6.1实验目的

    热电偶温度计是当前工程技术中应用最广泛的两种温度计。传热学实验首先要掌握这种温度计的原理、性能、使用技术与制作方法。 6.2温差热电偶   温差热电偶(简称热电偶)是目前温度测量中应用最广泛的温度传感元件之一，是以热电效应为基础的测温仪表。它用热电偶作为传感器，把被测的温度信号转换成电势信号，经连接导线再配以测量毫伏级电压信号的显示仪表来实现温度的测量。 热电偶测温的优点是结构简单、制作方便、价格低廉、测温范围宽、热惯性小、准确度较高、输出的温差电信号便于远距离传送、实现集中控制和自动测试。流体、固体及其表面温度均可用它来测量，所以在工业生产和科学研究、空调与燃气工程中应用广泛。6.2.1热电偶测温的基本原理

    （一）热电偶的热电效应

热电偶作为温度传感器所依据的原理，是1823年塞贝克发现的热电效应。当两种不同的导体或半导体A和B的两端相接成闭合回路，就组成热电偶，如图6.1所示。如果A和B的两个接点温度不同（假定 ），则在该回路中就会产生电流，这表

明了该回路中存在电动势，这个物理现象称为热电效应或塞贝克效应，相应的电动势称为塞贝克电势。显然，回路中产生的热电势大小仅与组成回路的两种导体或半导体A、B的材料性质及两个接点的温度 有关，热电势用符号 表示。     （二）热电偶工作原理     组成热电偶的两种不同的导体或半导体称为热电极；放置在被测温度为 的介质中的接点叫做测量端（或工作端、热端）；另一个接点通常置于某个恒定的温度 （如0℃），叫做参比端（或自由端、冷端）。     在热电偶回路中，产生的热电势由两部分组成，即温差电势和接触电势。     1.温差电势     温差电势是同一导体两端因其温度不同而产生的一种热电势。由物理学电子论的观点可知，当一根均质金属导体A上存在温度梯度时，处于高温端的电子能量比低温端的电子能量大，所以，从高温端向低温端扩散 的电子数比从低温端向高温端扩散的电子数多得多，结果高温端因失去电子而带正电，低温端因得到电子而带负电，在高、低温两端之间便形成一个从高温端指向低温端的静电场 ，如图6.2所示。这个静电场将阻止电子进一步从高温端向低温端扩散，并加速电子向相反的方向转移而建立相对的动态平衡。此时，在导体两端产生的电位差称为温差电势，用符号 表示导体A在其两端温度分别为 和 时的温差电势，括号中温度 和 的顺序决定了电势的方向，若改变这一顺序，也要相应改变电势的正负号，即 。     温差电势 可用下式表示：                                      （6-1）     同理，导体B在其两端温度为 和 时产生的温差电势 写为：                                       （6-2） 式中： 和-----导体A和B在两端温度分别为 和 时的温差电势；       e-----电子电荷量，e=1.602×10-19 C；       -----波尔兹曼常数， ，J/K；       和 -----导体A和B的电子密度，均为温度的函数。     上述两式表明温差电势的大小只与导体的种类及导体两端温度 和 有关。     2.接触电势

 

    接触电势是在两种不同的导体相接触处产生的一种热电势。由物理学电子论的观 点知道，任何金属内部由于电子与晶格内正电荷间的相互作用，使得电子在通常温度下只作不规则的热运动，而不会从金属中挣脱出来。要想从金属中取出电子就必须消耗一定的功，这个功称为金属的逸出功。当两种不同的金属导体A、B连接在一起时，其接触处将会发生自由电子扩散的现象，其原因之一是两种金属的逸出功不同。假如金属导体A的逸出功比B的小，电子就比较容易从金属A转移到金属B；另一原因是两种金属导体的自由电子密度略有不同，假如金属导体A的自由电子密度比B的自由电子密度大，在单位时间内由金属A扩散到金属B的电子数就要比由金属B扩散到金属A的电子数多。在上述情况下，金属A将因失去电子而带正电，金属B则因得到电子而带负电。于是在金属导体A、B之间就产生了电位差，即在其接触处形成一个由A到B的静电场 ，如图6.3所示。这个静电场将阻止电子扩散的继续进行，并加速电子向相反的方向转移。当电子扩散的能力与静电场的阻力相平衡时，接触处的自由电子扩散就达到了动平衡状态。此时A、B之间所形成的电位差称为接触电势，其数值不仅取决于两种不同金属导体的性质，还和接触处的温度有关。用符号 表示金属导体A和B的接触点在温度为 时的接触电势，其脚注AB的顺序代表电位差的方向，如果改变脚注顺序，电势的正负符号也应改变，即 。     接触电势 可用下式表示：                                                  （6-3）     同理，导体A和B的接触点温度为 时的接触电势 可表示为：                                              （6-4） 式中： 和 -----金属导体A和B接触点的温度，K；       和 -----金属导体A和B在温度为 时的电子密度；       和 -----金属导体A和B在温度为 时的电子密度。 上述两式表明，接触电势的大小与两种导体的种类及接触处的温度有关。     3.热电偶回路的热电势

