1、三、熱電偶測溫儀表三、熱電偶測溫儀表 組成 熱電偶 1連接導(dǎo)線 2顯示儀表 3 311tt022 基于熱電效應(yīng)原理的測溫儀表。 廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和研究領(lǐng)域： 測溫精度高、性能穩(wěn)定； 結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，產(chǎn)品互換性好； 便于信號遠傳和實現(xiàn)多點切換； 測溫范圍廣，可達-2002000； 形式多樣，適用于各種測溫條件。2三、熱電偶測溫儀表三、熱電偶測溫儀表（一）熱電偶測溫儀表工作原理1.熱電效應(yīng) 熱電偶的測溫原理是以熱電效應(yīng)為基礎(chǔ)的。兩種不同材料的導(dǎo)體A、B組成一個閉合回路，當(dāng)回路兩端接點t0、t 的溫度不相同時（假設(shè)tt0），回路中就會產(chǎn)生一定大小的電勢，形成電流，這個電流的大小與導(dǎo)體材料性質(zhì)和接點

2、溫度有關(guān)，這種原理稱為熱電效應(yīng)。這種現(xiàn)象早在1821年首先由西拜克（Seeback）發(fā)現(xiàn),所以又稱西拜克效應(yīng)。 AB3術(shù)語：熱電偶兩種不同材料的組合體稱為熱電偶；熱電極構(gòu)成熱電偶的兩種導(dǎo)體稱為熱電極；測量端（工作端，熱端）插入被測介質(zhì)中感受被測溫度的一端，如圖中接點 t ；參考端（自由端，冷端）處于周圍環(huán)境中的一端，如圖中接點t0。t0teAB(t0)eA(t,t0)eB(t,t0)ABeAB(t)參考端參考端測量端測量端42.2.熱電勢熱電勢 熱電勢是接觸電勢和溫差電勢共同作用的結(jié)果。(1)接觸電勢 由于兩種不同導(dǎo)體的電子密度不同，從而在接點處發(fā)生電子擴散而形成的電動勢。它只與與A、B導(dǎo)體的

3、性質(zhì)和接點處導(dǎo)體的性質(zhì)和接點處溫度有關(guān)溫度有關(guān)，記作eAB(t)。電子濃度NANB+eAB(t)ABNANBt( )ln()AABBktteNeNk-波爾曼系數(shù),k=1.381023(J/)e-單位電荷,e=4.8021010NA,NB-電子密度5(2)溫差電勢 由于同一根導(dǎo)體同一根導(dǎo)體中電子從高溫端向低溫高溫端向低溫端遷移而引起的電動勢，只與導(dǎo)體材料性質(zhì)和兩端溫度與導(dǎo)體材料性質(zhì)和兩端溫度有關(guān)有關(guān)，記作 eA(t, t0)= eA(t)- eA(t0)。溫差電勢原理圖+eA (t,t0)tt0熱端 t冷端t06(3)熱電勢公式推導(dǎo)：00000( )( , )( )( )( )( , )( ,

4、)ABAABABBABABEt tetetetetet ttte可得熱電勢公式為：對于給定熱電偶，熱電勢是其兩端溫度函數(shù)之差。若其冷端溫度 t0 恒定，則 f (t0) 是定值。熱電偶回路熱電勢只與組成熱電熱電偶回路熱電勢只與組成熱電偶的材料及兩端溫度有關(guān)；與熱電偶的長度、粗細無關(guān)。偶的材料及兩端溫度有關(guān)；與熱電偶的長度、粗細無關(guān)。t0teAB(t0)eA(t,t0)eB(t,t0)ABeAB(t)根據(jù)電磁場理論得000( , )ln( )( )tAABABABtBNkEt tdtftfteN溫差電勢遠小于接觸電勢7 中規(guī)定寫在前面的A和t分別為正極和高溫，寫在后面的B和t0分別為負極和低溫。

5、若它們的位置互換，則熱電勢的極性就反相。(4)熱電極的極性 測量端失去電子的熱電極為正極，得到電子的熱電極為負極。 符號0( , )ABt tE例：00( , )( , )ABABt tt tEE 00( ,)( ,)BAABt tt tEE （二）熱電偶的基本定律（二）熱電偶的基本定律(1)勻質(zhì)導(dǎo)體定律勻質(zhì)導(dǎo)體定律 勻質(zhì)導(dǎo)體的回路不論各處溫度分布如何都不會產(chǎn)生熱電勢。熱電偶必須由兩個不同質(zhì)的材料組成； 同一導(dǎo)體回路是否有熱電勢可用來判定導(dǎo)體是否勻質(zhì)。9T2T1AaBC23EABaAT023ABEABT1T2 CT0(a)(b)T0T0第三種材料接入熱電偶回路圖(2)中間導(dǎo)體定律中間導(dǎo)體定律

