)將不受接入測(cè)量?jī)x表的影響。該定律還表明熱電偶的接點(diǎn)不僅可以焊接而成，也可以借用均質(zhì)等溫的導(dǎo)體加以連接。熱電偶回路基本性質(zhì)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(diǎn)溫度分別為t和t0時(shí)的熱電勢(shì)EAB(t,t0)等于熱電偶在連接點(diǎn)溫度為(t,tn)和(tn,t0)時(shí)相應(yīng)的熱電勢(shì)EAB(t,tn)和EAB(tn,t0)的代數(shù)和，其中tn為中間溫度熱電偶回路基本性質(zhì)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(diǎn)溫度分別為t和t0時(shí)的熱電勢(shì)EAB(t,t0)等于熱電偶在連接點(diǎn)溫度為(t,tn)和(tn,t0)時(shí)相應(yīng)的熱電勢(shì)EAB(t,tn)和EAB(tn,t0)的代數(shù)和，其中tn為中間溫度熱電偶回路基本性質(zhì)連接導(dǎo)體定律(參考電極定律)兩種導(dǎo)體A、B分別與參考電極C（或稱標(biāo)準(zhǔn)電極）組成熱電偶，如果它們所產(chǎn)生的熱電勢(shì)為已知，那么，A與B兩熱電極配對(duì)后的熱電勢(shì)可按下式求得：2.6.1熱電偶測(cè)溫原理2.6.2熱電偶回路基本性質(zhì)

2.6.3低溫?zé)犭娕?.6.4熱電偶的分度和校驗(yàn)2.6.5熱電偶的制作和使用2.6熱電偶溫度計(jì)(Thermocouple)低溫?zé)犭娕紝?duì)熱電材料有下列主要要求：物理化學(xué)性能穩(wěn)定，能在較寬的溫度范圍內(nèi)使用，其熱電勢(shì)性質(zhì)不隨時(shí)間變化；熱電勢(shì)和熱電勢(shì)率(dE/dT或稱靈敏度)大，熱電勢(shì)與溫度之間呈線性變化；良好復(fù)現(xiàn)性，以便互換；加工性能好，價(jià)格便宜。1、鎳鉻—康銅(E型)2、銅—康銅(T型)3、鎳鉻—金鐵

4、銅鐵測(cè)溫范圍：25-273-673K偶線的熱導(dǎo)率差，漏熱小偶線均勻性差，精確度低

測(cè)溫范圍：50-640K低溫下應(yīng)用最廣泛的熱電偶之一

測(cè)溫范圍：2-300K熱電熱在低溫區(qū)(10K以下)較大銅代金的銅鐵熱偶

2.6.3低溫?zé)犭娕嫉蜏責(zé)犭娕?.6.3低溫?zé)犭娕?.6.3低溫?zé)犭娕?、普通型熱電偶結(jié)構(gòu)圖2.6.3低溫?zé)犭娕兼z裝式熱電偶2.6.3低溫?zé)犭娕急∧な綗犭娕?.6.3低溫?zé)犭娕?.6.1熱電偶測(cè)溫原理2.6.2熱電偶回路基本性質(zhì)

2.6.3低溫?zé)犭娕?.6.4熱電偶的分度和校驗(yàn)2.6.5熱電偶的制作和使用2.6. 熱電偶溫度計(jì)(Thermocouple)

2.6.4熱電偶的分度和校驗(yàn)

2.6.4熱電偶的分度和校驗(yàn)2.標(biāo)準(zhǔn)參考表法實(shí)驗(yàn)室制作熱電偶的偶線，工廠按規(guī)定的工藝標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的，因此同類熱電偶的E-T關(guān)系很接近，國(guó)際常用的標(biāo)準(zhǔn)表由美國(guó)NIST提供，可供參考，表2-15，表2-16和表2-17。使用參考表來(lái)分度熱電偶方法很多，如：可以從幾個(gè)已知溫度下測(cè)出等分度熱電偶的熱電勢(shì)值Ex；再?gòu)膮⒖急碇胁槌鲆阎獪囟葘?duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)值E’x，查得偏差曲線得

E’x，結(jié)果E’s=E’x+

E’x查參考表即可得對(duì)應(yīng)的溫度Tx。2.6.4熱電偶的分度和校驗(yàn)3.E

T曲線法

利用參考表可以作Es-T的曲線，然后在幾個(gè)已知溫度下測(cè)得E值，并同畫在一個(gè)表上得E-T曲線，這種方法簡(jiǎn)單但精度不很高。低溫?zé)犭娕加捎诠ぷ鳒囟鹊停m不會(huì)發(fā)生氧化，但受冷熱循環(huán)變化會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力或損傷折斷，中高溫?zé)犭娕加捎诠ぷ鳒囟雀?，偶材受氧化、腐蝕，在高溫下偶材會(huì)發(fā)生再結(jié)晶，引起熱電勢(shì)發(fā)生變化，使測(cè)量誤差增大，因此熱電偶要定期進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)的方法和分度相同，300

