热工测量及仪表热工测量及仪表 (( 二二 ))

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第三章 热电偶温度计第三章 热电偶温度计第一节 热电现象和热电偶基本定律第一节 热电现象和热电偶基本定律

热电偶温度计组成热电偶温度计组成 :: 热电偶热电偶 ,, 仪表仪表 (( 显示显示 ,, 计计录录 ),), 导线导线 (( 三件三件 ).).

特点特点 :: 测温范围广测温范围广 (100~1600(100~1600℃℃ 常见常见 ))

适应性强适应性强 :: 可测量液体可测量液体 ,, 蒸汽蒸汽 ,, 气体介质气体介质 ,, 固体表成的温度固体表成的温度 ..

结构简单结构简单 ,, 使用方便使用方便 ,, 测温准确可靠测温准确可靠 ,, 便便于远距离传输自动记录和集中控制于远距离传输自动记录和集中控制 ,, 因此在因此在工业生产中极为普遍使用工业生产中极为普遍使用 ..

一一 .. 热电现象和热电偶温度计热电现象和热电偶温度计

21

i

mA

t0t

B

A A.BA.B 为两种 不为两种 不同导体材料同导体材料 ,, 在 在 t>tt>t00 时时 ,, 回路中回路中将产生电动势将产生电动势 ,,使电流表偏转使电流表偏转 ..

热电现象

1.1. 温差电势温差电势 (( 汤姆逊电势汤姆逊电势 )) 　　

均质金属导体

t 0

t

mAe

由于物质由于物质导体两端导体两端温度温度 t>tt>t00

时时 ,, 产生产生的电势称的电势称为温差电为温差电势势 ..

A Δ t A t 0t

eA

温差电势与材料性质和温差电势与材料性质和导体两端温度导体两端温度有关有关 ,,与材料的几何尺寸与材料的几何尺寸 (( 长长度度 .. 截面截面 ),), 沿导体长度上沿导体长度上的温度分布的温度分布无关无关 ..温差电势

)()( 0tte AAA

00

1( , ) ( , )

t

A AtA

Ke t t d N t

e N

NA—导体 A的电子密度，它是温度的单值函数

t—导体各断面的温度； t， t0—导体两端的温度

e—单位电荷， e=4.802×10-10 绝对静电单位

BA

φ AB(t)

2.2. 接触电势接触电势 (( 珀尔帖电势珀尔帖电势 ) )

不同导体材料内不同导体材料内部的电子密度是部的电子密度是不同的不同的 ,, 当当 AA 与与BB 相接触时相接触时 ,, 将将发生自由电子的发生自由电子的扩散现象扩散现象 ..

φφABAB(t)(t) 只与只与 AA 、、BB 的性质有关的性质有关 ..

接触电势

( ) ln AAB

B

NKTe t

e N

K—玻尔兹曼常数，等于 1.38×10-23 焦耳 /K

NA 、 NB 导体 A、 B在温度为 t时的电子密度

3.3. 热电势热电势

eA eB

t 0

t

A B

+ -

- -

+ +

+ -

Φ AB(t 0)

Φ AB(t)

热电势热电势 == 温差电势温差电势 ++ 接触电势接触电势EAB(t,t0)=ΦAB(t)-eA-ΦAB(t0)+EB

=fAB(t)-fAB(t0)

或

EAB(t,t0)=eAB(t)-eAB(t0)

0

0 0 0 0

0

( , ) ( ) ( , ) ( ) ( , )

ln

( ) ( )

AB AB B AB A

tA

tB

E t t e t e t t e t e t t

NKdt

e N

f t f t

温度函数

结论：结论：①① 热电偶回路热电势的大小，只与导体材料和两热电偶回路热电势的大小，只与导体材料和两

端温度端温度有关有关，而与热电偶得长度、热电极（导，而与热电偶得长度、热电极（导体材料）直径体材料）直径无关无关

②② 若组成热电偶得两个热电极材料相同，则无论若组成热电偶得两个热电极材料相同，则无论热电偶两接点温度如何，是热电偶两接点温度如何，是不可能产生热电势不可能产生热电势

③③ 如果如果 tt00 端为定值端为定值 ffABAB （（ tt00 ）） ==CC 常数常数，则热电，则热电偶的热电势只与工作端温度偶的热电势只与工作端温度有关有关

二二 .. 热电偶的基本定律热电偶的基本定律 (( 定则定则 ))

1.1. 均质导体定律均质导体定律 :: 由一种均质导体由一种均质导体 ,, 不论导不论导体的截面如何体的截面如何 ,, 以及各处的温度分布如何以及各处的温度分布如何 ,,都不能产生热电势都不能产生热电势 ..

