热电偶温度测量技术解析与应用

把两种不同的导体或半导体连接成闭合回路将他们的两个接点分别置于温度$T$和T0T_0T0​则在该回路中就会产生热电势&＃xff0c;可用EAB&＃61;(T,T0)E_{AB} &＃61;(T, T_0)EAB​&＃61;(T,T0​)表示&＃xff0c;这种现象称为热电效应&＃xff0c;这种组合称为热电偶&＃xff0c;这两个A,B极称为热电极&＃xff0c;温度高的接电称为热端&＃xff08;工作端&＃xff09;&＃xff0c;温度低的接点称为冷端。回路中的热电势由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势所组成。即&＃xff1a;EAB(T,T0)&＃61;eAB(T)−eAB(T0)−∫T0T(σA−σB)dTE_{AB}(T,T_0) &＃61; e_{AB}(T) - e_{AB}(T_0) - \int_{T0}^{T}(\sigma_A - \sigma_B)dTEAB​(T,T0​)&＃61;eAB​(T)−eAB​(T0​)−∫T0T​(σA​−σB​)dT
当自由端温度确定的时候&＃xff0c;热电势就变成测量端温度的单值函数&＃xff0c;即&＃xff1a;EAB(T,T0)&＃61;f(T)E_{AB}(T,T_0) &＃61; f(T)EAB​(T,T0​)&＃61;f(T)

均质导体定律

由一种均质导体或者半导体组成的闭合回路&＃xff0c;不论导体的截面和长度以及各处的温度如何&＃xff0c;都不能产生热电势。

中间导体定律

在热电偶回路中接入第三种导体&＃xff0c;只要该导体两端温度相等就不会影响回路总的热电势。在实际测温中必须有连接导线和显示仪器&＃xff0c;若把连接导线和显示仪器看成第三种导体&＃xff0c;只要他们两端温度相同&＃xff0c;则不影响总的电动势。

参考电极定律

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&＃xff0c;如果他们所产生的热电动势为已知&＃xff0c; A 和 B 两极配对后的热电动势可用下式求得 &＃xff1a;EAB(T,T0)&＃61;EAC(T,T0)&＃43;ECB(T,T0)E_{AB}(T,T_0) &＃61; E_{AC}(T,T_0) &＃43; E_{CB}(T,T_0)EAB​(T,T0​)&＃61;EAC​(T,T0​)&＃43;ECB​(T,T0​)
由此可见&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff0c;熔点高&＃xff0c;易提纯&＃xff0c;所以人们多采用高纯铂作为参考电极。

连接导体定律与中间温度定律

在热电偶回路中&＃xff0c;若导体A&＃xff0c;B分别与导线A’&＃xff0c;B’相接&＃xff0c;接点温度分别为$T$&＃xff0c;TnT_nTn​&＃xff0c;T0T_0T0​则回路总电势为EABB′A′(T,Tn,T0)&＃61;EAB(T,Tn)&＃43;EA′B′(Tn,T0)E_{ABB&＃x27;A&＃x27;}(T,T_n,T_0) &＃61; E_{AB}(T,T_n) &＃43; E_{A&＃x27;B&＃x27;}(T_n,T_0)EABB′A′​(T,Tn​,T0​)&＃61;EAB​(T,Tn​)&＃43;EA′B′​(Tn​,T0​)
连接导体定律是工业上运用补偿导线进行温度测量的理论基础
当A与A’&＃xff0c;B与B’的材料相同时&＃xff0c;上式就变成&＃xff1a;EABB′A′(T,Tn,T0)&＃61;EAB(T,Tn)&＃43;EAB(Tn,T0)E_{ABB&＃x27;A&＃x27;}(T,T_n,T_0) &＃61; E_{AB}(T,T_n) &＃43; E_{AB}(T_n,T_0)EABB′A′​(T,Tn​,T0​)&＃61;EAB​(T,Tn​)&＃43;EAB​(Tn​,T0​)
这就是中间温度定律。

几种常用热电偶

1、铂铑10 – 铂热电偶 &＃xff08;S&＃xff09;
2、 镍铬 – 镍硅 ( 镍铝 ) 热电偶&＃xff08;K&＃xff09;
3、镍铬 – 康铜热电偶&＃xff08;E&＃xff09;
4、铜 --康铜热电偶 &＃xff08;T&＃xff09;
5、铂铑30–铂铑6热电偶&＃xff08;B&＃xff09;
注&＃xff1a;括号里是分度号&＃xff0c;用于查阅相关手册

热电偶冷端补偿

1、冰点法
这是一种精度最高的方法&＃xff0c;其实施办法是将纯净的碎冰和纯水的混合物放在保温瓶中&＃xff0c;再把玻璃试管插入冰水混合物中&＃xff0c;在试管底部注入适量油类或水银&＃xff0c;热电偶的自由端就插到试管底部。
2、热电势修正法
在无法实现冰点法时&＃xff0c;可以设法把自由端放在已知的恒温条件下&＃xff0c;得到稳定的T0T_0T0​&＃xff0c;根据中间温度定律得EAB(T,0)&＃61;EAB(T,T0)&＃43;EAB(T0,0)E_{AB}(T,0) &＃61; E_{AB}(T,T_0) &＃43; E_{AB}(T_0,0)EAB​(T,0)&＃61;EAB​(T,T0​)&＃43;EAB​(T0​,0)
通过查分度表就可以得到真实的热电势&＃xff0c;然后就可以得到真实的温度
3、冷端补偿器法
4、补偿导线法
生产过程用的热电偶一般直径和长度固定&＃xff0c;而生产现场又需要把热电偶的自由端移到离被测介质较远且温度比较稳定的场合&＃xff0c;以免自由端温度受到被测介质的热干扰。于是采用补偿导线代替部分热电偶丝作为热电偶的延长。补偿导线的热特性在0~100∘^{\circ}∘C应该与所取代的热电偶丝热特性基本一致。根据连接导体定律&＃xff0c;这时回路总电势为&＃xff1a;E&＃61;EAB(T,Tn)&＃43;EA′B′(Tn,T0)E&＃61; E_{AB}(T,T_n) &＃43; E_{A&＃x27;B&＃x27;}(T_n,T_0)E&＃61;EAB​(T,Tn​)&＃43;EA′B′​(Tn​,T0​)
可进一步简化为&＃xff1a;E&＃61;EAB(T,T0′)E &＃61; E_{AB}(T,T_0&＃x27;)E&＃61;EAB​(T,T0′​)