山东建筑大学热工检测课第4章

第四章测量误差和不确定度第一节热电现象及热电偶定律第四节金属测温电阻第五节半导体热敏电阻第六节热电偶和热电阻的校验第三节热电偶冷端温度补偿第二节标准化与非标准化热电偶第一节热电现象及热电偶定律一热电现象及热电偶测温原理二热电偶基本定律一热电现象及热电偶测温原理热电偶是目前世界上科研和生产中应用最普遍、最广泛的温度测量元件。它将温度信号转换成电势（mV）信号，配以测量毫伏的仪表或变送器可以实现温度的测量或温度信号的转换。具有结构简单、制作方便、测量范围宽、准确度高、性能稳定、复现性好、体积小、响应时间短等各种优点。它既可以用于流体温度测量，也可以用于固体温度测量。既可以测量静态温度，也能测量动态温度。并且直接输出直流电压信号，便于测量、信号传输、自动记录和控制等。将两种不同的导体或半导体连成闭合回路，当两个接点处的温度不同时，回路中将产生热电势。闭合回路中产生的热电势由两种电势组成：温差电势和接触电势两种不同的导体相接触时，因各自的电子密度不同而产生电子扩散，当达到动平衡后所形成的电势，大小取决于两种不同导体的性质和接触点的温度。•指同一导体的两端因温度不同而产生的电势，不同的导体具有不同的电子密度，所以它们的温差电势也不一样。•是导体A右端的温度为T时的电子密度•是导体B左端的温度为T时的电子密度一一一+-高温低温温差电动势NAt为导体A在温度t时的电子密度热电偶回路中总热电势BEAB（T）EAB（T0）EA（T，T0）EB（T，T0）A经过简化可得闭合回路的总热电势为接触电势要远大于温差电势，闭合回路总电势以接触电势为主EAB(T,T0)=f(T)-C闭合回路的总热电势取决于两种材料及两个端点的温度.当热电偶材料一定时,热电偶的总热电势成为温度T和T0的函数•当T0维持一定时,对于确定的热电偶热电势只与温度T成单值函数关系,即:(1)热电偶产生热电势的条件是两种不同的导体材料构成回路，两端接点处的温度不同。小结(2)热电势大小只与热电极材料及两端温度有关，与热偶丝的粗细和长短无关。小结(3)热电极材料确定以后，热电势的大小只与温度有关。小结测温时，测量端置于被测温度处。而参比端一般要保持恒定温度，并与测量仪表相接。在这个闭合回路中，T端称测量端或热端，T0端称参比端或冷端。二热电偶的基本定律1均质导体定则2中间导体定则3标准电极定则4中间温度定则1均质导体定则由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的截面和长度以及其温度分布如何，都不能产生热电势。这一定则说明，一种均质材料不能构成热电偶由两种不同材料组成的热电偶则要求材质的均匀性要好，否则热电极的温度分布将会对热电势值产生影响2中间导体定则在热电偶回路中接入中间导体后，只要中间导体两端的温度相同，对热电偶回路的总热电势值没有影响。2中间导体定则假设金属的活性顺序为ABC回路总电势2中间导体定则回路总电势EAB(t)-EAC(t0)+EBC(t0)=EAB(t)-[EAC(t0)-EBC(t0)]=EAB(t)-EAB(t0)=EAB(t,t0)3标准电极定则•已知热电偶的两个电极A、B分别与另一电极C组成的热电偶的热电势为EAC(T,T0)和EBC(T,T0)，•则在相同接点温度(T,T0)下，由A、B电极组成的热电偶的热电势EAB(T,T0)为:例如，铂铑30—铂热电偶的EAC（1084.5℃,0℃）=13.976mv,铂铑6—铂热电偶的EBC（1084.5℃,0℃）=8.354mv，根据标准电极定律，铂铑30—铂铑6热电偶的EAB(1084.5℃,0℃）=13.976-8.354=5.622mv。4中间温度定则热电偶AB在接点温度为t1、t3时的热电势EAB(t1,t3)等于热电偶AB在接点温度为t1、t2和t2、t3时的热电势EAB(t1,t2)、EAB(t2,t3)的代数和。