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1、第 5章 熱 電 偶 傳 感 器 在 工 業(yè) 生 產(chǎn) 過 程 中 ， 溫 度 是 需 要 測 量 和 控 制 的 重 要 參 數(shù) 之 一 。 在 溫 度 測 量 中 ， 熱 電偶 的 應(yīng) 用 極 為 廣 泛 ， 它 具 有 結(jié) 構(gòu) 簡 單 、 制 造 方 便 、 測 量 范 圍 廣 、 精 度 高 、 慣 性 小 和 輸 出信 號 便 于 遠 傳 等 許 多 優(yōu) 點 。 另 外 ， 由 于 熱 電 偶 是 一 種 有 源 傳 感 器 ， 測 量 時 不 需 外 加 電 源 ，使 用 十 分 方 便 ， 所 以 常 被 用 作 測 量 爐 子 、 管 道 內(nèi) 的 氣 體 或 液 體 的 溫 度

2、及 固 體 的 表 面 溫 度 。 5.1 熱 電 偶 的 工 作 原 理 與 基 本 結(jié) 構(gòu) 5.1.1 熱 電 偶 的 工 作 原 理 5.1.1.1 工 作 原 理 當 有 兩 種 不 同 的 導 體 或 半 導 體 A和 B組 成 一 個 回 路 ， 其 兩 端 相 互 連 接 時 （ 如 圖 5.1.1） ，只 要 兩 結(jié) 點 處 的 溫 度 不 同 ， 一 端 溫 度 為 T， 稱 為 工 作 端 或 熱 端 ， 另 一 端 溫 度 為 T0 ， 稱 為 自由 端 （ 也 稱 參 考 端 ） 或 冷 端 ， 回 路 中 將 產(chǎn) 生 一 個 電 動 勢 ， 該 電 動 勢 的 方 向

3、 和 大 小 與 導 體 的材 料 及 兩 接 點 的 溫 度 有 關(guān) 。 這 種 現(xiàn) 象 稱 為 “ 熱 電 效 應(yīng) ” ， 兩 種 導 體 組 成 的 回 路 稱 為 “ 熱 電偶 ” ， 這 兩 種 導 體 稱 為 “ 熱 電 極 ” ， 產(chǎn) 生 的 電 動 勢 則 稱 為 “ 熱 電 動 勢 ” 。 熱 電 動 勢 由 兩 部 分 電 動 勢 組 成 ， 一 部 分 是 兩 種 導 體 的 接 觸 電 動 勢 ， 另 一 部 分 是 單 一 導體 的 溫 差 電 動 勢 。 Ae AB(t) B eA(t,t0)eB(t,t0)圖 5.1.1 熱 電 偶 回 路 當 A和 B兩 種 不

4、 同 材 料 的 導 體 接 觸 時 ， 由 于 兩 者 內(nèi)部 單 位 體 積 的 自 由 電 子 數(shù) 目 不 同 (即 電 子 密 度 不 同 )， 因此 ， 電 子 在 兩 個 方 向 上 擴 散 的 速 率 就 不 一 樣 。 現(xiàn) 假 設(shè) 導體 A的 自 由 電 子 密 度 大 于 導 體 B的 自 由 電 子 密 度 ， 則 導體 A擴 散 到 導 體 B的 電 子 數(shù) 要 比 導 體 B擴 散 到 導 體 A的 電子 數(shù) 大 。 所 以 導 體 A失 去 電 子 帶 正 電 荷 ， 導 體 B得 到 電子 帶 負 電 荷 ， 于 是 ， 在 A、 B兩 導 體 的 接 觸 界 面 上

5、 便 形成 一 個 由 A到 B的 電 場 。 該 電 場 的 方 向 與 擴 散 進 行 的 方向 相 反 ， 它 將 引 起 反 方 向 的 電 子 轉(zhuǎn) 移 ， 阻 礙 擴 散 作 用 的繼 續(xù) 進 行 。 當 擴 散 作 用 與 阻 礙 擴 散 作 用 相 等 時 ， 即 自 導 體 A擴 散 到 導 體 B的 自 由 電 子 數(shù) 與 在電 場 作 用 下 自 導 體 B到 導 體 A的 自 由 電 子 數(shù) 相 等 時 ， 便 處 于 一 種 動 態(tài) 平 衡 狀 態(tài) 。 在 這 種 狀 態(tài)下 ， A與 B兩 導 體 的 接 觸 處 就 產(chǎn) 生 了 電 位 差 ， 稱 為 接 觸 電 動

6、勢 。 接 觸 電 動 勢 的 大 小 與 導 體 的材 料 、 接 點 的 溫 度 有 關(guān) ， 與 導 體 的 直 徑 、 長 度 及 幾 何 形 狀 無 關(guān) 。 對 于 溫 度 分 別 為 t和 t0的 兩 接點 ， 可 得 下 列 接 觸 電 動 勢 公 式 BtAtAB U-U(t)e Bt0At00AB U-U)(te (5-1-1) 式 中 eAB(t,)、 eAB(t0)為 導 體 A、 B在 接 點 溫 度 t和 t0時 形 成 的 電 動 勢 ； UAt、 UAt0分 別 為 導 體 A在接 點 溫 度 為 t和 t0時 的 電 壓 ； UBt、 UBt0分 別 為 導 體

7、B在 接 點 溫 度 為 t和 t0時 的 電 壓 。對 于 導 體 A或 B， 將 其 兩 端 分 別 置 于 不 同 的 溫 度 場 t、 t0中 (t t0)。 在 導 體 內(nèi) 部 ， 熱 端 的 自 由 電子 具 有 較 大 的 動 能 ， 向 冷 端 移 動 ， 從 而 使 熱 端 失 去 電 子 帶 正 電 荷 ， 冷 端 得 到 電 子 帶 負 電 荷 。這 樣 ， 導 體 兩 端 便 產(chǎn) 生 了 一 個 由 熱 端 指 向 冷 端 的 靜 電 場 。 該 電 場 阻 止 電 子 從 熱 端 繼 續(xù) 跑 到 冷端 并 使 電 子 反 方 向 移 動 ， 最 后 也 達 到 了 動

8、 態(tài) 平 衡 狀 態(tài) 。 這 樣 ， 導 體 兩 端 便 產(chǎn) 生 了 電 位 差 ， 我們 將 該 電 位 差 稱 為 溫 差 電 動 勢 。 溫 差 電 動 勢 的 大 小 取 決 于 導 體 的 材 料 及 兩 端 的 溫 度 ， 如 下 式所 示 0BtBt0B0AtAt0A U-U)t(t,e U-U)t(t,e (5-1-2) 式 中 ， eA(t,t0)、 eB(t,t0)為 導 體 A和 B在 兩 端 溫 度 分 別 為 t和 t0時 形 成 的 電 動 勢 。 導 體 A和 B頭 尾 相 接 組 成 回 路 ， 如 果 導 體 A的 電 子 密 度 大 于 導 體 B的 電 子