2.2. 中间导体定律中间导体定律 :: 由几种不同材料组成的闭由几种不同材料组成的闭合回路中合回路中 ,, 若各种材料接触点的温度都相同若各种材料接触点的温度都相同 ,,则回路中热电势的总和等于零则回路中热电势的总和等于零 ..

3.3. 连接温度连接温度 (( 中间温度中间温度 )) 定律定律 :: 接点温度接点温度为为 tt11 和和 tt33 的热电偶的热电偶 ,, 它的热电势等于接它的热电势等于接点温度分别的为点温度分别的为 tt11,t,t22 和和 tt2,2,tt33 的两只同性的两只同性质热电偶的热电势的代数和质热电偶的热电势的代数和 ..

t1 t3

A

B

t2

A

B

中间温度定律

),()()(),(),( 31313221 ttEtetettEttE ABBAABABAB

根据中间温度定律根据中间温度定律

得 得 EE 总总 =E=EABAB(t,t(t,t00)=E)=EABAB(t,t(t,tnn)+E)+EABAB(t(tnn,t,t00))

由上式 由上式 EEABAB(t,t(t,tnn)=E)=EABAB(t,t(t,t00)) －－ EEABAB(t(tnn,t,t00))

当 当 tt00=0℃=0℃ 时时 EEABAB(t,t(t,tnn)=E)=EABAB(t,0)(t,0) －－ EEABAB(t(tnn,0),0)

由基本定律得出由基本定律得出→→结论结论 ..①① 热电偶必须由两种不同性质的材料构成热电偶必须由两种不同性质的材料构成 ..②② 在热电偶回路中加入第三种均质材料在热电偶回路中加入第三种均质材料 ,, 只要它的两只要它的两

端温度相同端温度相同 ,, 对回路的热电势就没有影响对回路的热电势就没有影响 ..③③ 与热电偶具有同样热电性质的补偿导线与热电偶具有同样热电性质的补偿导线 ,, 可以引入可以引入

热电偶回路中热电偶回路中 ,, 即把热电偶延长不会影响应有的热即把热电偶延长不会影响应有的热电势电势 ..

④④ 已知热电偶在某一给定冷端温度下进行分度已知热电偶在某一给定冷端温度下进行分度 ,, 只要只要引入修正引入修正 (( 值值 ),), 就可以在另外的冷端温度下使用就可以在另外的冷端温度下使用 ..

热电偶的分度表热电偶的分度表 表达表达热电偶冷端热电偶冷端 (( 参比端参比端 )) 为为 0℃0℃ 时时 ,,

热端热端 (( 工作端工作端 )) 温度与热电势之间的对应关温度与热电势之间的对应关系系 ,, 并以表格的方式体现出来并以表格的方式体现出来 ..

不同的材料构成的热电偶将产生不同的热不同的材料构成的热电偶将产生不同的热电势，即不同材料的热电偶有其对应的分电势，即不同材料的热电偶有其对应的分度号度号

例 . 用一只镍铬－镍硅的热电偶，测量某氮肥厂转化炉的温度，已知热电偶工作端温度为８００℃ ，冷端（自由端）温度为３０℃ ．求热电偶产生的热电势Ｅ（８００，３０）。

　解：Ｅ（８００，３０）＝Ｅ（８００，０）－Ｅ（３０，０）　　　　　　　　　　　　＝３３ . ２７７ mv －１ . ２０３ mv　　　　　　　　　　　　＝３２ . ０７４ mv

例 . 某支铂铑１０－铂热电偶在工作时，冷端温度 t ０＝３０℃ ，测得热电势

　Ｅ（ t ，３０）＝１４ . １９５ mv ，求被测介质的温度 t 。　　解：Ｅ（ t ，０）＝Ｅ（ t ，３０）＋Ｅ（３０，０）　　　　　　　　＝１４ . １９５ mv ＋０ . １７３ mv 　　　　　　　　　　＝１４ . ３６８ mv　查得Ｅ（ t ，０）＝１４ . ３６８时， t ＝１４００ ℃

作 业作 业1.热电偶的热电特性与热电极的长度和直径是否有关 ?若组

成热电偶的两个热电极材料相同 ,当这两个热电极接点温度 t=t0时 ,问该热电偶的热电势是多少 ?