EAB(t1,t3)=EAB(t1,t2)+EAB(t2,t3)根据这一定则，只需列出热电偶在参比端温度为0℃的分度表，就可以求出参比端在其它温度时的热电势值。热电偶参考端补偿导线法处理※原理：在一定温度范围内，与配用热电偶的热电特性相同的一对带有绝缘层的廉价金属导线为补偿导线。回路总热电势为E=EAB(T,T0’)+EA’B’(T0’,T0)E=EAB(T,T0)补偿导线EA’B’(T0’,T0)=EAB(T0’,T0)常用补偿导线的结构分为普通型和带屏蔽层型两种按照补偿原理分为补偿型及延伸型两种补偿导线按使用温度可分为一般用（0～100℃）和耐热用（0～200℃）•注意–两个接点温度不能超过规定温度–两个接点温度应当相同。否则，由于热电偶与补偿导线的热电特性并不完全相同，可能会引起较大的测量误差。–正负极不能接反在T0=0℃条件下，用实验的方法测出各种不同热电极组合的热电偶在不同热端温度下所产生的热电势值，可以列出对应的分度表，常用热电偶的热电特性有分度表可查。通常表示热电偶所用热电极材料时，电子相对活跃的为正极，电子相对不活跃的为负极。分度表第二节标准化与非标准化热电偶一热电极材料及其热电性质二标准化热电偶三非标准化热电偶四热电偶的构造一热电极材料及其热电性质•在测温范围内热电性能稳定，不随时间和被测对象而变化；•在测温范围内物理化学性能稳定，不易氧化和腐蚀，耐辐射；•所组成的热电偶要有足够的灵敏度，热电势随温度的变化牢要足够大；一热电极材料及其热电性质•热电特性接近单值线性或近似线性；•电导率高，电阻温度系数小；•机械性能好，机械强度高，材质均匀；工艺性好，易加工，复制性好价格便宜。二标准化热电偶热电偶分度号测量端温度(℃)参考端温度(℃)热电势(mV)S1300013.155B1400158.914K8503034.111T-14520-5.324E8053559.304J5651530.3061廉金属热电偶1）T型（铜－康铜）热电偶2）K型（镍铬－镍铝或镍硅）热电偶3）E型（镍铬－康铜）热电偶4）J型（铁－康铜）热电偶K型（镍铬—镍硅）热电偶这是一种贱金属热电偶，它的特点是价格低廉，灵敏度高，复现性较好，高温下抗氧化能力强，是工业和实验室中大量采用的一种热电偶。但在还原性介质或含硫化物气氛中易被侵蚀。T型（铜—康铜）热电偶这是一种贱金属热电偶，测量精度高，稳定性好，低温时灵敏度高，价格低廉。E型（镍铬—康铜）热电偶这是一种贱金属热电偶，在以上几种热电偶中它的灵敏度最高，但抗氧化及抗硫化物介质的能力较差，适于在中性或还原性气氛中使用。2贵金属热电偶1）S型（铂铑10－铂）热电偶2）R型（铂铑13－铂）热电偶3）B型（铂铑30－铂铑6）热电偶S型（铂铑10—铂）热电偶这是一种贵金属热电偶，它的特点是精度高，物理化学性能稳定，测温上限高，适于在氧化或中性气氛介质中使用。另外，它的热电势较小，灵敏度较低，价格昂贵。它不仅可用于工业和实验室测温，更为重要的是它可以保存为基准热电偶和传递为各级标准热电偶。B型（铂铑30—铂铑6）热电偶这是一种贵金属热电偶，它的特点是测温上限短时可达1800℃，测量精度高，适于在氧化或中性气氛介质中使用。但不宜在还原气氛中使用，灵敏度较低，价格昂贵。三非标准化热电偶•（1）钨－铼系热电偶（2）钨－铱系热电偶（3）其他非标准化热电偶四热电偶的构造•1普通热电偶•2铠装热电偶•3薄膜热电偶1普通热电偶（1）热电极（2）绝缘材料（3）保护套管两个热电极热电偶接点2铠装热电偶WRTK2-434/ⅡΦ8*1000mm铠装固定卡套法兰热电偶WRSK-143/ⅡΦ6*1000mmGh3030铠装防爆热电偶WRNK-332/ⅠΦ4*1000mmGh2520铠装可动卡套螺纹热电偶•由金属套管、绝缘材料（一般为氧化镁粉）和热电偶线三者组合而成的坚实体。