熱電偶測(cè)溫原理及熱電極材料演示文稿當(dāng)前第1頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)（優(yōu)選）熱電偶測(cè)溫原理及熱電極材料當(dāng)前第2頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)1、熱電偶是什么東西？兩個(gè)問題：1）熱電偶是什么東西？2）熱電偶是如何起源的？當(dāng)前第3頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)第一個(gè)故事：珀?duì)柼?834年，法國鐘表匠珀?duì)柼麑煞N電子數(shù)密度不同的金屬材料連接在一起，發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題：當(dāng)前第4頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)珀?duì)柼麑?shí)驗(yàn)結(jié)論：當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度不相同時(shí)，回路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。

熱電極A自由端（參考端、冷端）

測(cè)量端（工作端、熱端）

熱電極B熱電勢(shì)AB當(dāng)前第5頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)接觸電勢(shì)(珀?duì)柼妱?shì))珀?duì)柼妱?dòng)勢(shì)的數(shù)量級(jí)在10－1－10－3V之間，其數(shù)值大小除與金屬材料有關(guān)外，還與溫度有關(guān)，表示為：珀?duì)柼?yīng)不是一種接觸現(xiàn)象，與接點(diǎn)的接觸情況毫無關(guān)系，只是由材料的固有性質(zhì)決定的。當(dāng)前第6頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)接觸電勢(shì)假設(shè)NA>NB，則由于電子數(shù)密度梯度的存在而發(fā)生擴(kuò)散現(xiàn)象：由A向B擴(kuò)散,A失去電子帶正電,B得到電子帶負(fù)電,從而在接觸面之間形成電場(chǎng)E。當(dāng)前第7頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)回路中的接觸電勢(shì)當(dāng)前第8頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)第二個(gè)故事：湯姆遜效應(yīng)1854年，湯姆遜發(fā)現(xiàn)，同一種金屬如存在溫度梯度，如1處溫度T0,2處溫度T0＋⊿T，則溫度高端自由電子動(dòng)能大,會(huì)向溫度低端移動(dòng)，產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),稱為湯姆遜電勢(shì)（開爾文），其值的大小為兩端溫度的函數(shù)：當(dāng)前第9頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)第三個(gè)：塞貝克效應(yīng)

seeback材料和溫度都不同。1821年，德國醫(yī)生塞貝克將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B連接起來，構(gòu)成一個(gè)閉合回路（如右圖所示），當(dāng)兩接點(diǎn)溫度不同時(shí)，回路中將有電流流動(dòng)，此電流稱為熱電流。由于回路中的電流太小，當(dāng)時(shí)塞貝克無法檢知。

