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1、,温度测量仪表 热电偶,主讲人：吴冠鸿,前言,1820年代初期，塞贝克通过实验方法研究了电流与热的关系。1821年，塞贝克将两种不同的金属导线连接在一起，构成一个电流回路。他将两条导线首尾相连形成一个结点，他突然发现，如果把其中的一个结加热到很高的温度而另一个结保持低温的话，电路周围存在磁场。他实在不敢相信，热量施加于两种金属构成的一个结时会有电流产生，这只能用热磁电流或热磁现象来解释他的发现。在接下来的两年里时间（182221823），塞贝克将他的持续观察报告给普鲁士科学学会，把这一发现描述为“温差导致的金属磁”。赛贝壳的实验仪器，加热其中一端时，指针转动，说明导线产生了磁场。塞贝克确实已经
2、发现了热电效应，但他却做出了错误的解释：导线周围产生磁场的原因，是温度梯度导致金属在一定方向上被磁化，而非形成了电流。科学学会认为，这种现象是因为温度梯度导致了电流，继而在导线周围产生了磁场。对于这样的解释，塞贝克十分恼火，他反驳说，科学家们的眼睛让奥斯特（电磁学的先驱）的经验给蒙住了，所以他们只会用“磁场由电流产生”的理论去解释，而想不到还有别的解释。但是，塞贝克自己却难以解释这样一个事实：如果将电路切断，温度梯度并未在导线周围产生磁场。所以，多数人都认可热电效应的观点，后来也就这样被确定下来了。热电效应发现后的1830年，人们就为它找到了应用场所。利用热电效应，可制成温差电偶（thermo
3、couple，即热电偶）来测量温度。只要选用适当的金属作热电偶材料，就可轻易测量到从180到2000的温度，如此宽泛测量范围，令酒精或水银温度计望尘莫及。现在，通过采用铂和铂合金制作的热电偶温度计，甚至可以测量高达2800的温度！,目录,热电偶的基本定律,热电偶分类及安装,热电偶是什么,热电现象热电偶是什么热电偶的优缺点,按材料分按结构分安装,均质导体定律中间导体定律中间温度定律,热电现象,将两种不同材料的导体（或半导体）A和B组成闭合回路称之为热电偶。A、B是热偶丝，也叫热电极。放在被测对象中，感受温度变化的那端称为工作端或热端，另一端称为自由端或冷端。当热端和冷端温度不同时回路中有电流流过
4、，此电流称为热电流，产生热电流的电动势称为热电势，这种物理现象称为热电现象。此热电势由接触电势和温差电势两部分组成的。,热电偶是什么？,热电偶是什么,热电偶是一种感温元件，是一次仪表，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。,热电偶温度计以热电偶作为感温元件，一般用于测量500以上的高温，长期使用时其测温上限可达1300，短期使用时可达1600，特殊材料制成的热电偶可测量的温度范围为20003000。如电厂生产过程中的主蒸汽温度、过热器管壁温度、烟气高温等都是采用热电偶来测量的。,热电偶具有性能稳定、测温高、结构简单、使用方便、经济耐用、容
5、易维护和体积小等优点，还便于信号远传和实现多点切换测量。,热电偶是什么？,热电偶的优缺点,热电偶是什么？,优点：测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。测量范围广。常用的热电偶从-50+1600均可边续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269（如金铁镍铬），最高可达+2800（如钨-铼）。构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。缺点：低温范围的测量精度低；信号调理复杂，容易引入误差；易受腐蚀，使用必须在特定惰性气氛中使用，受腐蚀后精度会下降；抗噪性差，测量毫伏电压易受杂乱电场和磁场的影响。,分类（按材料分
