测温热电偶基础知识

热电偶基础知识热电温度计以热电偶作为测温元件测得与温度相应的热电动势由仪表显示出温度值。它广泛用来测量-200℃~1300℃范围内的温度，特殊情况下，可测至2800℃的高温或4K的低温。它具有结构简单、价格便宜、准确度高、测温范围广等特点。由于热电偶将温度转化成电量进行检测，使温度的测量、控制以及对温度信号的放大、变换都很方便，适用于远距离测量和自动控制。在接触式测温法中，热电温度计的应用最普遍。(1)热电偶测温原理热电偶的测温原理基于热电效应。将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点电1和2的温度不同时，如果T＞T0（如图8.2-3热电效应），在回路中就会产生热电动势，并在回路中有一定大小的电流，此种现象称为热电效应。该电动势就是著名的“塞贝克温差电动势”，简称“热电动势”，记为EAB，导体A，B称为热电极。接点1通常是焊接在一起的，测量时将它置于测温场所感受被测温度，故称为测量端(或工作端热端）。接点2要求温度恒定，称为参考端（或冷端）。由两种导体的组合并将温度转化为热电动势的传感器叫做热电偶。热电动势是由两种导体的接触电势（珀尔贴电势）和单一导体的温差电势（汤姆逊电势）所组成。热电动势的大小与两种导体材料的性质及接点温度有关。导体内部的电子密度是不同的，当两种电子密度不同的导体A与B接触时，接触面上就会发生电子扩散，电子从电子密度高的导体流向密度低的导体。电子扩散的速率与两导体的电子密度有关并和接触区的温度成正比。设导体A和B的自由电子密度为NA和NB，且NA＞NB，电子扩散的结果使导体A失去电子而带正电，导体B则获得电子而带负电，在接触面形成电场。这个电场阻碍了电子的扩散，达到动平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电势，其大小为式中k——玻耳兹曼常数，k=1.38×10-23J/K；e——电子电荷量，e＝1.6×10-19C；T——接触处的温度，K；NA，NB——分别为导体A和B的自由电子密度。因导体两端温度不同而产生的电动势称为温差电势。由于温度梯度的存在，改变了电子的能量分布，高温端（T）电子将向低温端（T0）扩散，致使高温端因失去电子带正电，低温端因获电子而带负电。因而在同一导体两端也产生电位差，并阻止电子从高温端向低温端扩散，于是电子扩散形成动平衡，此时所建立的电位差称为温差电势即汤姆逊电势，它与温度的关系为式中σ为汤姆逊系数，表示温差1℃所产生的电动势值，其大小与材料性质及两端的温度有关。导体A和B组成的热电偶闭合电路在两个接点处有两个接触电势eAB(T)与eAB(T0)，又因为T＞T0，在导体A和B中还各有一个温差电势。所以闭合回路总热电动势EAB(T,T0)应为接触电动势和温差电势的代数和，即：对于已选定的热电偶，当参考温度恒定时，总热电动势就变成测量端温度T的单值函数，即EAB(Ｔ,T0)=f(T)。这就是热电偶测量温度的基本原理。在实际测温时，必须在热电偶闭合回路中引入连接导线和仪表。(2)有关热电偶测温的基本原则1)均质导体定则。由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。如果热电偶的两根热电极由两种均质导体组成，那么，热电偶的热电动势仅与两接点的温度有关，与热电偶的温度分布无关；如果热电极为非均质电极，并处于具有温度梯度的温场时，将产生附加电势，如果仅从热电偶的热电动势大小来判断温度的高低就会引起误差。2)中间导体定则。在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。根据这一定则，可以将热电偶的一个接点断开接入第三种导体，也可以将热电偶的一种导体断开接入第三种导体，只要每一种导体的两端温度相同，均不影响回路的总热电动势。