温度的检测与控制.ppt

温度的检测与控制,第一章 绪论“温度的检测与控制”是材料类专业的一门技术基础课，它涉及的内容主要是温度参量的检测与控制。“温度的检测与控制”是保证材料在热工过程及质量控制中十分重要的一环，是材料研究领域不可缺少的试验手段；对于温度传感器、显示及控制仪表等章节是本课要着重讲述的重点内容。其它部分包括温度、温标等概念作为基础和常识都应当有所了解。,1-1.温度仪表的类别,4)热辐射温度仪表,以上三种仪表都将感温元件与被测介质直接接触，当感温元件与检测介质的温度平衡时，感温元件所检测到的温度就代表检测介质的温度。这是目前应用最广也是最成功的方法，通称为接触式温度仪表。,1)膨胀式温度仪表,2)热电式温度仪表,3)电阻温度仪表,1）根据材料受热膨胀的特性检测温度变化值，如液柱式酒精或水银温度计，双金属片温度计等。,2）不同导体组成的热电回路，由于回路中接点温度差而产生电动势，借此测定温度变化，如各种各样的热电偶。这是研究时间最久也比较完善的检测仪表，是本书阐述的重点内容之一。,3）导体的电阻随温度不同而变化，如各种热电阻、热敏电阻与PN结等；,4)热辐射温度仪表 根据物体热辐射能量的大小反映物体本身温度高低的原理，可以间接测量温度，如光学高温计，辐射温度计，光电温度计等。因为感温器件不与被测介质接触，故又称为不接触温度测量仪表。此类仪表的量程较宽，又不干扰检测介质，受被测介质的影响也较小，因而它的适应范围广。由于热敏与光敏元件质量的提高，集成元件与微电脑的广泛应用，过去在工业上应用不多的光电及红外辐射温度仪表，目前应用日多，质量也有明显的提高。,1)检测仪表,2 按仪表的功能分类,4)执行器,2)显示仪表,3)控制仪表,(1)检测仪表 感受参量的变化并转换成适当的可测信号的元器件，通称为检测仪表，它包括传感器与变送器(转换器)两大类，上述四种仪表都属于检测仪表。,(2)显示仪表 将检测仪表输出的可测信号，以指针、记录笔或数字显示出来，通称为显示仪表，主要有模拟显示与数字显示两大类，前者应用已久，并且十分广泛，后者且近20年发展起来的，应用日益普遍。,(3)控制仪表 将检测仪表输出的信号值与热工工艺所设定的值相比，对被控量实施自动控制作用的仪表，它分为模拟控制仪表与数字控制仪表两大类，后者与微电脑技术结合又分为可编程数字控制仪表与智能控制仪表。,（4）执行器 将控制器发出的电(气)动控制信号，通过执行器转换成机械(直线或角)位移以调整被控参量的数值，使之符合热工工艺的要求。对于燃油或燃气炉炉温控制是电(气)动执行器与电(气)动控制阀；对于电热炉则是晶闸管或调功器，简单的位式控制系统则是接触器或电磁阀等。,图1-1温度的检测与控制仪表原理系统图,1-2 仪表的静态特性,仪表的静态指标决定于仪表的静态特性。它是以标准量作为被测量，在保持各种干扰为恒定或为零的情况下，于一定范围内改变标准量，使仪表输出量在相应一定范围内变化，这种在平衡状态下的输入输出特性，就是仪表的静态特性，它有一些静态指标。,这里注意：当被测量变化缓慢或恒定不变时，只考虑其静态特性指标是可行的；而当参量的变化较快或者是不断变化的，则必须考虑仪表输出与输入随时间而变的关系，这就是动态特性。温度的变化相对于其它参量是一个缓慢的过程，所以本课程对温度仪表一般只作静态特性介绍。,1灵敏度 仪表输出信号相对于输入信号变化量的比值定义为灵敏度，以S表示：,也可用相反的比例式表示。以热电偶的静态特性为例，其灵敏度可定义为温度变化1摄氏度时，热电偶的输出电动势的变化，单位为mV,或电动势变化l毫伏时温度的变化，单位为/mV，当参量变化是线性时，则S为常数，灵敏度就是特性直线的斜率，如图1-2a；如参量变化不是线性的，则灵敏度不是常数，特性曲线需进行线性化处理，如图1-2b；,2线性度仪表的输入输出关系的特性曲线，与理想直线相近程度称为线性度，它定义为与理想直线的最大偏差值B与仪表的输出范围A的比值，以L表示：,理想直线是通过回归分析法确定的，输出变化范围就是仪表量程最大与最小值之差如图1-3所示。线性度好，仪表的输出可以平均刻度，仪表标尺是均匀的。如果把理想直线作为仪表的实际特性曲线，则L就是仪表的非线性误差。图中曲线1与2的非线性误差是不同的。,变差：是由于仪表的机械结构存在间隙、摩擦或阻尼特性造成的，只能通过实验方法测定。这是仪表本身结构上存在的误差，是难以避免的，一般规定在一定范围以内。