 

    综上所述，当两种不同的均质导体A和B首尾相接组成闭合回路时，如果 ，而且 ，则在这个回路内，将会产生两个接触电势 、 和两个温差电势 、 ，如图6.4所示。热电偶回路的热电势 为：

 

        

 

                 

 

                                （6-5）

 

    将式（6-5）整理后可得：                                            （6-6）     由于温差电势比接触电势小，而又有 ，所以在总电势 中，以导体A、B在 端的接触电势 所占的比例最大，总电势 的方向将取决于 的方向。在热电偶的回路中，因 ，所以导体A为正极，B为负极。     式（6-6）表明，热电势的大小取决于热电偶两个热电极材料的性质和两端接点的温度。因此，当热电极的材料一定时，热电偶的总电势 就仅是两个接点温度 和 的函数差，可用下式表示为：    （6-7）     如果能保持热电偶的冷端温度 恒定，对一定的热电偶材料，则 亦为常数，可用C代替，其热电势就只与热电偶测量端的温度 成单值函数关系，即                                           （6-8）     这一关系式可通过实验方法获得。在实际测温中，就是保持热电偶冷端温度 为恒定的已知温度，再用显示仪表测出热电势 ，而间接地求得热电偶测量端的温度，即为被测的温度 。 通常，热电偶的热电势与温度的关系，都是规定热电偶冷端温度为0℃时，按热电偶的不同种类，分别列成表格形式，这些表格就称为热电偶的分度表。

 

6.2.2热电偶的基本定律

 

 

    在使用热电偶测量温度时，还必须应用热电偶的基本定律。 （1）均质导体定律

 

    如果只用一种均质导体组成闭合回路，则不论其导体是否存在温差，回路中均不会产生电流（即不产生电动势）；反之，如果回路中出现电流，则恰好证明此导体是非均质的。本定律是校验热电偶的材料是否均匀一致的重要依据。

 

    由均质导体定律可得出推论：a）组成热电偶的材料必须是均质导体，否则将会给测量带来附加的误差。因此很有必要根据均质导体定律事先对热电偶进行检测，输出的温差电动势越大，则说明导体材料越不均匀，给测量带来的误差也将越大。b）热电偶必须由两种不同性质的导体或半导体A，B组成，否则即使两结点的温度不同，在回路中也不会产生温差电动势。

 

（2）中间导体定律

 

在热电偶回路中接入第三、第四种均质材料的导体后，只要中间接入的导体两端具有相同的温度，就不会影响热电偶的热电势。

 

用中间导体C接入热电偶AB回路的形式如图6.5所示。

 

 

 

    假定热电偶的 ， ，根据接触电势和温差电势的概念，那么各个电势的方向如图6.5（a）中所示。则热电势回路的总热电势为：

 

                                                    （6-9）

 

    由于导体C两端温度相同，则无温差电势存在，即 ，而CA与CB的接触电势以式（6-4）代入，得

 

       

 

                        

 

    将上式代入式（6-9），可得

 

           （6-10）

 

    式（6-10）与式（6-5）完全相同，可见，当中间导体两端温度相同时，对热电偶回路的热电势没有影响。

 

    这条基本定律十分重要，有了这条基本定律，我们就可以在热电偶回路中引入各种显示仪表和连接导线等，而且也可以采用各种焊接方法来焊制热电偶，只要保证引入的中间导体两端的温度相同，就不致影响热电偶回路的热电势。