當(dāng)前第10頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)塞貝克電動(dòng)勢(shì)塞貝克電動(dòng)勢(shì)塞貝克系數(shù)SAB當(dāng)前第11頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)對(duì)于金屬熱電極來說，因自由電子濃度很高，兩端溫差不會(huì)明顯改變兩端電子濃度差異，因此可以忽略單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)。已知條件AB當(dāng)前第12頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)EAB(T2,T1)－熱電偶的電動(dòng)勢(shì)；EAB(T2)－溫度為T2端的電動(dòng)勢(shì)（工作端，感溫端）；EAB(T1)－溫度為T1端的電動(dòng)勢(shì)（連接儀表端，參比端，冷端），將熱電偶的一個(gè)接點(diǎn)保持在一個(gè)恒定不變的溫度T1，則熱電偶的電動(dòng)勢(shì)僅隨另一個(gè)接點(diǎn)的溫度T2的變化而變化，也就是說，此時(shí)熱電偶的電動(dòng)勢(shì)是溫度T的單值函數(shù)。當(dāng)前第13頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)2、熱電偶基本原理熱電偶定義：由兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連接起來，用來測(cè)量溫度的元件，稱為熱電偶。這兩種導(dǎo)體稱為熱電極。熱電偶測(cè)溫方法：（1）1823年，物理學(xué)家貝克勒爾0－300℃Fe-Cu回路（2）列·卡特列爾使熱電偶成為一種真正適用的高溫計(jì)，500度左右的高溫時(shí)采用PtRh10-Pt（鉑銠－鉑）熱電回路。貴金屬當(dāng)前第14頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)注意事項(xiàng):（1）熱電偶并不是測(cè)量接點(diǎn)的溫度T2，而是測(cè)量的溫度差T2-T1。（2）熱電偶回路熱電動(dòng)勢(shì)的大小只與組成熱電偶的材料及兩端的溫度有關(guān)，而與熱電偶絲（偶絲）的幾何形狀（長短粗細(xì)）無關(guān)。（3）材料不同或接觸點(diǎn)溫度不同才有熱電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)前第15頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)注意事項(xiàng)：(4）接觸電勢(shì)與溫差電勢(shì)相比要大得多。因而熱電偶回路的總熱電動(dòng)勢(shì)由接觸電動(dòng)勢(shì)大小確定。(5）熱電偶的極性由金屬材料的電子數(shù)密度大小確定，電子數(shù)密度大的金屬導(dǎo)體為正極。(6）當(dāng)熱電偶的兩個(gè)熱電極材料已知時(shí)，在實(shí)驗(yàn)室中精確測(cè)定熱電偶的E-T特性程度為分度。當(dāng)前第16頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)當(dāng)前第17頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)3、熱電偶回路基本性質(zhì)3.1均質(zhì)回路定律3.2中間導(dǎo)體定律3.3中間溫度定律有了基本原理后如何運(yùn)用？當(dāng)前第18頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)3.1均質(zhì)回路定律均質(zhì)回路定律:由一種均質(zhì)材料組成的閉合回路，不論材料長度方向各處溫度如何分布（依靠局部加熱或冷卻或改變其橫截面積），回路中均不產(chǎn)生熱電勢(shì)。當(dāng)前第19頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)均質(zhì)回路定律作用：作用：檢驗(yàn)材料的均勻性。（1）加熱雜質(zhì)段與均質(zhì)段的交接處，則回路中會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)。（2）熱電偶急冷急熱，熱電極材料晶粒粗大，產(chǎn)生不均勻性。組成熱電偶的兩種材料必須各自都是均質(zhì)的,否則會(huì)由于沿?zé)犭娕奸L度方向存在溫度梯度而產(chǎn)生附加電勢(shì)，從而因熱電偶材料不均引入誤差。當(dāng)前第20頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)3.2中間導(dǎo)體定律：測(cè)溫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)，即熱電偶產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)保持不變。當(dāng)前第21頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)假設(shè)T=T0當(dāng)前第22頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)中間導(dǎo)體定律作用：拉線（1）在熱電偶回路中可拉入測(cè)量熱電勢(shì)的儀表和導(dǎo)線，只要保持兩端接點(diǎn)的溫度相同，不影響回路測(cè)量結(jié)果。（2）熱電偶的接點(diǎn)不僅可經(jīng)焊接而成，也可以借用均質(zhì)等溫的導(dǎo)體加以連接。(對(duì)于不易焊接的兩極)當(dāng)前第23頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)3.3中間溫度定律：補(bǔ)償導(dǎo)線

中間溫度定律:兩種不同材料組成的熱電偶回路，其接點(diǎn)溫度分別為T0和T2時(shí)的熱電勢(shì)EAB(T0,T2)等于“兩個(gè)”熱電偶在連接點(diǎn)溫度為(T0,T1)和(T1,T2)時(shí)相應(yīng)的熱電勢(shì)EAB(T0,T1)和EAB(T1,T2)的代數(shù)和，其中T1為中間溫度。假設(shè)A和A‘不是一種材料！T0為被測(cè)溫度，T大于T1,T1大于T2！當(dāng)前第24頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)中間溫度定律當(dāng)前第25頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)中間溫度定律的應(yīng)用:補(bǔ)償導(dǎo)線使用成為可能，避免貴金屬大量使用。當(dāng)熱電偶冷端（參比端）溫度T1不為0℃時(shí)，且T1已知，仍可以采用熱電偶分度表求得被測(cè)溫度T2值。例1當(dāng)前第26頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)例1：冷端溫度為20℃，熱電偶為鉑銠－鉑，毫伏表測(cè)得的電動(dòng)勢(shì)為0.3毫伏，求被測(cè)物體的溫度。已知條件：E1=0.3毫伏，T1=20℃,T2=0℃，求T0=?解：查表，E2=0.113毫伏，則E=E1＋E2=0.413毫伏。查表T0=67℃。前提條件：冷端溫度用其他辦法測(cè)出來。當(dāng)前第27頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)例2：鎳鉻－鎳硅熱電偶，A’B’為補(bǔ)償導(dǎo)線，Cu為銅導(dǎo)線，已知接線盒1的溫度t1=40℃,t2=0℃，t3=20℃。當(dāng)Ux＝39.314mV時(shí)，計(jì)算被測(cè)點(diǎn)溫度tx。如果A’B’換成銅導(dǎo)線，此時(shí)Ux＝37.701mV，求tx