9、 密 度 ， 且 兩接 點 的 溫 度 不 相 等 ， 則 在 熱 電 偶 回 路 中 存 在 著 四 個 電 勢 ， 即 兩 個 接 觸 電 動 勢 和 兩 個 溫 差電 動 勢 。 熱 電 偶 回 路 的 總 電 動 勢 為 )t(t,e-)t(t,e)(te-(t)e)t(t,E 0B0A0ABAB0AB (5-1-3) 實 踐 證 明 ， 在 熱 電 偶 回 路 中 起 主 要 作 用 的 是 接 觸 電 動 勢 ， 溫 差 電 動 勢 只 占 極 小 部分 ， 可 以 忽 略 不 計 ， 故 式 (5-3)可 以 寫 成 )(te-(t)e)t(t,E 0ABAB0AB (5-1-4

10、) 上 式 中 ， 由 于 導 體 A的 電 子 密 度 大 于 導 體 B的 電 子 密 度 ， 所 以 A為 正 極 ， B為 負極 。 腳 注 AB的 順 序 表 示 電 動 勢 的 方 向 。 不 難 理 解 ： 當 改 變 腳 注 的 順 序 時 ， 電 動 勢 前面 的 符 號 (指 正 、 負 號 )也 應(yīng) 隨 之 改 變 。 因 此 ， 式 (5-4)也 可 以 寫 成 )(te(t)e)t(t,E 0ABAB0AB 綜 上 所 述 ， 我 們 可 以 得 出 如 下 結(jié) 論 ： 熱 電 偶 回 路 中 熱 電 動 勢 的 大 小 ， 只 與 組 成 熱 電 偶 的 導 體 材

11、 料 和 兩 接 點 的 溫 度 有 關(guān) ， 而與 熱 電 偶 的 形 狀 尺 寸 無 關(guān) 。 當 熱 電 偶 兩 電 極 材 料 固 定 后 ， 熱 電 動 勢 便 是 兩 接 點 溫 度 t和 t0。的 函 數(shù) 差 。 即 如 果 使 冷 端 溫 度 t 0保 持 不 變 ， 則 熱 電 動 勢 便 成 為 熱 端 溫 度 t的 單 一 函 數(shù) 。 即 ， (5-1-5)f(t-f(t)t(t,E 00AB (t)C-f(t)t(t,E 0AB 5.1.1.2 熱 電 偶 的 特 性熱 電 偶 的 主 要 特 性 如 下 ： 穩(wěn) 定 性 指 熱 電 偶 的 熱 電 特 性 隨 使 用 時

12、間 變 化 小 。 不 均 勻 性 指 熱 電 極 的 不 均 勻 程 度 ， 所 引 起 的 附 加 熱 電 勢 的 大 小 ， 取 決 于 沿 熱 電 極 長 度的 溫 度 梯 度 分 布 狀 態(tài) 、 材 料 的 不 均 勻 形 式 和 不 均 勻 程 度 以 及 熱 電 偶 在 溫 度 場 中 所 處 的 位 置 。不 均 勻 性 降 低 測 溫 的 準 確 度 ， 影 響 熱 電 偶 的 穩(wěn) 定 性 和 互 換 性 。 造 成 不 均 勻 性 的 原 因 有 雜 質(zhì)分 布 不 均 ， 成 份 偏 析 ， 局 部 表 面 金 屬 的 揮 發(fā) 和 氧 化 ， 局 部 的 腐 蝕 和 沾 污

13、 ， 應(yīng) 力 分 布 不 均 勻和 晶 體 結(jié) 構(gòu) 不 均 勻 等 。 熱 惰 性 指 被 測 介 質(zhì) 從 某 一 溫 度 躍 遷 到 另 一 溫 度 時 ， 熱 電 偶 測 量 端 的 溫 度 上 升 到 整 個 躍遷 的 63.2%所 需 的 時 間 。5.1.2 熱 電 偶 的 基 本 定 律5.1.2.1 均 質(zhì) 導 體 定 律如 果 熱 電 偶 回 路 中 的 兩 個 熱 電 極 材 料 相 同 ， 無 論 兩 接 點 的 溫 度 如 何 ， 熱 電 動 勢 為 零 。根 據(jù) 這 個 定 律 ， 可 以 檢 驗 兩 個 熱 電 極 材 料 成 分 是 否 相 同 (稱 為 同 名 極

14、 檢 驗 法 )， 也 可 以 檢 查 熱 電 極 材 料 的 均 勻 性 。5.1.2.2 中 間 導 體 定 律在 熱 電 偶 回 路 中 接 入 第 三 種 導 體 ， 只 要 第 三 種 導 體 的 兩 接 點 溫 度 相 同 ， 則 回 路 中 總 的 熱 電動 勢 不 變 。如 圖 5.1.2， 在 熱 電 偶 回 路 中 接 人 第 三 種 導 體 C。 設(shè) 導 體 A與 B接 點 處 的 溫 度 為 t， A與 C、 B與C兩 接 點 處 的 溫 度 為 t0， 則 回 路 中 的 總 電 動 勢 為 (5-1-6)(te)(te(t)e)t(t,E 0CA0BCAB0ABC

15、圖 5.1.2 熱 電 偶 中 接 入 第 三種 導 體 如 果 回 路 中 三 接 點 的 溫 度 相 同 ， 即 t t0， 則 回 路 總 電 動 勢必 為 零 ， 即 或 者 (5-1-7) 將 式 (5-7)代 人 式 (5-6)， 可 得 (5-1-8)0)(te)(te)(te 0CA0BC0AB )(t-e)(te)(te 0CA0BC0AB )(te-(t)e)t(t,E 0ABAB0ABC 可 以 用 同 樣 的 方 法 證 明 ， 斷 開 熱 電 偶 的 任 何 一 個 極 ， 用 第 三種 導 體 引 入 測 量 儀 表 ， 其 總 電 動 勢 也 是 不 變 的 。

16、熱 電 偶 的 這 種 性 質(zhì) 在 實 用 上 有 著 重 要 的 意 義 ， 它 使 我 們 可 以方 便 地 在 回 路 中 直 接 接 入 各 種 類 型 的 顯 示 儀 表 或 調(diào) 節(jié) 器 ， 也 可以 將 熱 電 偶 的 兩 端 不 焊 接 而 直 接 插 入 液 態(tài) 金 屬 中 或 直 接 焊 在 金屬 表 面 進 行 溫 度 測 量 。5.1.2.3 標 準 電 極 定 律 如 果 兩 種 導 體 分 別 與 第 三 種 導 體 組 成 的 熱 電 偶 所 產(chǎn) 生 的 熱 電動 勢 已 知 ， 則 由 這 兩 種 導 體 組 成 的 熱 電 偶 所 產(chǎn) 生 的 熱 電 動 勢 也

17、就 已 知 。 如 圖 5-3， 導 體 A、 B分 別 與 標 準 電 極 C組 成 熱 電 偶 ， 若 它 們 所產(chǎn) 生 的 熱 電 動 勢 為 已 知 ， 即 那 么 ， 導 體 A與 B組 成 的 熱 電 偶 ， 其 熱 電 動 勢 可 由 下 式 求 得 (5-1-9) )(te-(t)e)t(t,E 0ACAC0AC )(te-(t)e)t(t,E 0BCBC0BC )t(t,E-)t(t,E)t(t,E 0BC0AC0AB +A tt0 + tt0 + tt0C CB BA圖 5.1.3 三 種 導 體 組 成 的 熱 電偶 標 準 電 極 定 律 是 一 個 極 為 實 用 的