 

（3）中间温度定律     热电偶AB在接点温度为 时的热电势 等于热电偶AB在接点温度为 和 时热电势 和 的代数和。如图6.6所示，即          = +                        （6-11）

 

 

 

 

中间温度定律为制定热电偶的分度表奠定了理论基础。根据这一定律，只要列出冷端温度为0℃时的热电势，均可按式（6-11）计算求得，这样，就可以对热电偶冷端温度进行修正，而且，这条基本定律也是工业测温中应用补偿导线的理论依据，因为只要匹配与热电偶的热电性质相同的补偿导线，便可使热电偶的冷端远离热源，而不影响热电偶的测量精度。

 

 

6.2.3热电偶材料的选择与分类

 

    理论上任意两种不同性质的导体均可组成热电偶，但实际上并非如此。它必须具有：     (1)物理和化学性质稳定，温差电特性显著，复现性好，同种材料的电偶之间具有良好的互换性，且不为测温介质所腐蚀，高温下不被氧化。

 

    (2)电阻温度系数小，导电率高，组成电偶对输出的温差电动势大，且与温度呈线性或简单的函数关系，以便于提高仪表的灵敏度和准确度，并便于仪表的刻度和测量。

 

    (3)材质均匀，塑性好，易拉丝，成批生产。     热电偶的分类有几种不同的方法。

 

    (1)按照电动势与温度的关系可分为标准化(常用)热电偶和非标准化热电偶。

 

    (2)按热电偶的材质可分为金属热电偶、半导体热电偶和非金属热电偶三类。     (3)按适用的测温范围可分为高温热电偶和低温热电偶两类。     1．标准化(常用)热电偶

 

    定型生产、有统一分度表的通用热电偶称作标准化热电偶。我国目前广泛采用并批量生产的标准化常用热电偶主要有下列两种：     （1）铂铑30-铂铑6热电偶

 

    这是一种贵重金属高温热电偶，以铂铑30为正极，铂铑6为负极，其分度号为B。由于两个热电极都是铂铑合金，因而提高了抗污染能力和机械强度，在高温下其热电特性较为稳定，宜在氧化性和中性气氛中使用，在真空中可短期使用。长期使用的最高温度可达1600℃，短期使用温度可达1800℃。这种热电偶的热电势及热电势率都很小，因此，冷端温度在40℃以下使用时，一般不必进行冷端温度的补偿。

 

铂铑30-铂铑6热电偶分度表见表6.1。

 

表6.1  铂铑30-铂铑6热电偶分度表

 

分度号：B                                                  （冷端温度为0℃）

 

（2）铂铑10-铂热电偶

 

    在铂铑10-铂热电偶中，以铂铑10丝为正极，纯铂丝为负极，分度号为S。它的测量范围为-20～1300℃，在良好的使用环境下可短期测量1600℃；适于在氧化性或中性介质中使用，耐高温，不宜氧化；有较好的化学稳定性；有较高的测量精度，可用于精密温度测量和作基准热电偶。

 

铂铑10-铂热电偶分度表见表6.2。

 

(3)镍铬-镍铝或镍铬-镍硅热电偶( 型)

 

    这是一种能测量较高温度的廉价金属热电偶，以镍铬合金为正极，镍铝(或镍硅)合金为负极，其分度号为K，它具有较好的抗氧化性和抗腐蚀性；其复现性较好；热电势大；热电势与温度关系近似于线性关系；其成本较低，虽然测量精度不高，但能满足工业测温的要求，是工业上最常用的热电偶；其长期使用的最高温度为1000℃，短期使用温度可达1200℃。

 

 

    表6.2  铂铑10-铂热电偶分度表

 

分度号：S                                                 （冷端温度为0℃）

    （4）铜-康铜热电偶

 

这是一种廉价金属热电偶，以铜为正极，康铜为负极，其分度号为T。因铜热电极极易氧化，一般在氧化性气氛中使用不宜超过300℃。这种热电偶的热电势率较大，热电特性良好，材料质地均匀，成本低，但复现性较差。在0～-100℃温度范围内可作二等标准热电偶，准确度达±0.1℃。通常铜-康铜热电偶用于 ℃范围内的测温。