,4分辨率引起仪表指示值发生变化的最小输入量变化值称为仪表的分辨率，这是仪表能检测到被测量最小变化的能力。模拟仪表规定为刻度标尺最小分度值的一半，数字仪表则规定为最末位的一个字。,1-3 仪表的测量误差,一、一般概念测量是指应用一定的工具或仪器，去查明某一试验参量在某一时刻的大小，并显示出该参量的瞬时值或连续变化的值。人们不能指望此测量值绝对正确，原因是无论测量工具或仪表本身都存在不足，测量方法也有缺陷，因而测量值与实际值必然存在偏差，这个差值称为测量误差。我们只能尽力将误差减到最小或减到可以接受的程度。本节只介绍基本误差及误差评定，至于误差的综合与分配以及误差的传递，将结合温度测量介绍,当绝对值r用测量单位表示时称为绝对误差。实际上真实值是得不到的，所用工具或仪器的指示值，是以某种标准量具或标准仪表进行比较而得到的，这种比较本身虽然也存在误差，人们只好认为工具或仪表的示值加上已给出的修正值为真实值。,1绝对误差 测量值z与真实值M之差的绝对值r为,既然真实值难以得到，要衡量测量值的真实性只能用一些比较性的概念。,2相对误差绝对误差r与测量值z或真实值M之比称为相对误差rs,或,从上式可看到，r0代表着在仪表量程AH范围内，实际存在的最大误差相对于仪表量程的误差范围，因而可代表仪表的精度。,3基本误差所谓的基本误差，是指仪表在全量程范围内存在的最大绝对误差与仪表量程之比的百分数，即：,将上式加以变化：,4最大可能相对误差,基本误差r0,由上式不难看出，当选用的仪表量程略高于常测量温度时，存在的最大可能相对误差最小，可为仪表量程的选用提供依据。,最后得到：,5精密度与准确度 对某一参量进行同样的重复测量，所得各测量值之间的接近程度差别愈小，测量值密集，则测量值的精密度高，相反，测量值分散则精密度低。由此可见，精密度具有较大的随机性。,准确度是指测量值接近真实值的程度，它比较有规律性。准确度高，不一定精密度高，而精密度高可能准确度也高。因为多次重复测量值很相近，但可能与真实值相差很大。譬如打靶，当“精密地”打在偏靶的某一方，中弹密集，但记录环数却很低，又如准确打在靶心附近，虽然分散在靶心同围，但记录环数很高，即精密度与准确度均较高。反之，如果分散并离靶心较远，则精密度与准确度两者均低。,6仪表精度与精度等级 仪表精度是指仪表的指示值与真实值接近的程度。精度等级则是仪表的基本误差，一般以仪表的示值范围的百分数表示，例如仪表的基本误差为最大值的0.5或1，则仪表的精度等级分别是0.5级或1.0级，依此类推。仪表的基本误差是仪表在规定的工作条件如环境温度、湿度、电源电压与频率符合规定的情况下校准仪表所具有的误差。,归纳起来可分为三类，其相互关系与来源如图所示。,二、误差的来源与分类,操作人员,检测误差,检测方法,检测仪表,环境条件,测量误差,偶然误差,疏失误差,系统误差,误差检验,误差评定,舍弃,1系统误差由测量工具和仪表不准确或其量值不正确引起的，其变化有规律，如电源电压波动或频率不符，仪表零点未调控好，环境温度或湿度有变化，接触电阻改变等，主要影响仪表的准确度。这些误差可以通过定期校正仪表或采用不同测试方案加以避免或消除。,1,2疏失误差仪器或工具使用不正确，读数错误或测试方案错误，甚至使用人员技术水平差等原因均会造成疏失误差。这种误差是不能接受的，当然也是不允许的。,3偶然误差这是由种种难以预料的因素引起的，具有随机性，故也称为随机误差，主要影响仪表或工具的精密度和精度。可以通过大量反复进行测试来减小。在相当多的情况下，这种误差服从概率统计规律，所谓分析和处理误差都是指偶然误差而言。对于一组测量数据是否符合要求，首先要消除系统误差，然后按偶然误差进行统计分析，才能对它进行数据处理。,三、偶然误差的表示方法,1算术平均值,由于真实值是无法测到的，一般以算术平均值代之，只要测量次数足够多，各次测量值zi的算术平均值z0为,显然，当n时，随着测量次数n的增多误差减小很慢，一般情况下测量l020次就行了。各次测量值与算术平均值之差称为残余误差，简称残差或余差mi,残差有正有负，其代数和为零，即mi0。,算术平均值是真值的期望值，由于测量次数有限，必然存在误差，以残差表示的算术平均误差S为,也可简单表示为,2偶然误差的概率分布 偶然误差虽然具有随机性，从统计分析表明，误差出现的几率服从正态分布规律，即误差出现的次数y可用下式表示,式中：h测量的精度指数，,R 误差,偶然误差具有以下特性：(1)对称性 绝对值相等而符号相反的误差出现次数相等；(2)单峰性 绝对值小的误差比绝对值大的误差出现次数多；(3)有界性 在一定条件下，偶然误差的绝对值被限制在一定范围内；(4)抵偿性 随着测量次数的增多，偶然误差的算术平均值趋于零。