6、）,标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。标准化热电偶中国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为中国统一设计型热电偶。,热电偶分类及安装,分类（按材料分）,热电偶分类及安装,电厂常用热电偶有K分度和E分度：K分度号的特点是抗氧化性能强，宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，长期使用温度1000，短期1200。在所有热电偶中使用最广泛，使用温度-2701372；E分度号的特点是在常用热电偶中，其热电动势最大，即灵敏度最高。宜在氧化性、惰性气氛中
7、连续使用，使用温度-200-900；*T分度号的特点是在所有廉金属热电偶中精确度等级最高，通常用来测量300以下的温度。,分类（按结构分）,1、普通型热电偶 常用的普通型热电偶本体是一端焊接的两根金属丝（热电极）。考虑到两根热电极之间的电气绝缘和防止有害介质侵蚀热电极，在工业上使用的热电偶一般都有绝缘管和保护套管。在个别情况下，如果被测介质对热电偶不会发生侵蚀作用，也可不用保护套管，以减小接触测温误差与滞后。,热电偶分类及安装,分类（按结构分）,2、铠装热电偶 铠装热电偶是由金属套管、绝缘材料和热电极经拉伸加工而成的坚实组合体，其结构如图所示。套管材料有铜、不锈钢及镍基高温合金等。热电偶与套管
8、之间填满了绝缘材料的粉末，目前采用的绝缘材料绝大部分为氧化镁。套管中的热电极有单丝的、双丝的和四丝的，彼此之间互相绝缘。,1金属套管 2绝缘材料 3热电极,热电偶分类及安装,分类（按结构分）,3、薄膜热电偶 薄膜热电偶是由两种金属薄膜连接而成的一种特殊结构的热电偶。这种薄膜热电偶的热端既小又薄，热容量很小，可以用于微小面积上的温度测量；动态响应快，可测量瞬变的表面温度。我国研制成的铁一镍薄膜热电偶如图所示。,1热电极;2热接点;3绝缘基板;4引出线,热电偶分类及安装,安装要求,热电偶的分类及安装,对热电偶的安装,应注意有利于测温准确，安全可靠及维修方便，而且不影响设备运行和生产操作。要满足以上
9、要求，在选择对热电偶和热电阻的安装部位和插入深度时要注意以下几点：1、为了使热电偶的测量端与被测介质之间有充分的热交换,应合理选择测点位置,尽量避免在阀门,弯头及管道和设备的死角附近装设热电偶或热电阻；2、如果不得以必须要在弯头处安装，也尽量顶部迎着流体方向安装，而不是顶部顺着流体方向；3、带有保护套管的热电偶有传热和散热损失，为了减少测量误差，热电偶和热电阻；4、热电偶应该有足够的插入深度。,插入深度要求,热电偶的分类及安装,(1)对于测量管道中心流体温度的热电偶,一般都应将其测量端插入到管道中心处(垂直安装或倾斜安装).如被测流体的管道直径是200毫米,那热电偶或热电阻插入深度应选择100
10、毫米;(2)对于高温高压和高速流体的温度测量(如主蒸汽温度),为了减小保护套对流体的阻力和防止保护套在流体作用下发生断裂,可采取保护管浅插方式或采用热套式热电偶.浅插式的热电偶保护套管,其插入主蒸汽管道的深度应不小于75mm;热套式热电偶的标准插入深度为100mm;(3)假如需要测量是烟道内烟气的温度,尽管烟道直径为4m,热电偶或热电阻插入深度1m即可.(4)当测量原件插入深度超过1m时,应尽可能垂直安装,或加装支撑架和保护套管.,均质导体定律,热电偶的基本定律,该定律内容是：由一种均质导体或半导体组成的闭合回路，不论导体或半导体的截面积、长度和各处温度分布如何，都不能产生热电势。该定律已在理