 

2.非标准化热电偶

 

    铜-康铜热电偶是非标准分度的热电偶中应用较多的一种，它在实验室和科研领域中 ℃的测温范围应用十分广泛，尤其是由于它在低温下具有较好的稳定性，因而在低温测量中备受关注。常温下使用时铜的极性为正，康铜为负(其成分为60%铜，40%镍)。在低于0℃的低温下使用时，则极性相反。

 

由于康铜丝的热电性能复线性较差，对于精密测量需对每一对热电偶分别进行标定。其热电势与温度的函数表达式为：                                                         (6-12)

 

式中: -----测量端温度为 时的热电势(参比端为0℃）       -----为常数，通常与标准铂电阻温度计在不同温度下比较求得

 

表6.1为最常用的热电偶技术特性。 6.2.4热电偶的主要结构形式

 

1.铠装式热电偶

 

 

 

这是一种近三十年发展起来的新型热电偶，其断面结构如图6.7所示，它由热电偶丝、绝缘材料、金属套管三者组合拉制而成，也称套管热电偶。其特点是：(1)小型化(直径最小可达0.25mm)，热惯性小，使用方便。(2)时间常数小。露头型铠装热电偶的时间常数仅为0.05s，适宜用于动态温度的测量。(3)机械性能好，且可作成各种形状，以满足复杂对象的温度测量。

 

 

 

表6.3  最常用的热电偶技术资料

热电偶     名  称

分     度

热电极材料

电阻率   20℃时(Ω.mm2/m)

100℃时电势(参比端0℃)(mv)

使用温度(℃)

允许误差(℃)

极性

识别

化学成分

长期

短期

温度   (℃)

允许   误差

温度   (℃)

允许   误差

铂铑-   铂

正

较硬

90%Pt   10%Rh

0.24

0.643

1300

1600

≤600

±2.4

>600

±0.4%t

负

较软

100%Pt

0.16

镍铬-   镍硅和   镍铬-   镍铝

正

不亲磁

9～10%   Cr，0.4%Si，其余Ni

0.68

4.10

1000

1300

≤400

±4

>400

±0.75%t

负

稍亲磁

2.5～3%Si，   Co≤0.6%   其余Ni

0.25～0.38

铜-康铜

正

红色

100%Cu

0.017

4.26

300

300

-200～   -40

±2%t

-40～   400

±0.75%t

负

银白色

60%Cu   40Ni

0.49

 

 

2.工业用插入式热电偶

 

图6.8是典型的工业用热电偶结构示意图。它由热电偶丝、绝缘套管、保护套管以及接线盒等部分组成，主要用于测量气体、蒸汽和液体等介质的温度。根据测温范围和环境气氛不同，选择的热电偶和保护套管也不同。按其安装时连接形式可分为螺纹连接和法兰连接两种，按其使用状态的要求又可分为密封式和高压固定螺纹式插入式热电偶。

3.薄膜热电偶

 

它是由两种金属薄膜制成的一种特殊结构的热电偶。薄膜的制作方法有许多种，如真空蒸镀、化学涂层和电泳等。测量端既小又薄，约为数百埃到数千埃（1埃=10-10米=10-4微米）。由于测量端的热容量很小，可以用于微小面积上的温度测量，且响应

 

 

 

快，其时间常数可达微秒级，因而可测瞬变的表面温度。其次，它的尺寸小，不会造成被测流体通路的堵塞。薄膜热电偶的结构有三种：片状与针状热电偶，以及将热电极材料直接蒸镀在被测表面的热电偶。片状结构的低温薄膜热电偶常用的有铁-康铜、铜-康铜和铁-镍等。测温范围为 ℃。铁-镍薄膜热电偶的外形及温度热电势关系曲线如图6.9所示。其热电势率为0.032毫伏/℃，时间常数 秒，薄膜厚度在3～6微米之间。

 

6.2.5热电偶的冷端补偿

 