18、 定 律 。 可 以 想 象 ， 純 金 屬 的 種 類 很 多 ， 而 合 金 類 型 更多 。 因 此 ， 要 得 出 這 些 金 屬 之 間 組 合 而 成 熱 電 偶 的 熱 電 動 勢 ， 其 工 作 量 是 極 大 的 。 由于 鉑 的 物 理 、 化 學 性 質(zhì) 穩(wěn) 定 ， 熔 點 高 ， 易 提 純 ， 所 以 ， 我 們 通 常 選 用 高 純 鉑 絲 作 為 標準 電 極 ， 只 要 測 得 各 種 金 屬 與 純 鉑 組 成 的 熱 電 偶 的 熱 電 動 勢 ， 則 各 種 金 屬 之 間 相 互 組合 而 成 的 熱 電 偶 的 熱 電 動 勢 可 根 據(jù) 式 (5-

19、9)直 接 計 算 出 來 。 例 如 ： 熱 端 為 100 ， 冷 端 為 0 時 ， 鎳 鉻 合 金 與 純 鉑 組 成 的 熱 電 偶 的 熱 電 動 勢 為2.95mV， 而 考 銅 與 純 鉑 組 成 的 熱 電 偶 的 熱 電 動 勢 為 -4.0mV， 則 鎳 鉻 和 考 銅 組 合 而 成 的熱 電 偶 所 產(chǎn) 生 的 熱 電 動 勢 應(yīng) 為 2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV5.1.2.4 中 間 溫 度 定 律 熱 電 偶 在 兩 接 點 溫 度 t、 t 0時 的 熱 電 動 勢 等 于 該 熱 電 偶 在 接 點 溫 度 為 t、 tn和 tn、 t0時 的

20、相 應(yīng) 熱 電 動 勢 的 代 數(shù) 和 。 中 間 溫 度 定 律 可 以 用 下 式 表 示 (5-1-10) 中 間 溫 度 定 律 為 補 償 導 線 的 使 用 提 供 了 理 論 依 據(jù) 。 它 表 明 ： 若 熱 電 偶 的 熱 電 極 被 導體 延 長 ， 只 要 接 入 的 導 體 組 成 熱 電 偶 的 熱 電 特 性 與 被 延 長 的 熱 電 偶 的 熱 電 特 性 相 同 ，且 它 們 之 間 連 接 的 兩 點 溫 度 相 同 ， 則 總 回 路 的 熱 電 動 勢 與 連 接 點 溫 度 無 關(guān) ， 只 與 延 長以 后 的 熱 電 偶 兩 端 的 溫 度 有 關(guān)

21、。 )t,(tE)t(t,E)t(t,E 0nABnAB0AB 5.1.3 熱 電 偶 結(jié) 構(gòu)5.1.3.1 普 通 工 業(yè) 裝 配 式 熱 電 偶 的 結(jié) 構(gòu) 普 通 工 業(yè) 裝 配 式 熱 電 偶 作 為 測 量 溫 度 的 變 送 器 ， 通 常 和 顯 示 儀 表 、 記 錄 儀 表 和 電 子 調(diào)節(jié) 器 配 套 使 用 。 它 可 以 直 接 測 量 各 種 生 產(chǎn) 過 程 中 從 0 到 1800 范 圍 的 液 體 、 蒸 汽 和 氣 體 介質(zhì) 以 及 固 體 的 表 面 溫 度 。 熱 電 偶 通 常 由 熱 電 極 、 絕 緣 管 、 保 護 套 管 和 接 線 盒 等 幾

22、個 主 要 部分 組 成 ， 其 常 見 外 形 結(jié) 構(gòu) 如 圖 5.1.4所 示 。 圖 5.1.4 常 見 普 通 工 業(yè) 裝 配 式 熱 電 偶 的 外 形 結(jié) 構(gòu) (1)熱 電 極 又 稱 偶 絲 ， 它 是 熱 電 偶 的 基 本 組 成 部 分 。 普 通 金 屬 做 成 的 偶 絲 ， 其 直 徑 一般 為 0.53.2mm， 貴 重 金 屬 做 成 的 偶 絲 ， 直 徑 一 般 為 0.3-0.6mm。 偶 絲 的 長 度 則 由 使 用 情 況 、安 裝 條 件 ， 特 別 是 工 作 端 在 被 測 介 質(zhì) 中 插 入 的 深 度 來 決 定 ， 通 常 為 300200

23、0mm， 常 用 的 長度 為 350mm。 (2)絕 緣 管 又 稱 絕 緣 子 ， 是 用 于 熱 電 極 之 間 及 熱 電 極 與 保 護 套 管 之 間 進 行 絕 緣 保 護 的 零件 。 形 狀 一 般 為 圓 形 或 橢 圓 形 ， 中 間 開 有 二 個 、 四 個 或 六 個 孔 。 偶 絲 穿 孔 而 過 。 材 料 為 粘土 質(zhì) 、 高 鋁 質(zhì) 、 剛 玉 質(zhì) 等 ， 材 料 選 用 視 使 用 的 熱 電 偶 而 定 。 在 室 溫 下 ， 絕 緣 管 的 絕 緣 電 阻應(yīng) 在 5M 以 上 。 (3)保 護 套 管 是 用 來 保 護 熱 電 偶 感 溫 元 件 免

24、 受 被 測 介 質(zhì) 化 學 腐 蝕 和 機 械 損 傷 的 裝 置 。 保護 套 管 應(yīng) 具 有 耐 高 溫 、 耐 腐 蝕 的 性 能 ， 要 求 導 熱 性 能 好 ， 氣 密 性 好 。 其 材 料 有 金 屬 、 非 金屬 以 及 金 屬 陶 瓷 三 大 類 。 金 屬 材 料 有 鋁 、 黃 銅 、 碳 鋼 、 不 銹 鋼 等 ， 其 中 lCrl8Ni9Ti不 銹 鋼是 目 前 熱 電 偶 保 護 套 管 使 用 的 典 型 材 料 。 非 金 屬 材 料 有 高 鋁 質(zhì) (85%-90%A1203)、 剛 玉 質(zhì)(99 Al2O3)， 使 用 溫 度 都 在 1300 以 上

25、。 金 屬 陶 瓷 材 料 如 氧 化 鎂 加 金 屬 鉬 ， 這 種 材 料 使 用溫 度 在 1700 ， 且 在 高 溫 下 有 很 好 的 抗 氧 化 能 力 ， 適 用 于 鋼 水 溫 度 的 連 續(xù) 測 量 。 形 狀 一 般為 圓 柱 形 。 (4)接 線 盒 是 用 來 固 定 接 線 座 和 作 為 連 接 補 償 導 線 的 裝 置 。 根 據(jù) 被 測 量 溫 度 的 對 象 及 現(xiàn)場 環(huán) 境 條 件 ， 設(shè) 計 有 普 通 式 、 防 濺 式 、 防 水 式 和 接 插 座 式 等 四 種 結(jié) 構(gòu) 形 式 。 普 通 式 接 線 盒無 蓋 ， 僅 由 盒 體 構(gòu) 成 ，

