两相流(温度测量传感器)课件.ppt

第八节 热电式温度计 热电式传感器是指将温度变化转化为电量变化的原件和装置热电式传感器有许多种类，如热电偶、、热电阻、集成温度传感器等本节主要介绍热电偶和热电阻 一、热电偶 热电偶温度计是以热电效应为基础的测温仪表它的测量范围广、结构简单、使用方便，测温准确可靠，便于信号的远传、自动记录和集中控制，因而在工业生产和科研领域中应用极为普遍热电偶温度计是由热电偶、连接导线及显示仪表三部分组成下图是最简单的热电偶温度计测温系统示意图一）热电偶的测温原理 热电偶是由两种不同的导体（或半导体）材料焊接或绞接（见下图）而成，焊接的一端与被测介质充分接触，感受被测温度，称为热电偶的工作端或热端；另一端与导线连接，称为自由端或冷端导体A、B称为热电极 热电效应：将热电偶热端加热，使得冷、热两端温度不同，则在该热电偶回路中就会产生热电势，这种物理现象叫热电效应在热电偶回路中产生的热电势有温差电势和接触电势两部分组成 （1）温差电势 它是在同一导体材料的两端因其温度不同，自由电子分布不均匀，而产生温差电动势记为e（t，t0）此电势只与导体性质和导体两端的温度有关，而与导体长度、截面大小及沿导体长度上的温度分布无关。

2）接触电势: 它是两种电子密度不同的导体相互接触时产生的一种热电势 当两种不同的导体A和B相接触时，其自由电子密度不等，则在两导体的接触面上，有电子扩散现象因而产生接触电势，记为eAB(t) 接触电势只与两种导体的性质和接触点的温度有关，当两种导体的材料一定，接触电势仅与其接触点的温度有关温度越高，导体中的电子就越活跃，由A导体扩散到B导体的电子数就越多，致使接触面处所产生的电场强度越高，因而接触电势也就越大导体A和B相接触时，其自由电子密度不等，则在两导体的接触面上，有电子扩散现象因而产生接触电势，记为eAB(t)综上所述，由A、B两种不同导体组成的热电偶回路中，如果两接触点的温度不同，假设 tt0，电子密度 NANB，则存在两个温差电势eA（t，t0）和eB（t，t0），两个接触电势eAB(t)和eAB(t0)，各电势的方向示于图中由图中可知，两个温差电势的方向相反，两个接触电势的方向也相反，因温差电势往往远小于接触电势，所以常常把它忽略不计.,电路中的总电势EAB(t，t0)可表示为： EAB(t，t0)eAB(t)eAB(t0) 下脚注AB的顺序表示热电势的方向，A表示为正极（电子密度大的）导体，B表示为负极（电子密度小的）导体，t表示高温端，t0表示低温端。

如果次序改变，则热电势前面的符号也应随之改变即 eAB(t) eBA (t) EAB(t，t0)EBA (t，t0) EAB(t0，t),由热电偶回路中的总电势可知，当A、B两种材料确定之后，热电势仅与两接点的温度t和t0有关，如果t0端温度保持不变，即eAB(t0)为常数，则热电偶回路中的总电势就成为热端温度t的单值函数，只要测出EAB(t，t0)的大小，就能得到被测温度t，这就是利用热电现象来测温的原理 说明： 如果组成热电偶回路的A、B 导体材料相同，则无论两接点温度如何，热电偶回路内的总电势为零 如果热电偶两端温度相同，尽管A、B两导体材料不同，热电偶回路内的总电势也为零 热电偶回路中的热电势除了与两接点处的温度有关外，还与热电极的材料有关，也就是说不同热电极材料制成的热电偶在相同温度下产生的热电势是不同的，参见各种热电偶分度表3）引入第三种导体的问题 为了测量热电偶产生的热电势，必须要用导线与显示仪表构成闭合回路，这样就在热电偶回路中加入了第三导体，而第三导体的引入又构成了新的接点，如下图中的点3和点4、点2和点3 ，引入第三导体后会不会影响热电偶的热电势呢？下面分别对以下两种情况进行分析。