    由热电偶测温原理已经知道，只有当热电偶的冷端温度保持不变时，热电势才是被测温度的单值函数。在实际应用时，往往由于热电偶的热端与冷端离得很近，冷端又暴露于空间，容易受到周围环境温度波动的影响，因而冷端温度难以保持恒定。为此常采用下述几种冷端温度补偿或处理方法。 (1)冰浴法：在实验室条件下常将热电偶冷端置于冰点恒温槽中，使冷端温度恒定在0℃时进行测温，这种方法称为冰浴法。测量时将热电偶的热电极冷端分别插入冰点恒温槽中两根玻璃试管的底部，并与底部存有少量清洁的水银相接触，如图6.10

 

 

 

图6.10 冰裕法接线图

 

所示。水银上面应存放少量蒸馏水（或变压器油），最好还用石蜡封口，以防止水银蒸汽逸出。插入水银的冷端分别通过铜导线接至温度显示仪表。温度显示或测量仪表可以看作铜导线，而且铜导线与热电偶的热电极相接的两接点温度均在0℃。根据中间导体定律，可以认为图6.10（b）与（c）的线路等效。     (2)冷端温度修正：热电偶分度表是以冷端温度为0℃为基础而制成的，所以如欲直接利用分度表根据显示仪表的读数求得温度必须使冷端温度保持为0℃。如果冷端温度不为0℃，则必须对仪表指示值进行修正，例如冷端温度恒定在 0℃时，则测得的热电势将小于该热电偶的分度值，因此为了求得所测的真实温度，可利用 进行修正。

 

(3)冷端补偿导线：用补偿导线代替部分热电偶丝作为热电偶的延长部分，使冷端移到离开被测介质较远的地方，如图6.11所示，这样可节省较多的贵金属热电偶材

 

 

图6.11 补偿导线在测温回路中的连接

 

料。必须注意补偿导线的热电特性与所取代的热电偶丝一样。表6.1列出了各种热电偶补偿导线的材料，选用时务必不能搞错。同时注意，对于具有补偿导线的热电偶，其冷端温度应该是补偿导线的末端温度。

表6.4 常用热电偶补偿导线

 

（4）冷端补偿器：上面讲到的热电偶测温可用补偿导线把冷端移到温度较稳定的地方，但不能保持其冷端温度的恒定，用查分度表方法计算热电势也不方便，而采用冷端补偿器即可解决矛盾。其原理是利用不平衡电桥所产生的不平衡电压来补偿热电偶参考端温度变化而引起的热电势的变化。6.12是补偿器接入热电偶回路的原理

 

 

 

图6.12冷端温度补偿器线路

 

图。补偿器由一电桥组成， ，用锰铜丝绕制，电阻值不随温度变化。 用铜丝绕制，电阻值随温度变化。国产冷端补偿器的平衡温度有0℃和20℃两种。当冷端平衡温度为20℃时使 ， 为供配用不同分度表号的热电偶作为调整补偿器供电电压用。桥路供电电压为直流4V。当温度为20℃时，因为 所以电桥平衡，故a、b两端没有电压输出。当温度不等于20℃时，a、b两端就会有一个不平衡电压 输出，另外将指示仪表的机械零位调整在+20℃的位置（即预设机械零位电势 ），因而指示仪表的总电势就等于热电偶的热电势、补偿电势和机械零位电势的代数和，而后两项之和实际是冷端温度相对于0℃的热电势，如果指示仪表直接按温度刻度，则仪表所指示的即是被测物体的温度。这种方法主要用于工业测量仪表中。根据所配用的热电偶可按有关规定选用不同型号的冷端补偿器。

 

6.2.6热电偶的选择、安装使用和校验

 

    热电偶的选用应该根据被测介质的温度、压力、介质性质、测温时间长短来选择热电偶和保护套管。安装点要有代表性，安装方法要正确。通常要求将热电偶安装在管道的中心线位置上，并使热电偶的测量端面向流体，以便热端与被测介质充分接触，提高测量的准确度，尽可能测得介质的真实温度。

 

热电偶要定期校验，校验的方法是用标准热电偶与被校验热电偶在同一校验炉或恒温水槽中进行对比。

 

 

6.2.7热电偶测温误差分析

 

    热电偶的测温误差主要由下列因素引起：

 

    (1)热电偶的非均匀性分度误差：由于电偶材料粗细不均匀或不纯等原因，会使热电偶的温差电性与统一的分度表产生一定误差，此误差不应超过有关标准；

 