26、其 接 線 座 用 螺 釘 固 定 在 盒 體 上 ， 適 用 于 環(huán) 境 條 件 良 好 、 無 腐 蝕 性 氣 體 的 現(xiàn) 場 。 防 濺 式 、 防 水 式 接 線 盒 有 蓋 ， 且 蓋 與 盒 體 是 由 密 封 圈 壓 緊 密 封 ， 適 用 于 雨 水 能濺 到 的 現(xiàn) 場 或 露 天 設(shè) 備 現(xiàn) 場 。 插 座 式 接 線 盒 結(jié) 構(gòu) 簡 單 、 安 裝 所 占 空 間 小 ， 接 線 方 便 ， 適 用于 需 要 快 速 拆 卸 的 環(huán) 境 。5.1.3.2 鎧 裝 熱 電 偶 的 結(jié) 構(gòu) 鎧 裝 熱 電 偶 具 有 能 彎 曲 、 耐 高 壓 、 熱 響 應(yīng) 時 間 快 和

27、 堅 固 耐 用 等 許 多 優(yōu) 點 ， 它 和 工 業(yè) 用 裝 配式 熱 電 偶 一 樣 ， 作 為 測 量 溫 度 的 變 送 器 ， 通 常 和 顯 示 儀 表 、 記 錄 儀 表 和 電 子 調(diào) 節(jié) 器 配 套 使用 ， 同 時 亦 可 作 為 裝 配 式 熱 電 偶 的 感 溫 元 件 。 它 可 以 直 接 測 量 名 種 生 產(chǎn) 過 程 中 從 0800范 圍 內(nèi) 的 液 體 、 蒸 汽 和 氣 體 介 質(zhì) 以 及 固 體 表 面 的 溫 度 。 鎧 裝 熱 電 偶 的 結(jié) 構(gòu) 原 理 是 由 導 體 、 高 絕 緣 氧 化 鎂 、 外 套 1Cr18Ni9Ti不 銹 鋼 保 護

28、 管 ， 經(jīng)多 次 一 體 拉 制 而 成 。 鎧 裝 熱 電 偶 產(chǎn) 品 主 要 由 接 線 盒 、 接 線 端 子 和 鎧 裝 熱 電 偶 組 成 基 本 結(jié) 構(gòu) ，并 配 以 各 種 安 裝 固 定 裝 置 組 成 。 鎧 裝 熱 電 偶 分 絕 緣 式 和 接 殼 式 兩 種 。 (1)接 殼 式 熱 電 偶 的 測 量 端 與 金 屬 套 管 接 觸 并 焊 接 在 一 起 。 適 用 于 測 量 溫 度 高 、 壓 力 高 、腐 蝕 性 較 強 的 介 質(zhì) 。 (2)絕 緣 式 熱 電 偶 的 測 量 端 焊 接 后 填 以 絕 緣 材 料 再 與 金 屬 套 管 焊 接 。 適

29、用 范 圍 同 接 殼 式 ，特 點 是 偶 絲 與 保 護 金 屬 套 管 不 接 觸 ， 具 有 電 氣 絕 緣 性 能 。 (3)圓 接 插 式 金 屬 套 管 端 頭 部 分 的 直 徑 為 原 直 徑 的 一 半 ， 故 時 間 常 數(shù) 更 小 。 (4)扁 接 插 式 分 為 接 殼 型 和 絕 緣 型 兩 種 ， 其 時 間 常 數(shù) 最 小 ， 反 應(yīng) 速 度 更 快 。 圖 5.1.5 常 見 鎧 裝 熱 電 偶 的 外 形 結(jié) 構(gòu) 鎧 裝 熱 電 偶 冷 端 連 接 補 償導 線 的 接 線 盒 的 結(jié) 構(gòu) ， 根 據(jù)不 同 的 使 用 條 件 ， 有 不 同 的式 。 如

30、簡 易 式 、 帶 補 償 導 線式 、 插 座 式 等 ， 這 里 不 作 詳細 介 紹 了 ， 選 用 時 可 參 考 有關(guān) 資 料 。 由 于 鎧 裝 熱 電 偶 具 有 壽命 長 、 機 械 性 能 好 、 耐 高 壓 、可 撓 性 等 許 多 優(yōu) 點 ， 因 而 深受 歡 迎 。 5.2 常 用 熱 電 偶 及 測 溫 線 路 5.2.1 熱 電 偶 材 料 根 據(jù) 金 屬 的 熱 電 效 應(yīng) 原 理 ， 任 意 兩 種 不 同 材 料 的 導 體 都 可 以 作 為 熱 電 極 組 成 熱 電 偶 ， 但在 實 際 應(yīng) 用 中 ， 用 作 熱 電 極 的 材 料 應(yīng) 具 備 如 下

31、 幾 方 面 的 條 件 ： (1)溫 度 測 量 范 圍 廣 要 求 在 規(guī) 定 的 溫 度 測 量 范 圍 內(nèi) 有 較 高 的 測 量 精 確 度 ， 有 較 大 的 熱電 動 勢 。 溫 度 與 熱 電 動 勢 的 關(guān) 系 是 單 值 函 數(shù) ， 最 好 是 呈 線 性 關(guān) 系 。 (2)性 能 穩(wěn) 定 要 求 在 規(guī) 定 的 溫 度 測 量 范 圍 內(nèi) 使 用 時 熱 電 性 能 穩(wěn) 定 ， 均 勻 性 和 復 現(xiàn) 性 好 。 (3)物 理 化 學 性 能 好 要 求 在 規(guī) 定 的 溫 度 測 量 范 圍 內(nèi) 使 用 時 不 產(chǎn) 生 蒸 發(fā) 現(xiàn) 象 。 有 良 好 的化 學 穩(wěn) 定

32、性 、 抗 氧 化 性 或 抗 還 原 性 能 。 滿 足 上 述 條 件 的 熱 電 偶 材 料 并 不 很 多 。 目 前 我 國 大 量 生 產(chǎn) 和 使 用 、 性 能 符 合 專 業(yè) 標準 或 國 家 標 準 并 具 有 統(tǒng) 一 分 度 表 的 熱 電 偶 材 料 稱 為 定 型 熱 電 偶 材 料 ， 共 有 六 個 品 種 。 它們 分 別 是 ： 銅 -康 銅 、 鎳 鉻 -考 銅 、 鎳 鉻 -鎳 硅 、 鎳 鉻 -鎳 鋁 、 鉑 銠 10-鉑 及 鉑 銠 30-鉑 銠 6。 其 中鎳 鉻 -考 銅 熱 電 偶 材 料 將 逐 漸 地 被 淘 汰 。 根 據(jù) 國 際 電 工 委

33、 員 會 (IEC)標 準 的 規(guī) 定 ， 我 國 將發(fā) 展 鎳 鉻 -康 銅 、 鐵 -康 銅 熱 電 偶 材 料 。 此 外 ， 我 國 還 生 產(chǎn) 一 些 未 定 型 熱 電 偶 材 料 ， 如 鉑銠 13-鉑 、 銥 、 銠 40-銥 、 鎢 錸 5-鎢 錸 26、 等 等 。 5.2.2 熱 電 偶 種 類 國 際 電 工 委 員 會 在 1975年 向 世 界 各 國 推 薦 七 種 標 準 型 熱 電 偶 。 我 國 生 產(chǎn) 的 符 合 IEC標 準的 熱 電 偶 有 六 種 ， 分 別 是 ： (1)鉑 銠 30-鉑 銠 6熱 電 偶 這 種 熱 電 偶 分 度 號 為 “ B