,3标准误差每次测量值zi绝对值的均方根称为标准误差：,标准误差,由于真实值并不知道，通常用测量值zi与测量值的算术平均值z0之差，即以残差mi进行计算，按算术平均的标准误差z为,算术平均误差S与算术标准误差的关系为,如果标准误差的数值小，表明测量值中的小误差占优势，各次测量值与算术平均值的分散性小，测量的可靠性大，说明测量精度高。相反，如数值大，则测量精度低。,标准误差表示了测量的精度,系数K随测量次数增多而减小有如下关系：当n 30时，误差在1以内，标准误差可以不必修正。当n10时，误差值为3，因此一般认为测量次数不宜少于10次。,4测量次数少的偶然误差 测量次数较少，误差出现的概率就不一定是正态分布，标准误差可表示为,四、误差检验对于得到的一组测量值，进行误差分析，在于研究误差产生的原因，寻求消除或减少误差的途径，以提高测量的准确性；计算测量误差的大小及其变化规律，修正测量结果并对测量值的可信性作出判断。首先剔除疏失误差并舍弃可疑值，检验系统误差，然后进行分析计算并评定测量值。,1舍去可疑值凡是明显不符合规律、特大或特小的测量值被认为是疏失造成的均应舍去。按常用的方法即当3时应当舍去，也可根据残差mi值，当mi4S时也应当舍去。对可疑值的检验，还有其它一些方法和准则，这里从略。,2.检查系统误差消除系统误差，才能保证和提高测量精度。但发现和消除系统误差并不是简单的问题，这里介绍一些常用的简便方法。n个测量值，残差的正号与负号个数的差值|S|,如果|S|2n就可能存在系统误差。当残差的正负个数大体相当，差值也无显著变化就可以认为没有系统误差。,如果残差有规律的递增或递减，必然存在系统误差。如残差有规律地由正变负或由负变正，就存在周期性的系统误差。正负误差的平方和|K|3.4641n，存在系统误差。残差之和mi2n，可以认为没有系统误差。还有一些判明是否存在系统误差的方法和准则，这里从略。,消除系统误差并没有绝对有效的方法。对一个测量值进行两次以上的多次测量，在多次读数中出现的系统误差可能大小相同而方向相反，取测量的平均值，这是消除系统误差简单而比较有效的方法。将测量值选一中间点测量两次，取两次测量值的算术平均值，可望消除系统误差，在测量点附近，即使不是线性变化的参量也可以认为是线性的，采用此法也可能消除系统误差。,3误差评定按上述方法对一组测量值进行检验，消除可疑值，在没有系统误差的情况下，应进行误差评定。实际上就是计算测量值的算术平均值和标准误差，并按极限误差正确表示测量结果。假定取一组测量值zi列于表11中，采用上述方法进行误差评定，其步骤如下：,残差：mizi-z01(表中第三列)残差和 mi212.15995(表中第四列),按3检查可疑值 330.379471.13841,计算标准误差,计算算术平均值,残差 mi2ziz02(见表中第四列)残差和|mi2|3.5013,由表中第三列看出，残差mi1，均小于1.13841，故没有可疑值。但z830.56，看来太大，还值得怀疑，故再按4S法进行检验，即略去z8测量值后计算算术平均值,计算算术平均误差,按4S检查可疑值 4S40.2334=0.9337,可见 m814S，就是说z8并非可疑值。至此这组测量值就算检验完毕，测量结果可评为Z=Z01129.623750.37947 采用计算机计算相当简单，程序框图见图l9，程序见表l2。关于测量数据的处理与表示方法不是本书涉及的范围，需要时请参阅专著。,本 章 小 结温度的检测与控制，是材料实验和热工工艺过程中经常遇到的问题，温度参量检测与控制准确，是保证试验结果正确与热工质量的重要的一环，这是学习本课目的。仪表的精度是仪表本身决定的，加上测量方法与环境条件的影响，参量检测与控制的准确性，只能限制在仪表或系统所能达到的精度范围以内。,测量误差是不可避免的。在普遍采用的等精度测量中，算术平均值与标准误差是简单而有效的处理方法。只要结合实际选用仪表恰当，操作得法，就可避免疏失误差和消除系统误差，则测量数据可靠性高，误差可能最小。,复习思考题1.参量的检测与控制仪表是如何组成的，以框图形式表示并说明其相互关系和作用。2何谓仪表的静态特性，它有哪些指标?3标准误差表示什么意义。