在实际测温电路中，必须有连接导线和显示仪器，若把连接导线和显示仪器看成第三种导体，只要他们的两端温度相同，则不影响总热电动势。3)参考电极定则。两种导体A,B分别与参考电极C(或称标准电极)组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已知，A和B两极配对后的热电动势可用下式求得：由此可见，只要知道两种导体分别与参考电极组成热电偶时的热电动势，就可以依据参考电极定则计算出两导体组成热电偶时的热电动势。从而简化了热电偶的选配工作。由于铂的物理化学性质稳定、熔点高、易提纯，所以人们多采用高纯铂作为参考电极。（3)常用热电偶适于制作热电偶的材料有300多种，其中广泛应用的有40~50种。国际电工委员会向世界各国推荐8种热电偶作为标准化热电偶，我国标准化热电偶也有8种。分别是：铂铑10-铂(分度号为S)、铂铑13-铂(R)、铂铑30-铂铑6(B)、镍铬-镍硅(K)、镍铬-康铜(E)、铁-康铜(J)、铜-康铜(T)和镍铬硅-镍硅(N)。下面简要介绍其中几种。1)铂铑10-铂热电偶由φ0.5mm的纯铂丝和直径相同的铂铑丝制成，分度号为S。铂铑丝为正极,纯铂丝为负极。它的特点是热电性能好，抗氧化性强，宜在氧化性、惰性气氛中连续使用。长期适用的温度为1400℃，超过此温度时，即使在空气中纯铂丝也将再结晶而使晶粒增大。短期使用温度为1600℃。在所有的热电偶中，它的准确度等级最高,通常用作标准或测量高温的热电偶，其使用温度范围广（0~1600℃），均质性及互换性好；其缺点是价格昂贵,热电势较小，需配灵敏度高的显示仪表。2)镍铬-镍硅(镍铝)热电偶镍铬为正极，镍硅为负极，分度号为K。其特点是：使用温度范围宽（-50~1300℃），高温下性能较稳定，热电动势和温度的关系近似线性，价格便宜，因此是目前用量最大的一种热电偶。它适用于在氧化性和惰性气氛中连续使用，短期使用温度为1200℃，长期使用温度为1000℃。3)镍铬—康铜热电偶镍铬为正极，康铜为负极，分度号为E。它的最大特点是在常用热电偶中热电动势最大，即灵敏度最高，适宜在－250~870℃范围内的氧化性或惰性气氛中使用,尤其适宜在0℃以下使用。在湿度大的情况下，较其它热电偶耐腐蚀。4)铜-康铜热电偶纯铜为正极，康铜为负极，分度号为T。其特点是：在贱金属热电偶中准确度最高，热电丝均匀性好，使用温度范围为-200～350℃。此外，还有非标准化热电偶，有钨铼系列（属难融金属），铂铑系列，铱铑系列，铂钼系列及非金属热电偶等。(4)热电偶冷端的温度补偿根据热电偶测温原理，只有当热电偶的参考端的温度保持不变时，热电动势才是被测温度的单值函数。常用的分度表及显示仪表，都是以热电偶参考端的温度为0℃为先决条件的。但是在实际使用中，因热电偶长度受到一定限制，参考端温度直接受到被测介质与环境温度的影响，不仅难于保持0℃，而且往往是波动的，无法进行参考端温度修正。因此，要使变化很大的参考端温度恒定下来，通常采用补偿导线法和参考端温度恒定法。通常，用补偿导线将热电偶的参考端引至显示仪表，而显示仪表放在恒温或温度波动较小的地方。采用某两种导线组成的热电偶补偿导线，在一定温度范围内（0～100℃）具有与所连接的热电偶相同的热电性能。图8.2-4补偿导线的应用为补偿导线在回路中的连接示意。必须指出，不同的热电偶要配不同的导线，不能用错。采用参考端温度恒定法时，参考端的形式见表1所示。表1参考端的形式和用途参考端形式用途冰点式常用的冰点瓶是在保温瓶内盛满冰水混合物用于校正标准热电偶等高精度温度测量电子式利用半导体制冷的原理,冷却密封的水槽,从而把参考端温度保持在0,体积小,操作简单用于热电温度计的温度测量恒温槽式利用温度调节器将温度恒定。如果它的温度不是0,要用其它温度计测出其温度并进行修正补偿式利用不平衡电桥进行补偿,又称补偿电桥法室温式无参考端恒定装置,或将参考端置于油中利用油的惰性使参考端温度保持一致及接近室温用于精度不太高的测量当温度恒定或变化很小又不为0℃时，还必须用热电势修正法修正。