。txA’B’說明：補(bǔ)償導(dǎo)線在溫度較低時(shí)（100度）其電子數(shù)目與偶絲一樣！當(dāng)前第28頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)說明：采用不同導(dǎo)線測(cè)同一溫度，熱電勢(shì)不相等。當(dāng)前第29頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)4、熱電極材料基本要求理論上任何兩種導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）材料都可以組配成熱電偶，但是要制成使用的測(cè)溫元件，熱電極材料必須具有一定的要求：（1）熱電極材料之間的熱電動(dòng)勢(shì)應(yīng)足夠大，并且隨溫度呈單值函數(shù)變化。（2）熱電極材料的熔點(diǎn)應(yīng)足夠高，以便配成的熱電偶能在較寬的溫度范圍內(nèi)工作。熱電偶最高使用溫度比熱電極材料的熔點(diǎn)低50－150℃。當(dāng)前第30頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)（3）熱電極材料應(yīng)具有良好的高溫抗氧化性和抗環(huán)境介質(zhì)的腐蝕性。（4）熱電極材料的熱電特性在使用過程中或分度時(shí)應(yīng)穩(wěn)定不變。（5）熱電極材料應(yīng)具有良好的塑性和足夠高的機(jī)械強(qiáng)度，以利于加工成絲材。熱電極材料基本要求熱電極材料特殊要求當(dāng)前第31頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)

第一種方法：互相搭配

按材料的絕對(duì)熱電動(dòng)勢(shì)特性選配I:導(dǎo)體A和B的塞貝克系數(shù)SAB與導(dǎo)體A和B自身的絕對(duì)熱電動(dòng)勢(shì)SA、SB之間存在如下的關(guān)系：SAB＝SA－SB，因此配對(duì)材料應(yīng)選擇具有相反符號(hào)的，量值大的SA和SB。II:導(dǎo)體A和B的絕對(duì)熱電動(dòng)勢(shì)率隨溫度變化的曲線斜率要求相等。線性！當(dāng)前第32頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)第二種方法：與參照物搭配

按參比電極定律選配

參比電極定律：若導(dǎo)體A和B分別與某個(gè)參比熱電極C組成熱電偶，當(dāng)兩接點(diǎn)溫度都在T0和T時(shí)，則所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)為EAC和EBC。EAB（T0，T）＝EAC（T0，T）－EBC（T0，T）當(dāng)前第33頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)按參比電極定律選配

當(dāng)用導(dǎo)體A和B直接配對(duì)熱電偶，其兩接點(diǎn)的溫度也在同樣的溫度T0和T時(shí)，所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)EAB為上述兩種熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)之差。EAB（T0，T）＝EAC（T0，T）－EBC（T0，T）當(dāng)前第34頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)參比電極定律的作用參比電極的使用簡化了熱電極的選配工作。只要獲得有關(guān)熱電極與標(biāo)準(zhǔn)電極（鉑電極）配對(duì)的熱電勢(shì)，那么任何兩種熱電極配對(duì)時(shí)的熱電勢(shì)便可以通過公式求得，而不需重新進(jìn)行測(cè)定。標(biāo)準(zhǔn)電極：純度非常高的鉑作為參比電極，Pt-67。當(dāng)前第35頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)世界上僅南非和俄羅斯出產(chǎn)。