,第二章 温度传感器,2-1 温度与温标,一、温度及温度测量,温度是热工参数中最重要的量值。几乎没有不要求温度检测的生产过程，温度测量是否正确，直接影响产品质量。,温度：是表征物体冷热程度的一个状态参数。是物体分子平均动能的标志。为了研究物体的受热程度，人们根据冷热程度不同，物体间的热交换或某些物理性质密切相关的特殊现象，例如某些物体如酒精、水银或双金属片的热胀冷缩现象，某些金属与非金属导体受热后产生电动势，某些导体本身的电阻受到热或光照射而发生变化等。利用上述不同原理制成了各种感温元件如水银温度计、热电偶、热电阻、光学及辐射温度计等。,温度测量有两类仪表。一类是温度敏感元件直接与被测介质接触，根据热力学第一定律，当传感器与被测介质处于热平衡状态时传感器感受的温度，就是被测介质的温度。接触法测量温度的仪表较多，如水银温度计、热电阻、热电偶等。这类仪表的特点是结构比较简单，使用方便，准确度也较高，因而是应用最多最广的一种测温仪表。不足之处在于感温材料与被测介质接触，受到材料本身承受温度的限制或被介质污损，且当被测对象较小时，其温度分布会受到传感器的影响。,另一类是温度敏感元件不直接与被测介质接触，而是根据光和热辐射原理，将被测介质的辐照能量，通过适当方式聚集并投射在光敏或热敏元件上，热能转换为电信号输出以测定温度，如光学高温计及辐射温度计等。不接触测温法的特点是温度响应快，测温范围广，是测量高温应用最多的测量方法。此类仪表的结构复杂，使用方法也较讲究，准确度相对要低一些。测量温度的方法是多种多样的，归纳起来列于表21中，图中列举了不同温度测量仪表及其测温范围。,图21 温度检测仪表及控温范围,二、温标温标是表示温度高低的尺度，简称温标。是温度传递的标准，是温度传感器与温度仪表进行分度的依据。,1经验温标经验温标出现最早，它是在有了相当精确的水银温度计后建立的实际可行的温标。,(1)华氏温标 1706年华氏(Danie1 Fahrenheit)提出了以水和氯化铵融体为“32”，正常人的体温为“96”，后改为冰水融体为“32”，水的沸点为“212”，中间等分为180份，每份为1度，以 表示。,(2)兰氏温标 1730年兰氏(Ran kine)提出以水的冰点为“1000，水的沸点为“1080”，中间等分为80份，每份为1度，以 表示。,(3)摄氏温标 1742年摄氏(Anders Celsius)提出以水的冰点为“0”，水的沸点为“100”，等分100份，每份为l度，以表示。,这些温标对当时温度传递起了积极作用，目前欧美各国都还在使用，但都是按国际温标定义的，与早期的温标有所区别。三个经验温标值之间相互换算的关系如下：,2热力学温标热力学温标是根据热力学第二定律建立起来的。1824年卡诺对热机效率进行了卓有成效的研究，在等温与绝热过程中，卡诺热机的效率是两个实验温度的函数，与工质的物理性质无关。根据卡诺原理，热机自温度为t1的高温热源取得热量Q1，作功后的温度为t2，向低温热源放出热量Q2。开尔文(Kelvin)根据卡诺原理，提出了热力学温标。,由卡诺定理，膨胀气体作的净功W为 WQ1Q2,热转换为功的效率为,卡诺热机的效率0为,实际上Q2不会等于零，T2也不可能等于零，因此或0总是小于1的。但它却告诉我们，当Q20时，温度T2是可能的最低限度，即物质的热力学零度。为了与前述冰水融体的零度相区别，称之为绝对零度。,温度测量单位的大小是人为确定的，这要有规定的条件，并选好适当的参考点(可以在任何地方复现的参考点)，称之为定义温度的固定点，简称固定点。由于历史的原因，仍取冰水融点T2及水沸点T1为参考点，把它们之间的温度定义为n，即T1T2n,设卡诺热机在热源与冷源之间工作，不难得出,这就是开尔文温标的表达式。显然，这个温标只与热量有关，与工质的物理性质无关，是理想的热力学温标。要测量热量必然涉及温度计量，当时又尚无准确测温仪器，故开尔文温标无法直接实现。,3理想气体温标温度不变时，定容积(V)气体的体积，与所受到的压力(P)成正比。当容积保持不变时，气体因压力升高而被压缩，温度为t时的压强Pt为 PtP0(1t)P0在标准状态下的压强，P0101325Pa；气体压缩系数。显然，,上式表明，容积不变时，定量气体的压强Pt与热力学温度T成正比。这就是定容气体温度计所根据的原理。当压强不变时，气体因温度升高而膨胀，在温度为t时的容积Vt为VtV0(1十t)式中 V0标准状态下的容积；气体膨胀系数。