EABC(t，t1，t0)eAB (t)eBC (t1) eCB (t1)eBA (t0) ） 因为 eBC (t1)eCB (t1) eBA (t0) eAB (t0) 所以，式可以改写成： EABC(t，t1，t0)eAB (t)eAB (t0) EAB (t，t0),A:右图所示情况 在电路中，3、4接点温度相同（均为t1），故回路中总的热电势为：,所以回路中总的热电势与引入第三导体无关B:右图所示情况电路中的2、3接点的温度相同（均为t0），故回路中总的热电势为： 根据能量守恒定律，多种导体组成的闭合回路中，尽管它们的材料不同，只要各接点的温度相等，则此闭合回路中的总电势等于零即ABC三种导体组成的闭合回路，,EABC(t，t0)eAB (t)eAB (t0) EAB(t， t0) 结果表明热电势与第三导体的引入无关EABC(t，t0)eAB (t)eBC (t0) eCA (t0),EABC(t0，t0)eAB (t0)eBC (t0) eCA (t0) 0 则：eAB (t0) eBC (t0) eCA (t0) （3-6-9）,三个接点温度相同（均为t0），则回路中总热电势为：,将式（3-6-9）代入前式得：,经过分析知： 在热电偶回路中，接入第三种导体后，只要与第三种导体连接的两接点的温度相同，则对热电偶回路中的热电势没有影响。

同理，如在回路中引入多种导体，只要保证引入的导体两端温度相同，均不会影响热电偶回路中的热电势 这是热电偶回路中一个很重要的性质，正是由于这种性质的存在，才可以在回路中根据需要方便地引入各种连接导线及显示仪表二）常用热电偶 根据热电偶测温原理，理论上任意两种导体都可以组成热电偶但实际为保证一定的测量精度，对组成热电偶的材料必须进行严格地选择工业用热电极材料应满足以下要求： 1、热电极的物理和化学稳定性要高，即在测温范围内热电特性（热电势与温度之间的关系）不随时间变化； 2、电阻温度系数小，导电率高； 3、温度每升高1所产生的热电势要大，而且热电势与温度之间尽可能为线性关系； 3、材料组织要均匀，有韧性，复现性好（用同种成分材料制成的热电偶其热电特性均相同的性质称复现性），便于成批生产及互换等热电偶温度计（续）,在实际生产中同时具备上述要求的热电极材料是难以找到的因此，应根据不同的测温范围，选用不同的热电极材料 目前在国际上被公认的比较好的热电极材料只有几种，这些材料是经过精选而且标准化了的，应用在各种温度范围内，测量效果较好现将工业上最常用的（已标准化了的）几种热电偶介绍如下：,1铂铑30铂铑6热电偶（分度号为B） 也称双铂铑热电偶，是典型的高温热电偶。

以铂铑30（铂70，铑30）为正极，铂铑6（铂94，铑6）为负极，其测温上限长期使用可达1600，短期可达1800其热电特性在高温下更为稳定，适于在氧化性或中性介质中使用但它产生的热电势小，价格贵在室温下热电势极小（25时为2V，50时为3V），因此当冷端温度在40以下范围使用时，一般不需要进行冷端温度补偿2铂铑10铂热电偶（分度号为S） 铂铑10为正极，纯铂丝为负极，测温上限长期使用为1300，短期可达1600，适于在氧化性及中性介质中使用物理化学性能稳定，耐高温，不易氧化，在所有的热电偶中，它的精度最高，可用于精密温度测量和作基准热电偶 3镍铬镍硅热电偶（分度号为K） 镍铬为正极，镍硅为负极，测温上限长期使用为1000，短期使用可达1200 此热电偶由于正、负极材料中都含镍，故抗氧化性抗腐蚀性好，500以下可用于氧化性及还原性介质中，500以上只宜在氧化性和中性介质中使用热电势与温度近似为线性，热电势比铂铑10铂热电偶高34倍，价格便宜，应用广泛4镍铬康铜热电偶（分度号为E） 镍铬为正极，康铜（含镍40的铜镍合金）为负极，测温范围为200870，但在750以上只宜短期使用。