11、论分析中得到证明，并可得出如下结论：（1）热电偶必须由两种不同性质的材料构成。（2）由一种材料组成的闭合回路存在温差时，回路如产生热电势，便说明该材料是不均匀的。据此，可检查热电极材料的均匀性。,中间导体定律,热电偶的基本定律,该定律内容是：由不同材料组成的闭合回路中，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。根据中间导体定律还可以得出如下结论：（1）在热电偶回路中接入第三种均质材料，只要保证所接入材料两端温度相同，就不会影响热电偶的热电势。根据中间导体定律，只要保证连接导线和显示仪表接入热电偶回路时两连接端的温度相同，就不会改变热电势。另外，热电偶的热端焊接点也相当于第三种金
12、属，只要它与热电极接触良好，整个接点温度一致，也不会影响热电偶回路的热电势。（2）如果两种导体A和B对另一种参考导体C热电势已知，则这两种导体组成的热电偶的热电势是它们对参考导体热电势的代数和，即 EAB（t，to）=EAC（t，to）ECB（t,to）参考导体亦称标准电极，一般选用铂制成，若已知各种电极与标准电极配成热电偶的热电特性，便可按此结论计算出任意两电极A、B配成热电偶后的热电特性，这样大大简化了热电偶的选配工作。,中间温度定律,热电偶的基本定律,热电偶A、B在接点温度为t1、t3时的热电势等于热电偶A、B在接点温度分别为t1，t2和t2，t3时热电势的代数和，即EAB（t1，t3）
13、EAB（t1，t2）EAB（t2，t3）由此定律可得如下结论：（1）已知热电偶在某一给定冷端温度下进行的分度，只要引入适当的修正，就可在另外的冷端温度下使用。该定律为制定和使用热电偶的热电势一温度关系 即分度表奠定了理论基础。因为热电偶分度表是在冷端温度t0=0时热电势与热端温度的关系，根据中间温度定律便可以算出任何冷端温度时的热电势值。可得出EAB（t，0）EAB（t，tn）EAB（tn，0）（2）和热电偶具有同样热电性质的补偿导线可以引入热电偶回路中，相当于把热电偶延长而不影响热电偶应有的热电势。该定律为应用补偿导线提供了理论依据。,为什么要冷端处理处理方法,热电偶的补偿导线,目录,目录,
14、热点偶常见故障,热电偶冷端处理,补偿导线,热点偶常见故障及处理,补偿导线,我国规定补偿导线分为补偿型和延伸型两种。补偿型补偿导线的材料与对应的热电偶不同，是用贱金属制成的，但在低温下它们的热电性质是相同的。延伸型补偿导线的材料与对应的热电偶相同，但其热电性能的准确度要求略低。,热电偶补偿导线,补偿导线样式,为什么要冷端处理,热电偶冷端处理,热电偶的测温原理表明：热电偶的热电势是两个接点温度的函数差，只有当冷端温度不变时，热电势才是热端温度的单值函数。但在实际应用中，热电偶冷端所处环境温度总有波动，从而使测量得不到正确结果，因此必须对热电偶冷端温度变化的影响采取补偿措施，使热电偶的热电势只反映热
15、端温度（被测温度）的变化，而不受冷端温度变化的影响。常用的处理办法有以下几种。,冷端处理方法,热电偶冷端处理,1计算修正法若温度显示仪表分度时规定热电偶冷端温度为0，而在使用中冷端温度为t00时，根据热电偶的中间温度定律，得知在这种情况下产生的热电势为 EAB（t，0）EAB（t，t0）EAB（t0，0）(2-8)式中 EAB（t，0）冷端为0、热端为t 时的热电势；EAB（t，t0）冷端为t0，热端为t时的热电势，即实测值；EAB（t0，0）冷端为t0应加的校正值。,冷端处理方法,热电偶冷端处理,2、仪表机械零点调整法 仪表的机械零点为仪表输入电势为零时，指针停留的刻度点，也就是仪表的刻度起
16、始点。若预知热电偶冷端温度为t0，在测温回路开路情况下，将仪表的刻度起始点调定在t0位置，此时相当于人为给仪表输入热电势EAB（t0，0），在接通测温回路后，输入仪表的热电势为 EAB（t，t0）EAB（t0，0）=EAB（t，0）使仪表指针指示热端温度t值。,冷端处理方法,热电偶冷端处理,3、恒温法 在精密测量中，一般要求热电偶冷端温度保持为0，通常采用冰点槽。冰点槽的容器中充满蒸馏水与碎冰块的混合物，其温度保持为0。冰点槽法是准确度很高的冷端处理方法，然而使用比较麻烦，需要保持冰、水两相共存，一般限于实验室精确测温或热电偶检定时使用。在现场，常使用电加热式恒温箱。这种恒温箱通过接点控制或其