,上式表明，压强不变时，定量气体的容积与热力学温度T成正比。这就是定压气体温度计原理。由于气体在压强不高的情况下，与十分相近，即0.003661-1=1273.15-1,同理，,令T1-T2=n，则有：T2=T1-n，T1n+T2,通常采用接近理想气体的氢、氦等作为气体温度计的工作介质，由理想气体状态方程可知：,代入上式，得,因此，任意温度的表达式为,既,同理,上式就是气体温度计定义的理想气体温标，与热力学温标十分接近。直到气体温度计研究成功，热力学温标才得以实现。由于气体温度计构造十分复杂，使用条件要求严格，只能用作基准器复现热力学温标。而国际温标只能采用便于复制的标准器，这就是后来出现的实用国际温标(IPTS)。,4国际温标实现国际温标需要三个条件：即要有定义温度的固定点，一般是利用水、纯金属及液态气体的状态变化；要有复现温度的标准器，通常用的是标准铂电阻、标准铂铑热电偶及标准光学高温计；要有定义点之间计算温度的内插方程式。,1927年采用第一个国际温标(ITS27)，经过1933年，1948年及1960年三次国际度量衡大会修改后，改为1948年国际实用温标(IPTS48)。解放后我国采用的就是IPTS48。1968年国际度量衡大会，对IPTS48作了重大的修改和补充，改名为IPTS68。我国从1973年元月开始正式采用，凡是涉及到温度量值的一律以IPTS68为准。国际温标的变化如表2l。,IPTS68规定以Kelvin表示热力学温度，用“K”表示，简称“开”。以摄氏度(Degree Celsius)代替沿用的百分度(Centirade)，仍以“”表示。应该注意，绝对温度以“K”表示。不再用“0K”表示了。绝对温度也通用热力学温度表示，它与摄氏度之间的关系为,式中 T。热力学零度，T。273.15K,IPTS68为适应科学技术的发展，在低温增加了五个第一类定义温度的固定点，大大扩展了低温量限。加上气体温度计测量技术的提高，及高纯金属的提炼成功，IPTS68定义的温度与热力学温度相当一致。,1975年公布了IPTS68修订本，作了一些改进，它与IPTS68并行使用。高一级温标逐级向下传递的，我国的温标传递系统是国家及省市计量局。在一些科研机构、大型工厂及高等院校具有二级标准。传递过程如表22所示。,三、温度测量系统组成温度测量系统是由温度传感器及显示记录仪表构成的，通称为温度计。它的种类繁多，大体上可以划分为测量低于600的温度计，测量高于600的高温计两大类。,温度计(包括液柱式温度计、双金属片温度计)，普通金属热电偶，热电阻，热敏电阻以及红外温度计。高温计包括贵重金属及难熔金属热电偶，高温铂电阻，光学及辐射高温计等。无论哪一种温度计，其测温系统的组成都是相似的，主要应考虑四个问题：,(1)温度范围 这是选择传感器的主要依据。如图2-1中列出的各种温度计与高温计的量值范围，原则上在此范围内的任何一种温度计都可选用。(2)使用场合 温度传感器应用在什么场合，是重要的条件，如箱式电炉是氧化气氛，可控气氛炉是还原性气氛，盐浴炉的腐蚀性强，高频炉的干扰严重，这就要根据实际需要决定。可供选择的可能条件是传感器尺寸(如直径及长度)、传感器及其保护材料以及传感器结构等。,(3)温度响应 这主要是传感器的质量(M)、介质与体积决定的。接触式传感器的时间常数愈小，温度响应愈快。不接触式温度传感器一般都具有足够灵敏度，响应无问题。(4)传输方式 所谓传输方式是指温度传感器将温度信号传送到温度显示仪(或显示记录仪)的组成方式，如有的温度测量要求不高，需要就地显示，即可采用普通液柱式温度计或气压式温度计；有的需要传送较远，则应采用热电偶等电传温度计。,由此可见，最简单的温度测量系统是由温度传感器及温度显示仪表组成的，如图22a。较完善的系统是由传感器与温度显示记录仪表组成，或者还将温度信号经变送器转换为统一电信号，如图22b所示。,温度被测对象,温度显示记录仪,温度变送器,温度传感器,温度被测对象,温度显示仪表,温度传感器,k,k,mA,k,22 热电偶,一、热电效应1821年德国物理学家塞贝克(TJ.Secbeck)在研究两种不同金属导体构成的回路中的电磁效应时，发现了热电动势。经法国物理学家珀尔贴(Peltier)及英国物理学家汤姆逊(Thomson)的继续研究，证明了塞贝克热电动势是由珀尔贴电动势和汤姆逊电动势两种热电动势构成的。研究证明，不同材料具有不同的热电序，它们在不同温度下的序列有所不同。常用作热电材料的热电序如表23所示。