该热电偶稳定性好，价格低廉，并可用于低温测量，尤其适宜在0以下使用，而且在湿度大的情况下，较其它热电偶耐腐蚀 5铜康铜热电偶（分度号为T） 该热电偶正极为纯铜，负极为康铜，适用测温范围一般为200300，短期可达350在廉价金属热电偶中它的精确度高，稳定性好，低温测量灵敏度高，可用于真空、氧化、还原及中性介质中但由于铜在高温时易氧化，故一般使用时不超过300，因铜热电极的热导率高，在低温下易引入误差6铁康铜热电偶（分度号为J） 该热电偶正极为铁，负极为康铜，一般测温范围为40750它是廉价金属热电偶，适用的介质同铜康铜热电偶，这种热电偶在700 以下线性非常好，具有较高的灵敏度由于铁易氧化生锈，故它不能在高温或含硫的介质中使用 各种常用热电偶的热电势与温度的关系可由标准数据表中查到，这种表称为热电偶的分度表，分度表是在热电偶冷端温度t00的条件下，得到的热电势与测量端温度对应关系分度号相同的热电偶可以共用同一分度表几种常用热电偶的分度表见本章附录一普通型热电偶由热电极、绝缘子、保护套管及接线盒四部分组成，其结构如图所示 热电极是组成热电偶的两根热偶丝，热电极的直径由材料的价格、机械强度、导电率以及热电偶的测温范围等决定。

贵金属的热电极大多采用直径为0.30.65mm的细丝，普通金属电极直径一般为0.53.2mm其长度由安装条件及插入深度而定，一般为3502000mm绝缘子用于防止热电偶两极之间及热电极与保护套管之间形成短路，在热电极上套入绝缘子，其材料视被测温度高低而定最常用的绝缘子是瓷管和高温陶瓷管，其结构有单孔、双孔和四孔的 保护套管是套在热电极及绝缘子外边，其作用是保护热电极不受化学腐蚀和机械损伤其材质一般根据测温范围、插入深度、被测介质性质以及测温时间常数等条件来决定 对材料的要求是：耐高温，耐腐蚀，有良好的气密性，足够的机械强度，具有较高的导热系数等最常用的保护套管是碳钢和不锈钢 为了便于安装，保护套管又分为螺纹连接和法兰连接两种型式三）热电偶冷端温度处理方法 为了使用上的方便，与各种标准化热电偶配套的显示仪表是根据所配热电偶的分度表将热电势转换为对应的温度值来进行刻度的各热电偶的分度表均是在冷端温度（t0）为0的条件下的热电势与温度（t）之间的关系，因此要求热电偶工作时，冷端必须保持在0，否则将产生误差但在工业上使用时，要使冷端保持在0是比较困难的，因此要根据不同的使用条件及要求的测量精度，对热电偶冷端采用一些不同的处理方法。

1补偿导线 由于热电偶一般做得比较短（除铠装热电偶外），特别是贵金属热电偶就更短这样热电偶的冷端离被测对象很近，使冷端温度较高且波动较大如果把热电偶做得很长，使冷端延长至温度比较稳定的地方，这种办法由于热电极线不便于敷设，对于贵金属热电偶很不经济采用专用导线将热电偶的冷端延伸出来，如图所示，这种导线也是由两种材料制成，在一定温度范围内（0100）与所连接的热电偶具有相同或十分近似的热电特性，其材料又是廉价金属，称为补偿导线不同热电偶所用的补偿导线也不同，在使用时要注意型号相配，极性不能接错，热电偶与补偿导线连接处的温度不应超过100各种型号热电偶所配用的补偿导线材料列于表补偿导线表示并不能补偿热电偶冷端温度的变化，只是起到了热电偶冷端的延伸作用，改变热电偶的冷端位置，以便于采用其它的补偿方法 另外，即使在规定使用温度范围内，由于补偿导线热电特性不可能与热电偶完全相同，因而仍存在一定的误差2冰点法 热点偶的分度表都是在冷端温度为0的情况下制定的，如果把冷端置于能保持温度为0的冰点槽内，则测得的热电势就代表被测实际温度保温瓶内盛满冰水混合物，为了防止短路，两根电极丝要分别插入各自的试管中，试管则置于保温瓶中，使其温度保持在0，然后用铜导线引出接入显示仪表。

冰点法一般在实验室里精密测量中使用因为这种方法需要保持冰水两相共存，使用起来比较麻烦，故一般工业测量中均不采用3计算修正法 当热电偶冷端。