(2)因冰水不纯使热电偶冷端(即参比端)达不到真正的冰点(0℃)因而引起误差。因此对于精密测量，要求用纯净水制成的冰和水；

 

    (3)热电偶由于长期处于高温环境会氧化变质，致使其热电性能发生变化而引起误差；

 

(4)热电偶的极间、电偶对之间及其与大地间不良的绝缘或测量仪表精度不高等都会造成热电势的损失而影响测量的精确性。 6.2.8热电势的测量

 

    在热电偶回路中由于贝塞克效应所产生的热电势E，可以用高阻类型动圈式等仪表来直接测量。通过仪表的电流i为：                                                         （6-13） 式中： -----仪表的内阻；       -----外电路的电阻。

 

    为了重复性好， 和 必须保持在与校准时相同的数值，如果调换仪表，应当检查校准时的数值。热电势也可用数字式电压表进行直接测量，这些仪表都具有高输入阻抗，因此在热电偶测量回路中， 比 大得多，使得 的变化对测量影响很小。     用动圈式仪表直接测量电势时，通常测量精度不高，且在相当大的程度上受到环境温度变化的影响。因此，用电位差计间接测量电势得到广泛的应用。下面将介绍电位差计的构造原理及其测量方法。电位差计的工作原理是根据平衡法（也称补偿法、零值法）将被测电势与已知标准电势相比较，当两者的差值为零时，则被测电势就等于已知的标准电势。最简单的电位差计原理如图6.13所示。它由两个回路组成：

 

 

图6.13最简单的电位差计原理图

 

    （1）工作电流回路：它由工作电池E、可变电阻RJ、电流表mA与测量标准电阻R组成。这一回路的作用，是根据电流表mA的指示值，通过可变电阻RJ来调节工作电流回路中的工作电流I，使其达到规定值。这样，在测量标准电阻R上的每一部分电阻的电压降即为已知。     （2）测量回路：是由热电偶 与检流计G的串联线路，通过测量标准电阻R上的滑动触点B并联入工作电流回路组成。热电偶的正极接电阻R上的正极B点，热电偶负极接线路A点，使测量回路中的检流计指示值为零，即测量回路中没有电流通过。此标准电阻RAB上的电压降与热电偶的热电势 达到平衡状态，两个电势相等，即：                                                            （6-14） 因为RAB与I是已知的，所以未知值热电偶的热电势 即可求得。 应用平衡法测量电势，由于测量回路中无电流通过，所以被测电势的测量值不会因测量回路导线电阻变化而产生误差，这是电位差计测量电势的独特优点。但电位差计测量结果的准确性取决于工作电流回路中的测量标准电阻与电流的准确度及检流计的灵敏度。在工作电流回路中用电流表测量电流是不可能十分精确的，为了确保工作

 

电流值的高精度，再引入校准工作电流回路。图6.14为具有校准工作电流回路的直流电位差计原理线路。 （3）校正工作电流回路：它由标准电阻RP、标准电池EP及与测量回路公用的检流计G组成。当开关K接入“1”端时，校准工作电流回路接通，然后调节可变电阻RJ，亦即调节工作电流回路中的电流I值，使其在标准电阻RP上的电压降等于标准电池的电势 ，也就是标准电池的电势与标准电阻RP上所产生的电压降相平衡，

 

 

图6.14电位差计测量热电势原理线路图

 

此时，检流计指示为零值，即校准工作电流回路中的电流为零。这时工作电流回路中的电流为：                                                             （6-15） 式中，标准电池的电势EP与标准电阻RP的精确度都很高，所以在应用高灵敏度检流计的条件下，工作电流I可以调节到很高的精度。     随后将开关K接入2，这时校准工作电流回路断开，测量回路接通，再滑动电阻R上的动触点，当检流计G指示为零时，测量回路中电流等于零，说明热电偶的热电势 为：                                                            （6-16） 将式（6-15）代入上式得：                                                         （6-17）     上式EP、RAB、RP的精确度都很高，所以热电势的测量值也可获得很高的精度。以上所述就是用平衡法测量热电势的基本工作原理。 电位差计有许多型号，但不论线路如何复杂，都可以将其归纳为由上述三个基本回路所组成