34、” 。 它 的 正 極 是 鉑 銠 絲 (鉑 70%， 銠30%)， 負 極 也 是 鉑 銠 絲 (鉑 94%， 銠 6%)， 故 俗 稱 雙 鉑 銠 。 測 溫 范 圍 為 01700 。 其 特 點是 測 溫 上 限 高 ， 分 度 值 見 表 5-1所 示 。 在 冶 金 反 應(yīng) 、 鋼 水 測 量 等 高 溫 領(lǐng) 域 中 得 到 了 廣 泛的 應(yīng) 用 。 (2)鉑 銠 10-鉑 熱 電 偶 這 種 熱 電 偶 分 度 號 為 “ S” 。 它 的 正 極 是 鉑 銠 絲 (鉑 90%， 銠l0%)， 負 極 是 純 鉑 絲 。 測 溫 范 圍 為 01700 。 其 特 點 是 熱 電

35、 性 能 穩(wěn) 定 ， 抗 氧 化 性 強 ， 宜在 氧 化 性 、 惰 性 氣 氛 中 工 作 。 由 于 精 度 高 ， 故 國 際 溫 標 中 規(guī) 定 它 為 630.741064.43 溫度 范 圍 內(nèi) 復 現(xiàn) 溫 標 的 標 準 儀 器 。 常 用 作 標 準 熱 電 偶 或 用 于 高 溫 測 量 ， 分 度 值 見 表 5-2所示 。 (3)鎳 鉻 -鎳 硅 熱 電 偶 這 種 熱 電 偶 分 度 號 為 “ K” 。 它 的 正 極 是 鎳 鉻 合 金 (鎳 90.5%， 鉻 9.5%)， 負 極 為 鎳 硅 (鎳 97.5%， 硅 2.5%)。 測 溫 范 圍 為 -200+1

36、300 。 其 特 點 是 測 溫 范 圍很 寬 、 熱 電 動 勢 與 溫 度 關(guān) 系 近 似 線 性 、 熱 電 動 勢 大 及 價 格 低 。 缺 點 是 熱 電 動 勢 的 穩(wěn) 定 性較 B型 或 S型 熱 電 偶 差 ， 且 負 極 有 明 顯 的 導 磁 性 ， 分 度 值 見 表 5-3所 示 。 (4)鎳 鉻 -康 銅 熱 電 偶 這 種 熱 電 偶 分 度 號 為 “ E” 。 它 的 正 極 是 鎳 鉻 合 金 ， 負 極 是 銅 鎳合 金 (銅 55%， 鎳 45%)。 測 溫 范 圍 為 -200+1000 。 其 特 點 是 熱 電 動 勢 較 其 他 常 用 熱 電

37、 偶大 。 適 宜 在 氧 化 性 或 惰 性 氣 氛 中 工 作 ， 分 度 值 見 表 5-4所 示 。 (5)鐵 -康 銅 熱 電 偶 這 種 熱 電 偶 分 度 號 為 “ J” 。 它 的 正 極 是 鐵 ， 負 極 是 銅 鎳 合 金 。 測溫 范 圍 為 -200+1300 。 其 特 點 是 價 格 便 宜 ， 熱 電 動 勢 較 大 ， 僅 次 于 E型 熱 電 偶 。 缺 點是 鐵 極 易 氧 化 ， 分 度 值 見 表 5-5所 示 。 (6)銅 -康 銅 熱 電 偶 這 種 熱 電 偶 分 度 號 為 “ T” 。 它 的 正 極 是 銅 ， 負 極 是 銅 鎳 合 金

38、 。 測 溫 范圍 為 -200+400 。 特 點 是 精 度 高 ， 在 0-200 范 圍 內(nèi) ， 可 制 成 標 準 熱 電 偶 ， 準 確 度 可 達 土0.1 。 缺 點 是 銅 極 易 氧 化 ， 故 在 氧 化 性 氣 氛 中 使 用 時 ， 一 般 不 能 超 過 300 ， 分 度 值 見 表 5-6所 示 。 最 后 要 說 明 的 是 ， IEC公 布 的 標 準 型 熱 電 偶 中 ， 還 有 鉑 銠 13-鉑 ， 分 度 號 為 “ R” 。 因 在 國 際 上只 有 少 數(shù) 國 家 采 用 ， 且 其 溫 度 范 圍 與 鉑 銠 10-鉑 重 合 ， 所 以 我

39、國 不 準 備 發(fā) 展 這 個 品 種 。5.2.2.2非 標 準 型 熱 電 偶 非 標 準 型 熱 電 偶 包 括 鉑 銠 系 、 銥 銠 系 及 鎢 錸 系 熱 電 偶 等 。 鉑 銠 系 熱 電 偶 有 鉑 銠 20-鉑 銠 5、 鉑 銠 40-鉑 銠 20等 一 些 種 類 ， 其 共 同 的 特 點 是 性 能 穩(wěn) 定 ， 適 用于 各 種 高 溫 測 量 。 銥 銠 系 熱 電 偶 有 銥 銠 40-銥 、 銥 銠 60-銥 。 這 類 熱 電 偶 長 期 使 用 的 測 溫 范 圍 在2000 以 下 ， 且 熱 電 動 勢 與 溫 度 關(guān) 系 線 性 好 。 鎢 錸 系 熱

40、電 偶 有 鎢 錸 3-鎢 錸 25、 鎢 錸 5-鎢 錸 20等種 類 。 它 的 最 高 使 用 溫 度 受 絕 緣 材 料 的 限 制 ， 目 前 可 使 用 到 2500 左 右 。 主 要 用 于 鋼 水 連 續(xù)測 溫 、 反 應(yīng) 堆 測 溫 等 場 合 。5.2.2.3 工 業(yè) 熱 電 偶 簡 介 (1） 裝 配 式 熱 電 偶 A、 主 要 技 術(shù) 參 數(shù) 測 量 范 圍 ： 熱 電 偶 能 準 確 測 出 溫 度 的 范 圍 ， 即 工 作 溫 度 有 效 范 圍 。 基 本 誤 差 限 ： 能 允 許 的 測 溫 誤 差 范 圍 。 熱 電 偶 時 間 常 數(shù) ： 也 稱 熱

41、 惰 性 ， 指 被 測 介 質(zhì) 從 某 一 溫 度 躍 遷 到 另 一 溫 度 時 ， 熱 電 偶 測 量端 的 溫 度 上 升 到 整 個 躍 遷 的 63.2%所 需 的 時 間 ， 見 表 5-7所 示 。 熱 電 偶 公 稱 壓 力 ： 一 般 是 指 在 工 作 溫 度 下 保 護 管 所 能 承 受 的 靜 態(tài) 外 壓 而 破 裂 。 熱 電 偶 最 小 插 入 深 度 ： 應(yīng) 不 小 于 其 保 護 套 管 外 徑 的 810倍 （ 特 殊 產(chǎn) 品 例 外 ） 。 絕 緣 電 阻 ： 當 周 圍 空 氣 溫 度 為 15 35 ， 相 對 濕 度 80%時 絕 緣 電 阻 5兆