鉑金的抗氧化能力強(qiáng)，熔點(diǎn)高；良好的催化劑，被廣泛用于汽車尾氣排放裝置；任何人的皮膚對(duì)鉑金都不會(huì)有過敏現(xiàn)象，可做成電極用于電子脈沖調(diào)節(jié)器；可用于制造潛水深度達(dá)200米的深水手表。Pt900代表純鉑含量高達(dá)90％的鉑金首飾。Pt-27是27號(hào)熔鉑爐煉出的鉑材料，到了60年代材料用竭。Pt-67年代名，其純度99.999%

。

鉑金常識(shí)當(dāng)前第36頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)5、標(biāo)準(zhǔn)熱電偶標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級(jí)上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場(chǎng)合的測(cè)量。當(dāng)前第37頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)5.1熱電偶的國際標(biāo)準(zhǔn)國際上規(guī)定熱電偶分為八個(gè)不同的分度，分別為B，R，S，K，N，E，J和T，其測(cè)量溫度的最低可測(cè)零下270攝氏度，最高可達(dá)1800攝氏度。其中B，R，S屬于鉑系列的熱電偶，由于鉑屬于貴重金屬，所以他們又被稱為貴金屬熱電偶，而剩下的幾個(gè)則稱為廉價(jià)金屬熱電偶。寫法：BP/BN當(dāng)前第38頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)貴金屬熱電偶優(yōu)點(diǎn)：高溫下使用；物理性能穩(wěn)定；測(cè)量精度高；便于復(fù)制；熔點(diǎn)高。缺點(diǎn)：材料成本高；靈敏度低（熱電勢(shì)低?。?。還原性氣氛、侵蝕性氣氛、金屬蒸汽易斷絲。S:鉑銠10-鉑R:鉑銠13-鉑B:鉑銠30-鉑銠6當(dāng)前第39頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)貴金屬熱電偶銠的好處：鉑銠合金對(duì)鉑的熱電動(dòng)勢(shì)隨著合金中銠的含量增加而迅速增加，但到一定程度后（銠含量大于40％后），合金的熱電動(dòng)勢(shì)卻不會(huì)再變化。但銠會(huì)擴(kuò)散到鉑級(jí)，或者作為氧化物揮發(fā)出去！銠的缺點(diǎn)：隨著銠含量的增加，鉑銠合金的加工性變壞（需要熱加工或頻繁進(jìn)行中間退火處理才能拉成絲），目前含銠量以30％為限。當(dāng)前第40頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)（1）S型：鉑銠10-鉑系列最早開始使用的熱電偶!1890年優(yōu)點(diǎn)：性質(zhì)穩(wěn)定，精度高，抗氧化能力強(qiáng)，在空氣或真空環(huán)境中，S型熱電偶能在1400℃下連續(xù)使用；在1750℃下可以使用它進(jìn)行短時(shí)間的測(cè)量。長期工作溫度1300℃

。800度以上缺點(diǎn)：熱電特性非線性嚴(yán)重高溫下易升華與再結(jié)晶。當(dāng)前第41頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)（3）B型：鉑銠30-鉑銠6系列1953年測(cè)量高溫的比較理想的熱電偶，可連續(xù)用于0－1800℃溫區(qū)，能在氧化性或惰性氣氛中使用。優(yōu)點(diǎn)：（1）不會(huì)出現(xiàn)銠擴(kuò)散；（2）不易發(fā)生大結(jié)晶化的現(xiàn)象；（3）機(jī)械性能好，長期使用后熱電動(dòng)勢(shì)下降的趨勢(shì)也不明顯。缺點(diǎn)：熱電動(dòng)勢(shì)和靈敏度不如S型和R型熱電偶（尤其在低溫范圍），價(jià)格貴。特點(diǎn)：在0－50℃范圍內(nèi)熱電動(dòng)勢(shì)很小（50℃時(shí)為3微伏）,冷端不為0度時(shí)可不補(bǔ)償。當(dāng)前第42頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)（4）K型：鎳鉻（9：1）-鎳硅（97：3）1906年工業(yè)使用最廣泛的一種，優(yōu)點(diǎn)：1）具有較好的抗氧化性能，廣泛應(yīng)用于500－1300℃的測(cè)溫范圍；2）0－1100℃之間的熱電動(dòng)勢(shì)與溫度的關(guān)系幾乎是線性的，使得顯示儀表的刻度均勻；3）熱電動(dòng)勢(shì)大，靈敏度比較高；P2724）熱導(dǎo)率低；5）便宜，工業(yè)中廣泛使用（1000℃以上取代S型）。當(dāng)前第43頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)（4）K型：缺點(diǎn)1）對(duì)應(yīng)力敏感；2）不適用于還原性氣氛或者交替氧化和還原的氣氛中；3）不適用于硫氣氛中以及真空中；