6、由兩種不同導(dǎo)體構(gòu)成的熱電偶回路中，接入第三種導(dǎo)體，只要保持第三種導(dǎo)體兩端溫度相等，則對回路熱電勢沒有影響。ET0T0TET0T1T1T電位計接入 熱電偶回路 根據(jù)上述原理，可以在熱電偶回路中接入電位計E，只要保證電位計與連接熱電偶處的接點溫度相等，就不會影響回路中原來的熱電勢，接入的方式見下圖所示。 也允許采用不同方法來焊接熱電偶。 (3)中間溫度定律中間溫度定律 熱電偶回路中，熱端溫度為t、冷端為t0時的熱電勢，等于此熱電偶熱端為t、冷端為tn ，及同一熱電偶熱端為tn 、冷端為t0時熱電勢的代數(shù)和。00( , )( ,)( , )ABABnABnEt tEt tEt t中間溫度定律是制定熱

7、電偶分度表的理論基礎(chǔ)。由于熱電偶分度表都是以冷端溫度為0 時做出的，但一般工程測量中冷端都不為0 ，因此，只要測出熱端與冷端時的熱電勢，便可利用中間溫度定律求出熱端溫度。作用：ttnt0AABBtt0AABBtntn=12 兩種金屬構(gòu)成熱電偶的熱電勢，可以用這兩種金屬分別與第三種金屬構(gòu)成的熱電勢之差來表示 ：A A t =BBCCt0這里C稱為標(biāo)準(zhǔn)電極。標(biāo)準(zhǔn)電極通常采用純鉑絲制成，因為鉑容易提純，熔點高，性能穩(wěn)定。標(biāo)準(zhǔn)電極定律使熱電偶的選配工作大為簡化，只要知道一些材料與標(biāo)準(zhǔn)電極相配時的熱電勢，就可求出任何兩種材料配成熱電偶的熱電勢。作用：(4)標(biāo)準(zhǔn)電極定律標(biāo)準(zhǔn)電極定律t t0t t0000(

8、 , )( , )( , )ABACBCEt tEt tEt t（三）常用熱電偶測溫系統(tǒng)（三）常用熱電偶測溫系統(tǒng)EBA0t0t 1. 熱電偶信號傳輸?shù)娇刂剖胰鬉，B為普通銅導(dǎo)線，則 t0為現(xiàn)場環(huán)境溫度，不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致E與t的關(guān)系不唯一。00BA0AB, ,ttEttEE,0ABttEE （1）采用普通銅導(dǎo)線E現(xiàn)場控制室（三）常用熱電偶測溫系統(tǒng)（三）常用熱電偶測溫系統(tǒng)EBA0t0tE現(xiàn)場控制室0AB,ttEE t0在控制室內(nèi)，溫度穩(wěn)定，則保證E與t的單值對應(yīng)關(guān)系。00AB00BA, ), (ttEttE 1. 熱電偶信號傳輸?shù)娇刂剖?0BA0AB, ,ttEttEE（2）采用補償導(dǎo)線 若A、B

9、 的熱電特性與A、B熱電特性在t0t0范圍內(nèi)相似，則 補償導(dǎo)線：補償導(dǎo)線：是在一定的溫度范圍內(nèi)（0-100或0-200）與所接的熱電偶熱電性能相同的廉價金屬絲。 補償導(dǎo)線只是改變了冷端的位置，根據(jù)熱電偶的基本定律，利用接入的補償導(dǎo)線，使冷端遠離測溫現(xiàn)場，并同測量儀表一起放在恒溫或溫度波動較小的控制室里。t0tnt3BABA2補償導(dǎo)線16熱電偶的分度表熱電偶的分度表 熱電偶的線性較差，多數(shù)情況下采用查表法熱電偶的線性較差，多數(shù)情況下采用查表法 我國從1991年開始采用國際計量委員會規(guī)定的“1990年國際溫標(biāo)”（簡稱ITS-90）的新標(biāo)準(zhǔn)。按此標(biāo)準(zhǔn)，制定了相應(yīng)的分度表，并且有相應(yīng)的線性化集成電路與

10、之對應(yīng)。 直接從熱電偶的分度表查溫度與熱電勢的關(guān)系時的約束條件是：自由端（冷端）溫度必須為自由端（冷端）溫度必須為0 0C C。 溫度溫度0-10-20-30-40-50-60-70-80-90-95-100-200-5.8914-6.0346-6.1584-6.2618-6.3438-6.4036-6.4411-6.4577-100-3.5536-3.8523-4.1382-4.4106-4.669-4.9127-5.1412-5.354-5.5503-5.7297-5.8128-5.891400-0.3919-0.7775-1.1561-1.5269-1.8894-2.2428-2.586

11、6-2.9201-3.2427-3.3996-3.5536溫度溫度010203040506070809095100000.39690.79811.20331.61182.02312.43652.85123.26663.68193.88924.09621004.09624.50914.91995.32845.73456.13836.54026.94067.347.73917.93878.13852008.13858.53868.93999.34279.747210.153410.561310.970911.382111.794712.001512.208630012.208612.623613.