2.某支铂铑３０－铂铑６热电偶工作时，冷端温度 t ０＝３０ ℃，测得热电势Ｅ（ t，３０）＝ 5.02mv，已知被测介质的真值温度是１０００ ℃。求该支热电偶的绝对误差。

3.用 S型热电偶测温 ,已知冷端温度为 40 ,℃ 而实测的热电势为 9.352mv,求被测温度值 .

　　第二节　标准化与非标准化热电偶　　第二节　标准化与非标准化热电偶　　　　　　　　　　按照工业标准化的要求，热电偶可分为　　按照工业标准化的要求，热电偶可分为标准化热电偶标准化热电偶和和非标准化热电偶非标准化热电偶。。

一、热电极材料及其热电性质一、热电极材料及其热电性质

热电极材料的要求：热电极材料的要求：aa.. 物理性能稳定；物理性能稳定； bb.. 化学性能稳定；化学性能稳定；cc.. 热电势和热电势率（热电势和热电势率（ ΔΔ ＥＥ (t)/(t)/℃℃))大；大；d.d. 电导率高；电导率高； e.e.复制性好；复制性好； f.f.价格便宜；价格便宜；

二、标准化热电偶二、标准化热电偶

要求和特点：要求和特点：工艺成熟、应用广泛、能批量工艺成熟、应用广泛、能批量生产、性能稳定；列入专业或国家标准化文生产、性能稳定；列入专业或国家标准化文件，具有统一的热电极材料及其化学成分，件，具有统一的热电极材料及其化学成分，热电性质和允许偏差。热电性质和允许偏差。具有：具有：统一的分度表。统一的分度表。国际电工委员会（ＩＥＣ）其推荐八种标准国际电工委员会（ＩＥＣ）其推荐八种标准化热电偶。化热电偶。

①① 铂铑铂铑 1010 －铂热电偶　Ｓ型－铂热电偶　Ｓ型 (( 分度号Ｓ分度号Ｓ )) 　　 ((贵金属贵金属 ))

②② 铂铑铂铑 1313 －铂热电偶 Ｒ型－铂热电偶 Ｒ型 (( 分度号Ｒ分度号Ｒ )) 　　 ((贵金属贵金属 ))

③③ 铂铑铂铑 3030 －铂铑－铂铑 66 热电偶 Ｂ型热电偶 Ｂ型 (( 分度号Ｂ分度号Ｂ )()(贵金属贵金属 ))

④④镍铬－镍硅镍铬－镍硅 ((镍铬－镍铝镍铬－镍铝 )) 热电偶　Ｋ型热电偶　Ｋ型 (( 分度号分度号ＫＫ )) 　　 ((廉金属廉金属 ))

⑤⑤镍铬－廉铜热电偶　Ｅ型镍铬－廉铜热电偶　Ｅ型 (( 分度号Ｅ分度号Ｅ )) 　　 ((廉金属廉金属 ))

⑥⑥铁－廉铜热电偶　　Ｊ型铁－廉铜热电偶　　Ｊ型 (( 分度号Ｊ分度号Ｊ )) 　　 ((廉金属廉金属 ))

⑦⑦铜－廉铜热电偶　　Ｔ型铜－廉铜热电偶　　Ｔ型 (( 分度号Ｔ分度号Ｔ )) 　　 ((廉金属廉金属 ))

⑧⑧镍铬镍铬 --金铁热电偶 金铁热电偶 (( 分度号Ｎ分度号Ｎ i-AuFe0.07)(i-AuFe0.07)(廉金属廉金属 ))

三、热电偶的构造三、热电偶的构造

１）热电极：电极直径选择（价格、机械强度、导１）热电极：电极直径选择（价格、机械强度、导电率、用途、测温范围）电率、用途、测温范围）贵金属：贵金属： ΦΦ００ .. ３～０３～０ .. ６５６５ mmmm ；；廉金属：廉金属： ΦΦ００ ..５～３５～３ ..２２ mmmm ；；电极长度　　一般　３５０～２０００电极长度　　一般　３５０～２０００ mmmm ；；接点连接方式：焊接方法。接点连接方式：焊接方法。