17、他控制方式维持箱内温度恒定（常为50）。,冷端处理方法,热电偶冷端处理,4、补偿电桥法（冷端补偿器）补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶冷端温度变化所引起的热电势的变化。5、多点测量的热电偶冷端温度补偿（1）利用一块显示仪表和一个冷端温度补偿器的多点测量线路；（2）用一只辅助热电偶对多只同型号热电偶冷端进行补偿的线路；,热电偶常见故障及处理,热电偶常见故障,热电偶常见故障及处理,热电偶常见故障,测量原理,小结,在热电偶回路中接入第三种金属材料时，只要该材料两个接点的温度相同，热电偶所产生的热 电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。因此，在热电偶测温时，可接入测量仪表，测
18、得热电动势后，即可知道被测介质的温度。热电偶实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度，对于热电偶的热电势，应注意如下几个问题：1、热电偶的热电势是热电偶两端温度函数的差，而不是热电偶两端温度差的函数；2、热电偶所产生的热电势的大小，当热电偶的材料是均匀时，与热电偶的长度和直径无关，只与热电偶材料的成份和两端的温差有关；3、当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后，热电偶热电势的大小，只与热电偶的温度差有关；若热电偶冷端的温度保持一定，这进热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。,热电偶特性模块功能,拓展*OVATION热电偶卡,当两块不同的金属（一个热电偶）连接在一起时
19、，它们之间会产生电压（塞贝克电压）。此电压与两块金属结合端的温度有直接关系。电压和温度之间的关系最适合用五次多项式来描述，此关系由结合的两种金属决定。为测量两块金属之间的电压(Vt)，每根导线必须连接一个电压表（这种情况下为模拟量输入卡）。不过，这样又在端子和热电偶之间产生了两个新结合端和电压（V1 和 V2）。使用以下公式计算 Vt：Vt=VM-V1-V2。如果不引出更多结合端和电压，不可能测量出 V1 和 V2。因此，模拟量输入子系统的特性模块(1C31116G04)上采用一个温度传感器测量基座端子板上的温度(TJ)。使用由结合端金属和热电偶金属确定的转换公式可计算 V1 与 V2 的组合
20、电压。这称为冷端补偿。,热电偶特性模块功能,拓展*OVATION热电偶卡,指定热电偶系数,拓展*OVATION热电偶卡,指定热电偶系数,拓展*OVATION热电偶卡,Emod:5X00070G04 Pmod:1C31116G04,注意：当热电偶端接地时，必须将PM卡中的短 接线取出。,校验原理,拓展*热电偶的校验,热电偶使用一段时间后，测量端由于氧化腐蚀和高温下的再结晶等原因，其热电特性会发生变化，因而产生测量误差，为了确保热电偶测温精确度，必须对热电偶进行校验。采用比较法进行校验，将标准铂铑-铂热电偶与被校热电偶捆扎起来，放入管式加热炉中心，为了确保标准热电偶与被校热电偶的测量端的温度尽量相同，加热炉高温区域内放有钻孔的耐高温镍块套。此方法直接测量标准热电偶与被校热电偶的热电势，通过比较、换算，最后确定被校热电偶的示值误差。此方法的优点是测量直观，被校热电偶和标准热电偶可以是不同的类型；其缺点是对炉温的稳定性要求较高，为此，本实验附有一套炉温控制器，以稳定的检定炉内的温度，确保在一个温度校验点的测量时间内，检定炉内温度变化不超过0.5。否则将带来较大的测量误差。,谢谢观赏！,结束语,