12、039613.456613.874514.293114.712615.132715.553615.97516.18616.397140016.397116.819817.243117.666918.091118.515818.940919.366319.792120.218120.431220.644350020.644321.070621.497121.923622.3522.776423.202723.628824.054724.480224.692924.905560024.905525.330325.754726.178626.60227.024927.447127.868628.28

13、9528.709628.919429.12970029.12929.547629.965330.382230.798331.213531.627732.04132.453432.864933.070333.275480033.275433.684934.093434.50134.907535.313135.717736.121236.523836.925437.125837.325990037.325937.725538.12438.521538.91839.313539.70840.101540.493940.885341.080641.2756100041.275641.664942.05

14、3142.440342.826343.211243.595143.977744.359344.739644.929345.1187110045.118745.496645.873346.248746.622746.995547.366847.736848.105448.472648.655648.8382120048.838249.202449.565149.926350.285850.643951.000351.355251.708552.060252.235452.4103130052.410352.758853.105853.451253.795254.137754.478854.818

15、6溫度單位： 電壓單位：mV 參考溫度點（自由端溫度）：參考溫度點（自由端溫度）：0(冰點冰點)K型（鎳鉻鎳硅）熱電偶分度表型（鎳鉻鎳硅）熱電偶分度表（ITS-90）18（四）熱電偶冷端溫度的影響及處理（四）熱電偶冷端溫度的影響及處理 熱電偶的分度表所表征的是冷端溫度為0時的熱電勢-溫度關(guān)系，與熱電偶配套使用的顯示儀表就是根據(jù)這一關(guān)系進行刻度的。因此，盡管使用補償導(dǎo)線可以把熱電偶的冷端延伸到溫度易穩(wěn)定的地方，但此時冷端溫度可能還有變化，或者不等于0，造成測量誤差。因此，在實際應(yīng)用中，必須采取措施來保證冷端溫度恒為0或補償冷端溫度不等于0時帶來的測量誤差。常用的冷端溫度補償方法有：恒溫法恒溫法、

16、示值修正法示值修正法、冷端溫冷端溫度補償電橋法度補償電橋法等。191.恒溫法恒溫法把熱電偶冷端置于人造恒溫裝置中。把熱電偶冷端置于人造恒溫裝置中。(1)冰點槽冰點槽 (2)電熱式恒溫箱電熱式恒溫箱 mVABABTCC儀表銅導(dǎo)線試管補償導(dǎo)線熱電偶冰點槽冰水溶液T02.示值修正法示值修正法 一般顯示儀表的分度是在冷端溫度恒定為 0 條件下進行的。若冷端溫度 t00時，示值不能正確反映被測溫度，需要修正。p機械零位調(diào)整法機械零位調(diào)整法：預(yù)先把儀表的機械零件調(diào)整到冷端溫度t0處，相當(dāng)預(yù)加電勢E(t0, 0)，即p計算修正法計算修正法：假設(shè)冷端溫度t00，被測溫度為t，有 00( , )( ,0)( ,

17、0)E t tE tE t00( ,0)( , )( ,0)E tE t tE t實測查表（修正量）查表得實際 tt0tnt3BABA2補償導(dǎo)線213.冷端溫度補償電橋法冷端溫度補償電橋法 利用不平衡電橋產(chǎn)生的電壓作為補償電壓，以抵消因冷端溫度變化引起的熱電勢的變化。 當(dāng)冷端溫度升高時，熱電勢Ex逐漸減小， 電橋中RCu增大，Uab隨之增大，若Uab=Ex，則UAB=Uab+Ex 不會隨冷端溫度變化而變化。22熱電偶測溫系統(tǒng)的構(gòu)成熱電偶測溫系統(tǒng)的構(gòu)成 （1） 熱電偶： 測溫元件 （2） 導(dǎo)線： 補償導(dǎo)線 （3）顯示/控制儀表：輸入mV，帶冷端補償1、熱電偶+顯示（控制） 0000,0 =Et

18、tEttEtE t補償導(dǎo)線冷端補償（ ,0)顯示儀表ABABt0現(xiàn)場控制室mVt0注意：補償導(dǎo)線和顯示儀表都是與熱電偶配用的。tt023例例5-3：有一個實際的熱電偶測溫系統(tǒng)，兩個熱電極的材料為：有一個實際的熱電偶測溫系統(tǒng)，兩個熱電極的材料為鎳鉻和鎳硅鎳鉻和鎳硅，L1和和L2分別為配鎳鉻鎳硅分別為配鎳鉻鎳硅補償導(dǎo)線補償導(dǎo)線，測量系統(tǒng)配，測量系統(tǒng)配K型熱電偶的溫度顯示儀型熱電偶的溫度顯示儀表表(帶補償電橋帶補償電橋)來顯示被測溫度的大小，設(shè)來顯示被測溫度的大小，設(shè)t 300。tc50，t020求顯示儀表輸入端的熱電勢求顯示儀表輸入端的熱電勢補償電橋 補償導(dǎo)線顯示儀表鎳鉻鎳硅熱電偶tct0t1L2L000K0,0 =KKKEt tEttEEtt補償導(dǎo)線冷補（ ,0)溫度溫度T(