42、 歐 （ 電 壓 100V） 。具 有 防 濺 式 接 線 盒 的 熱 電 偶 ， 當 相 對 溫 度 為 93 3 時 ， 絕 緣 電 阻 0.5兆 歐 （ 電 壓100V） 。 高 溫 下 的 絕 緣 電 阻 ： 熱 電 偶 在 高 溫 下 ， 其 熱 電 極 （ 包 括 雙 支 式 ） 與 保 護 管 以 及 雙支 熱 電 極 之 間 的 絕 緣 電 阻 （ 按 每 米 計 ） 應(yīng) 大 于 表 5-8規(guī) 定 的 值 。 B、 熱 電 偶 型 號 命 名 如 圖 5.2.1所 示 。 圖 52.1 熱 電 偶 型 號 命 名 示 例 圖 （ 2） 鎧 裝 熱 電 偶 鎧 裝 熱 電 偶 的

43、 工 作 原 理 是 ， 兩 種 不 同 成 份 的 導體 兩 端 經(jīng) 焊 接 ， 形 成 回 路 ， 直 接 測 溫 端 叫 工 作端 ， 接 線 端 子 端 叫 冷 端 ， 也 稱 參 比 端 。 當 工 作端 和 參 比 端 存 在 溫 差 時 ， 就 會 在 回 路 中 產(chǎn) 生 熱電 流 ， 接 上 顯 示 儀 表 ， 儀 表 上 就 會 指 示 出 熱 電偶 所 產(chǎn) 生 的 熱 電 動 勢 的 對 應(yīng) 溫 度 值 。 鎧 裝 熱 電 偶 的 熱 電 動 勢 將 隨 著 測 量 端 溫 度 升 高而 增 長 ， 熱 電 動 勢 的 大 小 只 和 熱 電 偶 導 體 材 質(zhì)以 及 兩

44、端 溫 差 有 關(guān) ， 和 熱 電 極 的 長 度 、 直 徑 無關(guān) 。 鎧 裝 熱 電 偶 熱 響 應(yīng) 時 間 ： 在 溫 度 出 現(xiàn) 階 躍 變 化時 ， 熱 電 偶 的 輸 出 變 化 至 相 當 于 該 階 躍 變 化 的50%所 得 的 時 間 稱 為 熱 響 應(yīng) 時 間 ， 用 0.5表 示 。 絕 緣 電 阻 ： 當 周 圍 空 氣 溫 度 為 20 1.5 ， 相 對濕 度 不 大 于 80%時 ， 絕 緣 型 鎧 裝 熱 電 偶 的 偶 絲與 外 套 管 之 間 的 絕 緣 電 阻 值 應(yīng) 符 合 表 5-9的 規(guī) 定 。 可 撓 度 ： 鎧 裝 熱 電 偶 的 可 撓 曲

45、率 半 徑 不 小 于 其 外 徑 的 5倍 。 （ 3） 耐 磨 熱 電 偶 在 某 些 特 殊 場 合 ， 如 化 工 廠 、 冶 煉 廠 、 發(fā) 電 廠 、 水 泥 廠 等 ， 用 普 通 熱 電 偶 、 熱 電 阻 就 極易 損 壞 。 因 此 ， 在 這 些 場 合 就 必 須 采 用 耐 磨 熱 電 偶 。 該 熱 電 偶 特 別 適 用 硫 化 床 、 磨 煤 機出 口 ， 一 次 ， 二 次 風 煤 及 水 泥 行 業(yè) 測 溫 。 特 征 ： 耐 磨 ， 同 時 耐 沖 刷 ， 耐 腐 蝕 ； 壽 命 長 ，高 溫 下 可 使 用 6個 月 以 上 ， 低 溫 下 可 使 用

46、8個 月 以 上 。 （ 4） 防 爆 熱 電 偶 工 業(yè) 用 隔 爆 熱 電 偶 是 一 種 溫 度 傳 感 器 ， 在 化 學 工 業(yè) 自 控 系 統(tǒng) 中 應(yīng) 用 極 廣 ， 通 過 溫 度 傳 感器 ， 可 將 控 制 對 象 的 溫 度 參 數(shù) 變 成 電 信 號 ， 傳 遞 給 顯 示 、 記 錄 和 調(diào) 節(jié) 儀 ， 對 系 統(tǒng) 施 行 檢測 、 調(diào) 節(jié) 和 控 制 。 在 化 工 廠 ， 生 產(chǎn) 現(xiàn) 場 常 伴 有 各 種 易 燃 、 易 爆 等 化 學 氣 體 、 蒸 汽 ， 如 果 使 用 普 通 的 熱 電偶 非 常 不 安 全 ， 極 易 引 起 環(huán) 境 氣 體 爆 炸 。

47、 因 此 ， 在 這 些 場 合 必 須 使 用 隔 爆 熱 電 偶 作 溫 度傳 感 器 ， 工 作 原 理 ： 如 果 由 兩 種 不 同 成 份 的 均 質(zhì) 導 體 (熱 電 極 )組 成 閉 合 回 路 ,當 兩 端 存 在 溫 度 梯度 時 ,回 路 中 就 有 電 流 通 過 ,那 么 兩 端 之 間 就 存 在 熱 電 勢 。 防 爆 原 理 ： 利 用 間 隙 隔 爆 原 理 ， 設(shè) 計 具 有 足 夠 強 度 的 接 線 盒 等 部 件 ， 將 所 有 會 產(chǎn) 生 火 花 、電 弧 和 危 險 溫 度 的 零 部 件 都 密 封 在 接 線 盒 內(nèi) ， 當 腔 內(nèi) 發(fā) 生 爆

48、 炸 時 ， 能 通 過 接 合 面 間 隙 熄 火 和 冷 卻 ， 使 爆 炸 后 的 火 焰 和 溫 度 不 傳 到 腔 外 。 除 以 上 介 紹 的 常 見 熱 電 偶 之 外 ， 目 前 工 業(yè) 上 廣 為 應(yīng) 用 的 還 有 多 點 熱 電 偶 、 吹 氣 熱 電偶 、 高 溫 防 腐 熱 電 偶 、 微 細 鎧 裝 熱 電 偶 、 壓 簧 固 定 熱 電 偶 、 多 點 隔 爆 熱 電 偶 、 高 溫 高 壓熱 電 偶 、 快 速 熱 電 偶 等 種 類 ， 讀 者 感 興 趣 的 話 可 以 自 行 查 閱 這 方 面 的 資 料 。 5.2.3 熱 電 偶 的 冷 端 補 償

49、 方 法 從 熱 電 效 應(yīng) 的 原 理 可 知 ， 熱 電 偶 產(chǎn) 生 的 熱 電 動 勢 與 兩 端 溫 度 有 關(guān) 。 只 有 將 冷 端 的 溫 度 恒 定 ，熱 電 動 勢 才 是 熱 端 溫 度 的 單 值 函 數(shù) 。 由 于 熱 電 偶 分 度 表 是 以 冷 端 溫 度 為 0 時 作 出 的 ， 因 此在 使 用 時 要 正 確 反 映 熱 端 溫 度 (被 測 溫 度 )， 最 好 設(shè) 法 使 冷 端 溫 度 恒 為 0 。 但 在 實 際 應(yīng) 用 中 ，熱 電 偶 的 冷 端 通 常 靠 近 被 測 對 象 ， 且 受 到 周 圍 環(huán) 境 溫 度 的 影 響 ， 其 溫