C以下及低溫可以用鉑電阻溫度計(jì)作標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)，300

C以上可用鉑電阻溫度計(jì)和鉑銠-鉑標(biāo)準(zhǔn)熱電偶作標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)。2.6.4熱電偶的分度和校驗(yàn)2.6.1熱電偶測(cè)溫原理2.6.2熱電偶回路基本性質(zhì)

2.6.3低溫?zé)犭娕?.6.4熱電偶的分度和校驗(yàn)2.6.5熱電偶的制作和使用2.6. 熱電偶溫度計(jì)(Thermocouple)1、材料的選擇2、結(jié)點(diǎn)的制作3、參考點(diǎn)的選擇4、低溫?zé)犭娕嫉臒峤佑|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(zhǔn)確性的限制，主要來(lái)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(huì)產(chǎn)生附加電勢(shì)，引入測(cè)量誤差。

對(duì)所用的偶絲材料進(jìn)行均勻性檢查，簡(jiǎn)單的辦法是線的兩端接在微伏計(jì)上，然后讓線逐段通過(guò)液氮槽，如果微伏計(jì)上輸出不超過(guò)2

V左右，偶絲即可使用。

銅絲問(wèn)題小些，但銅熱導(dǎo)好，容易通過(guò)傳熱影響結(jié)點(diǎn)溫度，可以選得細(xì)些，但銅純度不夠，混有少量有害雜質(zhì)，在低溫下有反常的溫差電動(dòng)勢(shì)。

標(biāo)準(zhǔn)銀的熱電性能和銅差不多，可代替銅使用，因它的熱導(dǎo)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(xì)。材料的物理和化學(xué)不均勻性（如成分不均勻）、或受應(yīng)力2.6.5熱電偶的制作和使用2、結(jié)點(diǎn)的制作

結(jié)點(diǎn)最好是熔焊，在熔焊時(shí)要防止結(jié)點(diǎn)以外部分過(guò)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(jié)點(diǎn)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(fù)極短路，瞬間放電可使偶絲形成光亮的球狀結(jié)點(diǎn)，若用惰性氣體保擴(kuò)，則效果更好。

結(jié)點(diǎn)也可用錫焊，但必須先絞合在一起，錫焊只起固定作用，焊點(diǎn)應(yīng)盡量小，錫焊部分溫度要均勻，在錫焊時(shí)宜采用中性助焊劑(松香)以免腐蝕或引進(jìn)化學(xué)亂真電勢(shì)，在焊接時(shí)烙鐵功率不能太大，而動(dòng)作要快，偶絲不能長(zhǎng)期受熱，如金鐵絲在錫焊溫度(約200

C)就熔化。

熱偶線切勿打折，不但會(huì)引進(jìn)亂真電勢(shì)，還會(huì)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(diǎn)的選擇

在液氮溫度上直至高溫?zé)犭娕级加帽c(diǎn)作參考溫度，用蒸鎦水結(jié)成的冰可得到相當(dāng)準(zhǔn)確的冰點(diǎn)(0

C)；天然冰次之；人造冰中常含有鹽類物質(zhì)使冰點(diǎn)偏低，熱電偶結(jié)點(diǎn)可放在盛有變壓器油的試管中再插入冰槽，變壓器油可防止漏電，又利于傳熱，冰槽中應(yīng)保證冰和水同時(shí)存在，最好進(jìn)行攪拌。

測(cè)量低于液氮溫度時(shí)常用低溫液體作參考點(diǎn)，這樣可以避免熱電偶絲經(jīng)過(guò)低溫到室溫的大溫差區(qū)域，因此可以減少熱偶線不均勻性所引起的亂真電勢(shì)，而且還可以減少冰點(diǎn)漂移所造成的誤差，但對(duì)冰點(diǎn)附近靈敏度高的熱電偶，其誤差可能較大，另外參考點(diǎn)溫度的選擇低，測(cè)量低溫時(shí)總的熱電勢(shì)可大大減少，從而降低了對(duì)電測(cè)儀器的要求，如圖2.19所示。

根據(jù)熱電偶連接溫度(或中間溫度)定律，一個(gè)在給定參考溫度T01校準(zhǔn)的熱電偶，可以在參考溫度T02使用，只要對(duì)原來(lái)的電勢(shì)進(jìn)行修正。2.6.5熱電偶的制作和使用1、冰水混合物；2、保溫瓶；3、油類或水銀；4、蒸餾水；5、試管；6、蓋；7、銅導(dǎo)線；8、熱電勢(shì)測(cè)量?jī)x表4、低溫?zé)犭娕嫉臒峤?/p>