,1珀尔贴电动势不同材料中自由电子密度是互不相同的。当两种导体截面相接触时，在接触面上必然发生电子扩散，失去电子的一方呈正电位，获得电子的一方呈负电位。自由电子扩散到一定程度时达到动平衔，在温度为T的一端形成一定的接触电动势EAB(T)，见图2-3。,EAB(T0),EAB(T),+,T0,T,EA(T，T0),EB(T，T0),A,B,式中 k玻耳兹曼常数；e电子电荷量；NA、NB材料A和B的自由电子密度同样，在温度为T0的一端也有接触电动势EAB(T0)，,在回路中的接触电势EAB（T，T0）为,2汤姆逊电动势温差形成的电动势，两导体A、B的汤姆逊电动势分别为,则,汤姆逊系数,综合上述两种热电效应所构成的温差电动势，就是不同导体构成回路时因两个接点的温度不同(TT0)所产生的热电动势，即,热电动势决定于构成回路的材料类别与闭合回路中两个接点的温度及温度差。当材料一定时，热电势只是两个接点温度函数的差值，所以上式可简单表示为,当温度t00时，或t0C时,或,通常将保持在0或某一常数值的T0端称为冷端或自由端，用以感测温度的T端称为热端或工作端。从上述分析可见，热电偶所产生的热电动势决定于温度T、T0及它们之间的温度差；热电动势的大小与热电偶材料的断面大小无关；其次，保持冷端为0或某一常数值，是使用热电偶的前提条件，必须充分注意。,温标 温标是表示温度高低的尺度，简称温标。是温度传递的标准，是温度传感器与温度仪表进行分度的依据。经验温标,温度 是表征物体冷热程度的一个状态参数。是物体分子平均动能的标志。,国际温标 三个条件：定义温度的固定点；复现温度的标准器；内插方程式。,热力学温标热力学温标是根据热力学第二定律建立起来的。,热电效应,珀尔贴电动势,汤姆逊电动势,由于NA、NB和A、B都是与材料相关的常数，因而热电势可用函数表示：,当温度t00时，或t0C时,或,从而可见：闭合回路两结点间的热电势的大小只与两结点的温差有关,二、热电回路的基本定则由热电效应的分析，可得以下几个基本定则。,1均质材料定则 单一材料导体做成的热电回路，由于NANB，所以尽管两接点温度不同（TT0），回路中的总电动势恒等于零。由此可见，热电回路必须用两种不同材料做成，NANB，才能反映出温度的变化。但须注意，如果导体材料不均质或局部不均质，沿导体有不对称的温度梯度时，必然产生附加的热电动势，使热电偶测温产生误差。,2中间导体定则 任何不同材料作成的热电回路，只要它的接点温度一致，热电动势总和等于零。由此可以推论，当热电回路中接入第三种导体时，只要它们的接点温度一致，热电动势总和仍为零。就是说，热电回路并不因接入第三种导体而影响它的总电动势。,如图24中热电偶两种导体A与B，两端接入第三导体C，假定TT0，则回路的总热电动势为,设热端温度T大于T0，回路的总热电势为,由前页式得,将上式代入，可得,上式表明，接入第三导体后，并不影响热电回路的总热电动势，条件是第三导体接入热电回路的两个接点温度T0相等。这样就可以用合适的导线自热电偶冷端引出，并接到温度显示记录或控制仪表上。,另一推论是，任何两种导体A、B与第三种导体C构成热电偶的电动势分别为EAB，EBC，如图25，则用A、B两种导体构成的热电回路EAB为,从热电回路各接点的电动势和可知，,式（a）、（b）相减得,此即,这里的第三导体，是采用铂丝作参考电极，其它热电极与它配对，分别在热端t100，冷端t0时测定其电动势，如表24所示，则任何两种热电极配对后的热电动势就是它分别与铂配对的热电动势之和。铂丝参考电极称为标准电极，因此这一推论有的也称为标准电极定则。,3中间温度定则任何两种不同的均质导体A、B构成的热电偶，当两接点温度为T1与T2时，产生的热电动势为E1；当两接点温度为T2与T3时，产生的热电动势为E2。则当两接点温度为T1与T3时，热电回路的总电动势 EE1+E2，如图2-6所示。,由此可以推论，在某一冷端温度(通常是在0)检定的热电偶，经适当修正，可以在不同冷端温度的场合下使用。于是，这就给热电偶的使用带来了方便，条件是按实际冷端温度进行适当修正。,另一推论是，可以采用与热电偶热电特性相同的导线接入热电回路，将热电偶的冷端由温度为T2(见图26)的地方延伸到另一不同温度T3的地方。这就是延伸热电偶冷端的原理，给热电偶的使用带来极大的方便。,三、热电极与热电偶,1热电极材料热电极主要是用金属材料制成，也有用非金属材料及半导体材料作成的，但应用也还不多。