•按测量端：绝缘型、接壳型、露端型和分离式绝缘型；按固定装置：无、卡套式、螺纹、法兰等•测量范围大和反应速度快•安装使用方便•使用寿命长，机械强度和耐压性能好•从0.25mm~12mm直径范围，最大长度可到500m铠装型热电偶可长达上百米第三节热电偶冷端温度补偿•一计算法•二冰点槽法•三补偿电桥法3热电偶冷端温度补偿热电偶的总热电势为温度T和T0的函数•当T0维持一定时,对于确定的热电偶热电势只与温度T成单值函数关系,即:EAB(T,T0)=f(T)-C存在问题冷端温度T0难以保持稳定,所以要对冷端进行温度补偿一计算法•热电偶冷端温度T0通常为环境温度而不是0℃，此时需要进行计算修正。可查分度表求得然后可得二冰点槽法工业应用时，一般把参比端放在电加热的恒温器中，使其维持在某一恒定的温度。在实验室情况及精密测量中，是把参比端置于能保持恒温的冰点槽中，参比端温度为0℃。测得热电势后，直接查分度表得知被测温度。三补偿电桥法补偿电桥法是在热电偶测温系统中串联一个不平衡电桥，此电桥输出的电压随热电偶冷端温度变化而变化，从而修正热电偶冷端温度波动引入的误差。补偿电桥法利用不平衡电桥产生相应的电势，以补偿热电偶由于参比端温度变化而引起的热电势变化。前述中间导体定则的推广回路总电势E=EAB(t,t0)回路总电势E=EAB(t,t0)+U回路总电势E=EAB(t,t0)+U回路总电势E=EAB(t,t0)+UabE=E(t,t0)+UabRS为限流电阻,桥路供电电压为直流4VR1=R2=R3=1Ω,采用锰铜丝无感绕制,其电阻温度系数为0RCU用铜丝无感绕制,其电阻温度系数为4.3×10-3℃-1,当温度为20℃时为1Ω◆当热电偶冷端和补偿端的温度t0=20℃时,补偿器的4个桥臂电阻均为1Ω,电桥处于平衡状态,桥路输出电压为Uab=0,●◆当t0随环境温度升高时Rcu增大则a点电位不变,b点电位降低，使Uab增加◆当t0随环境温度升高时由于t0升高,E(t,t0)将减小选择Rs,使Uab的增加值等于E(t,t0)减小量那么总电动势E将不随t0变化,相当于使冷端温度自动处于20℃,达到了补偿的目的.3.用两支分度号为K的热电偶测量A区和B区的温差，连接回路如右图所示。当热电偶参考端温度t0为0℃时，仪表指示200℃。问在参考端温度上升25℃时，仪表的指示值为多少？为什么？第四节金属测温电阻•一对金属测温电阻的要求•二标准化热电阻•三工业用热电阻的结构复水器出口水温（热电阻）WZC-111/Φ12*1000mmCu50铜热电阻WZP2-240/A级3线300/150mmE(0-300℃)隔爆热电阻WZPK2-103/B级Φ6*515mm(0-300℃)铂热电阻热电阻温度计被广泛地用于低温及中温（-200～500℃）范围内的温度测量，目前应用范围已扩展到1～5K的超低温领域。在1000～1200℃的高温范围内，也具有较好特性。优点：测温准确度高，信号便于传送。缺点：不能测太高的温度，需外部电源供电，连接导线的电阻易受环境温度影响而产生测量误差。大多数金属热电阻随其温度升高而增加，当温度升高1℃时，其阻值约增加0.4%~0.6%，称具有正的电阻温度系数。电阻值Rt与温度t（℃）的关系可表示为Rt=R0（1+At+Bt2+Ct3）式中Rt——温度为t℃时金属导体的电阻；R0——温度为0℃时金属导体的电阻；A、B、C——与金属材料有关的常数。对不同区间，系数不同一对金属测温电阻的要求•虽然大多数金属和半导体的电阻与温度之间都存在着一定的关系，但并不是所有的金属或半导体都能做成电阻温度计。用于测温的热电阻（或热敏电阻）应满足以下要求：（1）电阻温度系数要大，以得到高敏感度；电阻温度系数：在某一温度间隔内，温度变化1℃时的电阻相对变化量，单位为1/℃。0000()ttttRRRRttRt•（2）在测温范围内化学与物理性能要稳定；（3）复现性要好；（4）电阻率要大，以得到小体积的元件，进而保证热容量和热惯性小，使得对温度变化的响应比较快；•（5）电阻温度特性尽可能接近线性，以便于分度和读数；（6）价格相对低廉。目前已被采用的电阻温度计具有如下特点：（3）热电阻感温部分体积比热电偶的热接点大得多，因此不宜测量点温度与动态温度