50、度 不 是 恒 定 不 變 的 。 為此 ， 必 須 采 取 一 些 相 應(yīng) 的 措 施 進 行 補 償 或 修 正 ， 常 用 的 方 法 有 以 下 幾 種 ：5.2.3.1 冷 端 恒 溫 法 A、 0 恒 溫 器 將 熱 電 偶 的 冷 端 置 于 溫 度 為 0 的 恒 溫 器 內(nèi) (如 冰 水 混 合 物 )， 使 冷 端 溫 度 處 于 0 。 這 種 裝置 通 常 用 于 實 驗 室 或 精 密 的 溫 度 測 量 。 B、 其 他 恒 溫 器 將 熱 電 偶 的 冷 端 置 于 各 種 恒 溫 器 內(nèi) ， 使 之 保 持 溫 度 恒 定 ， 避 免 由 于 環(huán) 境 溫 度 的

51、 波 動 而 引 入 誤 差 。 這 類 恒 溫 器 可 以 是 盛 有 變 壓 器 油 的 容 器 ， 利 用 變 壓 器 油 的 熱 惰 性 恒 溫 ； 也 可 以 是 電 加熱 的 恒 溫 器 。 這 類 恒 溫 器 的 溫 度 不 為 0 ， 故 最 后 還 需 對 熱 電 偶 進 行 冷 端 溫 度 修 正 。5.2.3.2 補 償 導 線 法 熱 電 偶 由 于 受 到 材 料 價 格 的 限 制 不 可 能 做 得 很 長 ， 而 要 使 其 冷 端 不 受 測 溫 對 象 的 溫 度 影 響 ，必 須 使 冷 端 遠 離 溫 度 對 象 ， 采 用 補 償 導 線 就 可 以

52、做 到 這 一 點 。 所 謂 補 償 導 線 ， 實 際 上 是 一 對材 料 化 學 成 分 不 同 的 導 線 ， 在 0 150 溫 度 范 圍 內(nèi) 與 配 接 的 熱 電 偶 有 一 致 的 熱 電 特 性 ， 但 價格 相 對 要 便 宜 。 若 我 們 利 用 補 償 導 線 ， 將 熱 電 偶 的 冷 端 延 伸 到 溫 度 恒 定 的 場 所 (如 儀 表 室 )，其 實 質(zhì) 是 相 當 于 將 熱 電 極 延 長 。 根 據(jù) 中 間 溫 度 定 律 ， 只 要 熱 電 偶 和 補 償 導 線 的 二 個 接 點 溫 度一 致 ， 是 不 會 影 響 熱 電 動 勢 輸 出

53、的 。 下 面 舉 例 說 明 補 償 導 線 的 作 用 。 采 用 鎳 鉻 -鎳 硅 熱 電 偶 測 量 爐 溫 。 熱 端 溫 度 為 800 ， 冷 端 溫 度 為 50 。 為 了 進 行 爐 溫的 調(diào) 節(jié) 及 顯 示 ， 必 須 將 熱 電 偶 產(chǎn) 生 的 熱 電 動 勢 信 號 送 到 儀 表 室 ， 儀 表 室 的 環(huán) 境 溫 度 恒 為20 。 首 先 由 鎳 鉻 -鎳 硅 熱 電 偶 分 度 表 查 出 它 在 冷 端 溫 度 為 0 ， 熱 端 溫 度 為 800 時 的 熱 電 動勢 為 E(800， 0) 33.275mV； 熱 端 溫 度 為 50 時 的 熱 電

54、動 勢 為 E(50， 0) 2.023mV； 熱 端溫 度 為 20 時 的 熱 電 動 勢 為 E(20， 0)=0.798mV。 如 果 熱 電 偶 與 儀 表 之 間 直 接 用 銅 導 線 連 接 ， 根 據(jù) 中 間 導 體 定 律 ， 輸 入 儀 表 的 熱 電 動 勢為 ： E(800， 50)=E(800， 0)-E(50， 0)=(33.277-2.022)mV=31.255mV(相 當 于 751 )。 如 果 熱 電 偶 與 儀 表 之 間 用 補 償 導 線 連 接 ， 相 當 于 將 熱 電 偶 延 伸 到 儀 表 室 ， 輸 入 儀 表 的熱 電 動 勢 為 ： E

55、(800， 20)=E(800， 0)-E(20， 0)=(33.277-0.798)mV=32.479mV(相 當 于781 )。 與 爐 內(nèi) 的 真 實 溫 度 相 差 分 別 為 ：751 -800 =-49781 -800 =-19 可 見 ， 補 償 導 線 的 作 用 是 很 明 顯 的 。 補 償 導 線 的 類 型 見 表 5-10。 表 中 ， I類 型 通 常 是 和 所 配 用 熱 電 極 相 同 的 合 金 ； 類 型通 常 是 和 所 配 熱 電 極 不 相 同 的 合 金 。 補 償 導 線 型 號 按 產(chǎn) 品 品 種 劃 分 為 ： SC、 KC、 KX、 EX、

56、 JX、 TX等 ， 具 體 見 表 5-11所 示 。 補償 導 線 的 等 級 標 志 見 表 5-12所 示 。 其 中 ： a.型 號 頭 一 個 字 母 與 配 用 熱 電 偶 的 分 度 號 相 對 應(yīng) 。 b.字 母 “ X” 表 示 延 伸 型 補 償導 線 。 c.字 母 “ C” 表 示 補 償 型 補 償 導 線 。 補 償 導 線 技 術(shù) 數(shù) 據(jù) ： a.熱 電 動 勢 及 允 差 值 見 表 5-13所 示 ： b.補 償 導 線 的 防 潮 試 驗 的 絕 緣 電 阻 在 40 水 中 24h后 不 大 于 （ 10m） 25M 。 c.補 償 導 線 耐 熱 老

57、化 溫 度 在 200 5 ， 24h前 后 進 行 5倍 外 徑 卷 繞 試 驗 ， 經(jīng) 電 壓500V/1min亦 不 擊 穿 。 d.補 償 導 線 技 術(shù) 依 據(jù) 符 合 IEC584-3 標 準 ， 普 通 的 符 合 GB4989-85 標 準 。5.2.3.3 計 算 修 正 法 上 述 兩 種 方 法 解 決 了 一 個 問 題 ， 即 設(shè) 法 使 熱 電 偶 的 冷 端 溫 度 恒 定 。 但 是 ， 冷 端 溫 度 并非 一 定 為 0 ， 所 以 測 出 的 熱 電 動 勢 還 是 不 能 正 確 反 映 熱 端 的 實 際 溫 度 。 為 此 ， 必 須 對溫 度 進

58、行 修 正 。 修 正 公 式 如 下 (5-2-1) 式 中 ， EAB(t， t0)為 熱 電 偶 熱 端 溫 度 為 t， 冷 端 溫 度 為 0 時 的 熱 電 動 勢 ； EAB(t， t1)為熱 電 偶 熱 端 溫 度 為 t， 冷 端 溫 度 為 t1時 的 熱 電 動 勢 ； EAB(t1， t0)為 熱 電 偶 熱 端 溫 度 為 t1，冷 端 溫 度 為 0 時 的 熱 電 動 勢 。 例 如 ， 用 鎳 鉻 -鎳 硅 熱 電 偶 測 爐 溫 ， 當 冷 端 溫 度 為 30 (且 為 恒 定 時 )， 測 出 熱 端 溫 度為 t時 的 熱 電 動 勢 為 39.17mV