对热电极材料的要求是：化学稳定性高，物理性能稳定，不受环境气氛的影响。热电势大及灵敏度高，且线性度较好。材料复制性能优良，价格便宜。电阻温度系数低，机械性能好，便于拉丝与焊接等。,显然，要同时满足这些要求的材料是没有的，但可以根据实际需要，如温度高低、被测介质气氛等实际情况出发，总能找到一些合适的材料。常用热电极材料及其特性列于表24中。,2常用热电偶 取不同的热电极，只要它们的热电序或热电动势相差较大，就可以组成合适的热电偶。我国常用的热电偶有以下几种：(1)铜康铜（CuNi）热电偶(T型)这是在氧化、还原与惰性气氛中都适用的热电偶。由于热电极材料均匀、性能稳定，在潮湿气氛及摄氏度零度以下温度范围内使用，也不会出现明显的腐蚀现象。由于铜在500时就会很快被氧化，故限制在400温度以下使用。这种热电偶灵敏度高，热电动势稳定，故测温精度较高，不但可制作普通热电偶，也可用作标准热电偶。,(2)镍铬康铜（CuNi）热电偶(E型)这是适于在氧化与还原气氛中使用的热电偶，特点是热电动势较大，性能也较稳定。试验表明，在核辐射照射下，热电特性也基本稳定，可用于核反应堆。由于在还原气氛或含碳与含硫气氛中，材料容易变脆，故有人认为这种热电偶不宜在这些气氛中使用。长期使用温度在800以下，短期使用可达1100。测温不确定温度小于400，使用时为4，大于400时，为所测电动势的1。,(3)镍铬-镍铝(硅)热电偶(K型)含铬1820的镍合金具有良好的抗氧化性能，在还原气氛中的稳定性也大大改善。此种热电偶抗氧化能力强，热电动势稳定性好，材料也不易变脆。在镍铝合金中加少量的硅，也会大大改善抗氧化能力，在还原与氧化气氛中输出热电动势均较稳定。因此，这是一种最通用的热电偶，适于1300以下的温度，测温不确定度小于400时为4，大于400时为所测电动势的1。,(4)铂铑10-铂热电偶(S型)铂（Pt）和铑（Rh）都是难以被氧化的高温金属，抗氧化能力强，热电特性稳定。由于Pt在1400长期使用时会产生晶粒长大现象，不但抗拉强度下降，且在晶粒边界上易受污染而使热电特性变化。在还原气氛中会很快引起A12O3，MgO及SiO2还原成金属而向Pt或Pt-Rh合金中扩散，不但使材料的熔点下降，且使铂或铂合金变脆，热电动势产生漂移；在含碳与含硫气氛中，也会受到污染。使用这种热电偶时要注意热电极所用绝缘材料的氧化处理，在热炉中使用也要慎重。适于1350以下温度测量，短期使用可达1600。测温不确定度小于600时为3，大于600时为所测温度的510-5。,(5)双铂铑热电偶(B型)Pt的熔点为1772，加入Rh后，不但提高材料的熔点，热电动势的稳定性也相应提高。试验表明，加入Rh3，温度可提高到1800，加入Rh10可提高到1900，加入Rh40可提高到1950。由于Rh的加入量增加，材料的机械强度改善，使用温度也相应提高。双铂铑热电偶有好几种，我国采用的是PtRh30-PtRh6，其热电特性曲线在800以下很平缓，故当冷端温度不高于50时可以不考虑冷端温度变化的影响。这种热电偶可长期用于1750，短期使用可达1800。,(6)钨铼热电偶(W-Re)W和Re都是难熔金属，其熔点均在3000以上，是高温测量用的热电偶。由于W容易氧化，加入Re可以提高材料的抗氧化能力。钨铼合金有多种，热电偶的种类也较多，我国采用的是WRe5-WRe20，适于2500温度测量，短期使用可达2800。限于保护管材料，目前还只能用于2000。由于它的抗氧化能力差，适于在氩、氮、氦气氛中；真空、干燥氢气或其它有碳存在的还原性气氛中使用。在氧化性气氛中使用时，必须加气密件良好的外保护管。,(7)其它热电偶 除上述常用的热电偶外，还有钨-钼热电偶，铱铑（IrRh）50-铱热电偶，都可用作高温测量，可使用于2000，由于热电动势较低，故应用不广。非金属热电偶如石墨-石墨(晶型不同)，炭化硅-石墨，硼-石墨，氧化铬-碳化铌热电偶等均各有其特点和适用范围，但并未标准化。其中值得注意的是非金属热电偶，它们具有较好的抗腐蚀性能，热电动势高，熔点也高，在解决高温盐浴炉测温，钢水、铁水以及炉渣的温度测量中可能比较适合，但研究得还不够。几种非金属热电偶的热电特性示于图2-7中。,普通热电偶只适于一般的常规场合下使用，视不同情况可选择不同等级的热电偶。国产热电偶的测温范围，使用温度与允许误差列于表2-5中，使用时选择。