含硫氣氛對(duì)電極有腐蝕作用真空氣氛會(huì)使正極（鎳鉻）中的鉻優(yōu)先蒸發(fā)，使得分度特性變化4）精度較鉑銠－鉑熱電偶低。當(dāng)前第44頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)Ni-Cr合金：K狀態(tài)、擇優(yōu)氧化K狀態(tài)是Ni－Cr合金特有的晶格變化，當(dāng)Cr含量在5－30%范圍內(nèi)、溫度為300－500℃時(shí)存在原子晶格有序向無序轉(zhuǎn)變，引起熱電動(dòng)勢(shì)不穩(wěn)定！擇優(yōu)氧化：Ni—Cr合金在800℃左右氧分壓較低時(shí)同O2親和力大的Cr，將發(fā)生選擇性氧化，Cr含量降低會(huì)引起熱電勢(shì)偏低。當(dāng)前第45頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)（5）N型：鎳鉻硅-鎳硅鎂

1971年分度表與K型熱電偶相近，但抗氧化性和穩(wěn)定性大幅提高。名義成分是：正極為14.2%Cr，1.4%Si，余量是Ni；負(fù)極為4.4%Si，0.1Mg，余量為Ni?？朔﨣型熱電偶兩個(gè)缺點(diǎn)：K狀態(tài)、擇優(yōu)氧化增加了稀土金屬La、Ce、Y、Ca，使合金絲的高溫抗氧化性和熱穩(wěn)定性有明顯地提高。N型熱電偶的長期穩(wěn)定性遠(yuǎn)優(yōu)于K型熱電偶，成為可用于－50－1300℃的優(yōu)秀的廉價(jià)金屬熱電偶。（國際標(biāo)準(zhǔn)熱電偶）當(dāng)前第46頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)（6）E型：鎳鉻（9：1）-銅鎳（康銅）適用于－200－900℃溫區(qū)的氧化性或惰性氣氛中的溫度測(cè)量。低溫爐廣泛使用熱電動(dòng)勢(shì)最大、靈敏度最高，制成熱電堆，測(cè)量微小的溫度變化?？捎糜诤朔磻?yīng)堆！福島核電站適宜濕度較高度環(huán)境，適宜核輻射環(huán)境（熱電特性穩(wěn)定），不適宜于還原性氣氛或含碳與含硫氣氛中，變脆！當(dāng)前第47頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)E型熱電偶熱電勢(shì)最大！當(dāng)前第48頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)（7）J型：鐵-銅鎳系列:Fe-NiCu551910年開始使用純鐵-康銅，但康銅成分與E型熱電偶中負(fù)極材料不同。JP、NP既可在氧化性氣氛中使用（750℃），又可在還原性氣氛中使用（950℃），不能在高溫含硫的氣氛中使用。超過500℃

，鐵氧化速率加快！當(dāng)前第49頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)（8）T型：銅-銅鎳系列正極為純銅、負(fù)極與E型熱電偶通用。使用溫度低，－200℃－350℃在使用溫度范圍內(nèi)，準(zhǔn)確度最高，穩(wěn)定性和均勻性好！可制作標(biāo)準(zhǔn)熱電偶銅在500℃會(huì)很快氧化，不超過400℃。當(dāng)前第50頁\共有55頁\編于星期一\7點(diǎn)5.2非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶貴金屬熱電偶