59、， 求 爐 子 的 真 實 溫 度 。 由 鎳 鉻 -鎳 硅 熱 電 偶 分 度 表 查 出 E(30， 0)=1.203mV根 據(jù) 式 (5-2-1)計 算 出 再 通 過 分 度 表 查 出 其 對 應(yīng) 的 實 際 溫 度 為 ： t=977 )t,(tE)t(t,E)t(t,E 01AB1AB0AB 5.2.3.4 電 橋 補 償 法 計 算 修 正 法 雖 然 很 精 確 ， 但 不 適 合 連 續(xù) 測 溫 。 為 此 ， 有 些儀 表 的 測 溫 線 路 中 帶 有 補 償 電 橋 ， 利 用 不 平 衡 電 橋 產(chǎn) 生 的 電動 勢 補 償 熱 電 偶 因 冷 端 波 動 引 起

60、的 熱 電 動 勢 的 變 化 。 下 面 以DBW型 溫 度 變 送 器 的 輸 入 回 路 為 例 加 以 說 明 。 DBW型 溫 度 變 送 器 ， 能 與 各 種 常 用 熱 電 偶 配 合 使 用 ， 將 溫度 參 數(shù) 轉(zhuǎn) 換 成 0 10mA直 流 電 流 統(tǒng) 一 信 號 。 其 熱 電 偶 輸 入 回路 的 簡 化 圖 見 圖 5.2.2。 + +- Ut e R1 R2R3 R4R CM R5 I1 I2I 圖 5.2.2 電 橋 補 償 法 圖 中 ， e為 熱 電 偶 產(chǎn) 生 的 熱 電 動 勢 ， U為 回 路 的 輸 出 電 壓 。 回 路 中 串 接 了 一 個 補

61、 償 電 橋 。R1-R5及 RCM均 為 橋 臂 電 阻 。 RCM是 用 漆 包 銅 絲 繞 制 成 的 ， 它 和 熱 電 偶 的 冷 端 感 受 同 一 溫 度 。R 1-R5均 用 錳 銅 絲 繞 成 ， 阻 值 穩(wěn) 定 。 在 橋 路 設(shè) 計 時 ， 使 R1=R2， 并 且 R1、 R2的 阻 值 要 比 橋 路 中其 他 電 阻 大 得 多 。 這 樣 ， 即 使 電 橋 中 其 他 電 阻 的 阻 值 發(fā) 生 變 化 ， 左 右 兩 橋 臂 中 的 電 流 卻 差不 多 保 持 不 變 ， 從 而 認 為 其 具 有 恒 流 特 性 。 線 路 設(shè) 計 使 得 I1=I2=I

62、/2=0.5mA。 回 路 輸 出 電 壓 U為 熱 電 偶 的 熱 電 動 勢 e、 橋 臂 電 阻 RCM的 壓 降 URCM及 另 一 橋 臂 電 阻 R5的 壓 降 UR5三 者 的 代 數(shù) 和 ： 當 熱 電 偶 的 熱 端 溫 度 一 定 ， 冷 端 溫 度 升 高 時 ， 熱 電 動 勢 將 會 減 小 。 與 此 同 時 ， 銅 電 阻 RCM的阻 值 將 增 大 ， 從 而 使 URCM增 大 ， 由 此 達 到 了 補 償 的 目 的 。 自 動 補 償 的 條 件 應(yīng) 為 （ 5-2-2）式 中 ， e為 熱 電 偶 冷 端 溫 度 變 化 引 起 的 熱 電 動 勢 的

63、 變 化 ， 它 隨 所 用 的 熱 電 偶 材 料 不 同 而 異 ；I 1為 流 過 RCM的 電 流 ， 即 0.5mA； 為 銅 電 阻 RCM的 溫 度 系 數(shù) ， 一 般 取 0.0039 1/ ； t為 熱 電偶 冷 端 溫 度 的 變 化 范 圍 。 R5RCM U-UeU tRIe CM1 現(xiàn) 假 設(shè) 熱 電 偶 的 冷 端 溫 度 變 化 范 圍 為 0+50 ， 材 料 采 用 鉑 銠 10-鉑 。 查 分 度 表 得 出 e為0.299mV， 因 此 補 償 電 阻 RCM的 阻 值 可 以 根 據(jù) 式 (5-2-2)求 出 用 同 樣 的 方 法 可 以 求 出 采

64、用 鎳 鉻 鎳 硅 熱 電 偶 時 RCM約 為 20 。 需 要 說 明 的 是 ， 熱 電 偶 所 產(chǎn) 生 的 熱 電 動 勢 與 溫 度 之 間 的 關(guān) 系 是 非 線 性 的 ， 每 變 化 1 所 產(chǎn) ，生 的 毫 伏 數(shù) 并 非 都 相 同 ， 但 補 償 電 阻 RCM的 阻 值 變 化 卻 與 溫 度 變 化 成 線 性 關(guān) 系 。 因 此 ， 這 種補 償 方 法 是 近 似 的 。 但 在 實 際 使 用 時 ， 由 于 熱 電 偶 冷 端 溫 度 變 化 范 圍 不 會 太 大 ， 這 種 補 償方 法 常 被 采 用 。 5.2.3.5 顯 示 儀 表 零 位 調(diào) 整

65、法 當 熱 電 偶 通 過 補 償 導 線 連 接 顯 示 儀 表 時 ， 如 果 熱 電 偶 冷 端 溫 度 已 知 且 恒 定 時 ， 可 預 先 將 有 零 位 調(diào) 整 器 的 顯 示 儀 表 的 指 針 從 刻 度 的 初 始 值 調(diào) 至 已 知 的 冷 端 溫 度 值 上 ， 這 時 顯 示 儀表 的 示 值 即 為 被 測 量 的 實 際 溫 度 值 。 3 50299.00.50.00391 )te(I1R 1CM 5.2.4 熱 電 偶 測 溫 線 路 熱 電 偶 測 溫 線 路 常 見 形 式 如 下 ：5.2.4.1 測 量 某 一 點 的 溫 度 圖 5.2.3a、 b都

66、 是 一 支 熱 電 偶 和 一 個 儀 表 配 用 的 連 接 電 路 ， 用 于 測 量 某 一 點 的 溫 度 。 AB為熱 電 偶 ， 為 補 償 導 線 。 這 兩 種 連 接 方 式 的 區(qū) 別 在 于 ： 圖 5.2.3a中 的 熱 電 偶 冷 端 被 延 伸 到 儀 表 內(nèi) ， 圖 5.2.3b中 的熱 電 偶 冷 端 在 儀 表 外 面 ， RD為 連 接 冷 端 與 儀 表 的 導 線 電 阻 。 5.2.4.2 測 量 兩 點 之 間 的 溫 度 差 圖 5.2.4是 用 兩 支 熱 電 偶 和 一 個 儀 表 配 合 測 量 兩 點 之 間 溫 差 的 線 路 。 圖 中 用 了 兩 支 型 號相 同 的 熱 電 偶 并 配 用 相 同 的 補 償 導 線 。 工 作 時 ， 兩 支 熱 電 偶 產(chǎn) 生 的 熱 電 動 勢 方 向 相 反 ， 故輸 入 儀 表 的 是 其 差 值 ， 這 一 差 值 正 反 映 了 兩 支 熱 電 偶 熱 端 的 溫 差 。 為 了 減 少 測 量 誤 差 ， 提高 測 量 精 度 ， 要 盡 可 能 選 用 熱 電 特 性 一