,1均质材料定则 单一材料导体做成的热电回路，由于NANB，所以尽管两接点温度不同（TT0），回路中的总电动势恒等于零。,2中间导体定则 任何不同材料作成的热电回路，只要它的接点温度一致，热电动势总和等于零。由此可以推论，当热电回路中接入第三种导体时，只要它们的接点温度一致，热电动势总和仍为零。,3中间温度定则任何两种不同的均质导体A、B构成的热电偶，当两接点温度为T1与T2时，产生的热电动势为E1；当两接点温度为T2与T3时，产生的热电动势为E2。,3.热电偶的一般结构取两种不同类的热电极，将它的一端焊接或扭结妥善，分别套上单芯或双心的绝缘体，装在外保护管内，并配一个接线端子盒即成为一支普通的热电偶，如图2-8。热电极材料是根据所测温度的高低决定的，这在前面已经介绍了。热电极的粗细视实际需要而定，贵金属热电极一般用0.30.6mm；普通金属热电极，工业生产用的为1.53.5mm，实验室用的为0.5mm。,热电极的长度取决于安装部位的深度，并和热交换特点有关，一般长度在2503000 mm之间。热电极粗而长，做成的热电偶自然要笨重些，时间常数也较大；相反，则时间常数小，反映也灵敏。,热电极的焊接可以用电弧焊，氧焊或接触焊。热电极粗的宜用氧焊，焊接应将热电极整理清洁平整，视需要不同采取平头对焊或扭结起来焊接，如图29a、b、c所示。直径粗的热电极，扭结困难，也可用碰头氧焊，如图29d。使用的焊条应与任一热电极的材料相同。焊好的热电极整洁光亮，没有气孔或气泡。,绝缘体常用的是瓷珠或瓷管，以套上热电极为宜，如33.5mm的热电极，应用芯孔直径44.5mm的瓷珠或瓷管，其外径为1214mm，长2530mm，采用40.5mm的热电极，宜用芯孔直径0.8mm，壁厚0.2mm，长515mm的单芯或双芯瓷珠；如采用瓷管绝缘，其长度应为5001000mm，视热电偶长度选定。要求绝缘瓷珠或瓷管清洁，不允许粘附有油污或沉积其它赃物。必要时，使用前应在氧化焰或通氧管式炉中将污染物彻底烧去。,热电偶的外保护管常用炭钢、不锈钢、铬钢及陶瓷材料制作。为了防止漏气，外壁应镀镍或镀铬，可在600下使用。采用不锈钢管，可用于9001000；采用高氧化铝或氧化锆管，可用于13001500；采用金属陶瓷管可用于1600。在实验室条件下，为了获得温度的快速响应，可以不用外保护管，直接使用裸露的热电偶。,国产常规热电偶的型号与规格如表26。热电偶的规格较多，视所测温度范围与使用条件选用不同直径与长度的热电偶即可。,外保护管的底端封闭，是热电偶的工作端；另一端开口接一个端子盒，由于实际状况不同，上述热电偶的常规结构不能满足需要，如表面温度测量、高速高温气流温度测量，熔触金属温度测量等，热电偶的结构就完全不一样，有的还需要专门设计。,四、热电偶的静态特性与分度表当热电偶的冷端温度保持为0时，热电偶随温度t升高而产生的热电动势E，如图2-10所示。热电偶输出信号与输入信号的关系称为热电偶静态特性，通常是用静态校正方法得到的。,热电偶的静态特性可用数值方程的多项式表示,一般E的单位为mV，t的单位为。视温度范围不同，在三个或更多个定点温度下分别测定热电动势，即可求出常数a1、a2、a3、。对于不同的热电偶自然有不同的方程，采用计算机计算出不同热电偶的热电动势与温度的对应关系表，称为热电偶的分度表。,铜-康铜(T型)热电偶，当冷端温度为00.2时，在0400范围内用下式计算,不同热电偶的分度表分别列于附录一中，只要测定了热电动势，即可由分度表查得相应的温度值。配用热电偶的各种显示仪表上的标尺都是按相应的分度表划分的，故使用时应采用与热电偶分度号相同的显示仪表。,五、特殊形式的热电偶,1表面温度热电偶,表面温度测量有两个值得注意的问题，一是表面与周围的换热面积大，热平衡难以建立，测量值并不代表真实温度；二是热电偶与表面的换能面积小，沿热电偶带走的热量大，测不到真实温度。通常指示温度与真实温度存在以下关系,式中：T表面-T探头表示表面实际温度与探头测量温度之差；T表面-T环境表示表面实际温度与自然环境温度之差。校正因素z只能通过实验确定。试验与计算表明，探头愈小愈好。为了减小热损失，适当增大热电偶热端与被测表面的接触面积是比较有效的。一般认为，热电极与表面接触长度不少于热电极直径的20倍，才能避免温度梯度产生热损失所造成的测温误差。表面温度热电偶的形式较多，目的都在于力求减小测温误差。,2薄膜热电偶,两个热电极分开,以集热片为热端,集热片借弹簧张力将它压在被测表面,采用带状热电极,这是近些年发展起