２）绝缘材料（套管）２）绝缘材料（套管）橡胶　　　　　　　　　　石英橡胶　　　　　　　　　　石英聚乙烯　　　　　　　　　陶瓷聚乙烯　　　　　　　　　陶瓷聚四氟乙烯　　低温型　　氧化铝　高温型聚四氟乙烯　　低温型　　氧化铝　高温型玻璃和玻璃纤维　　　　　氧化镁玻璃和玻璃纤维　　　　　氧化镁

３）保护套管３）保护套管承受热剧变，耐腐蚀，气密性良好，机械强度高，有高承受热剧变，耐腐蚀，气密性良好，机械强度高，有高

的导热率，不与热电极、绝缘材料起作用。的导热率，不与热电极、绝缘材料起作用。ＣＣ uu　　　　　　　　　　　　石英　　　　　　　　　　　　石英２０号碳钢　　　　　　　　高温陶瓷２０号碳钢　　　　　　　　高温陶瓷不锈钢不锈钢 1Cr18Ni9Ti1Cr18Ni9Ti　　　　　高纯　　　　　高纯 AlAl22OO33镍铬合金　　　　　　　　　　镍铬合金　　　　　　　　　　 BNBN连接方式：螺纹连接、法兰连接、无固定式连接方式：螺纹连接、法兰连接、无固定式 ((光杆型光杆型 ))被测压力：密封常压式、高压固定螺纹式被测压力：密封常压式、高压固定螺纹式时间常数时间常数 ((反映时间反映时间 ))受到材料及套管的直径影响受到材料及套管的直径影响　　　　　　金属套管：　　　　　　金属套管： ΦΦ12mm12mm时，时间常数４５时，时间常数４５ ss　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ΦΦ16mm16mm时，时间常数９０时，时间常数９０ ss

４）接线盒４）接线盒　　　　　　将热电极和连接导线连接起来，是热电　　将热电极和连接导线连接起来，是热电偶的冷端。分为：普通式、防溅式、防水式偶的冷端。分为：普通式、防溅式、防水式、隔爆式、插座式。、隔爆式、插座式。

四、铠装热电偶四、铠装热电偶　　　由于常用普通热电偶体积大、笨重、热　由于常用普通热电偶体积大、笨重、热惯性大，不适合特殊领域应用惯性大，不适合特殊领域应用 ,, 在生产或科研中经常在生产或科研中经常要用体积小、热惯性小的热电偶。要用体积小、热惯性小的热电偶。

　　它是由金属套管、绝缘材料和热电极经　　它是由金属套管、绝缘材料和热电极经拉伸加工成坚实组合体。拉伸加工成坚实组合体。套管为：铜、不锈钢、镍基高温合金。套管为：铜、不锈钢、镍基高温合金。套管与热电极之间填满绝缘材料粉末套管与热电极之间填满绝缘材料粉末 (MgO)(MgO) 。。铠装热电偶外径铠装热电偶外径 0.20.2～～ 6mm6mm ，长度，长度 1 1 ～～

20m20m ，最长，最长 100m100m 。。特点：热端热容小，动态响应快，机械强度高，特点：热端热容小，动态响应快，机械强度高，挠性好，耐高压，抗震动和冲击，可安装在挠性好，耐高压，抗震动和冲击，可安装在结构复杂的装置上。结构复杂的装置上。

五、非标准化热电偶五、非标准化热电偶 由于这一类热电偶的研究还不够成熟，虽由于这一类热电偶的研究还不够成熟，虽已有产品也能使用，但还没有统一的分度已有产品也能使用，但还没有统一的分度表，使用前需要个别标定，以确定热电势与表，使用前需要个别标定，以确定热电势与温度之间的关系。温度之间的关系。 它主要用于某些特殊场合：高温、低温、它主要用于某些特殊场合：高温、低温、超低温、高真空、有核辐射。超低温、高真空、有核辐射。钨铼系：长期测钨铼系：长期测 23162316℃℃，，短期可测短期可测 30003000℃℃。。铱铑系：测温在铱铑系：测温在 2000℃2000℃左右。左右。铂钼铂钼 5-5- 铂钼铂钼 0.10.1 热电偶：测量气体冷却原子反应堆热电偶：测量气体冷却原子反应堆

中中氦气温度，可测氦气温度，可测 1400 ℃1400 ℃ 。。

感受器

（热电偶）

传送件

（补偿导线） 显示件

谢谢！谢谢！