热电偶测温实验

一、实验目的：

了解K型热电偶的特性与应用

二、实验仪器：

智能调节仪、PT100、K型热电偶/E行热电偶、温度源、温度传感器实验模块。

三、实验原理：

热电偶传感器的工作原理

热电偶是一种使用最多的温度传感器，它的原理是基于1821年发现的塞贝克效应，即两种不同的导体或半导体A或B组成一个回路，其两端相互连接，只要两节点处的温度不同，一端温度为T，另一端温度为T₀，则回路中就有电流产生，见图1（a），即回路中存在电动势，该电动势被称为热电势。

                 图1（a）                          图1（b）          

两种不同导体或半导体的组合被称为热电偶。

当回路断开时，在断开处a，b之间便有一电动势E_T，其极性和量值与回路中的热电势一致，见图1（b），并规定在冷端，当电流由A流向B时，称A为正极，B为负极。实验表明，当E_T较小时，热电势E_T与温度差（T-T₀）成正比，即

            E_T=S_AB（T-T₀）                                   （1）

S_AB为塞贝克系数，又称为热电势率，它是热电偶的最重要的特征量，其符号和大小取决于热电极材料的相对特性。

热电偶的基本定律：

（1）均质导体定律

由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的截面积和长度如何，也不论各处的温度分布如何，都不能产生热电势。

（2）中间导体定律

用两种金属导体A，B组成热电偶测量时，在测温回路中必须通过连接导线接入仪表测量温差电势E_AB（T，T₀），而这些导体材料和热电偶导体A，B的材料往往并不相同。在这种引入了中间导体的情况下，回路中的温差电势是否发生变化呢？热电偶中间导体定律指出：在热电偶回路中，只要中间导体C两端温度相同，那么接入中间导体C对热电偶回路总热电势E_AB（T，T₀）没有影响。

（3）中间温度定律

如图29-2所示，热电偶的两个结点温度为T₁，T₂时，热电势为E_AB（T₁，T₂）；两结点温度为T₂，T₃时，热电势为E_AB（T₂，T₃），那么当两结点温度为T₁，T₃时的热电势则为

E_AB（T₁，T₂）+ E_AB（T₂，T₃）=E_AB（T₁，T₃）                     （2）

式（2）就是中间温度定律的表达式。譬如：T₁=100℃，T₂=40℃，T₃=0℃，则

E_AB（100，40）+E_AB（40，0）=E_AB（100，0）                    （3）

图29-2

热电偶的分度号

热电偶的分度号是其分度表的代号（一般用大写字母S、R、B、K、E、J、T、N表示）。它是在热电偶的参考端为0℃的条件下，以列表的形式表示热电势与测量端温度的关系。

四、实验内容与步骤

1．重复实验二十六，将温度控制在50⁰C，在另一个温度传感器插孔中插入K型/E型热电偶温度传感器。

图3

2．将±15V直流稳压电源接入温度传感器实验模块中。温度传感器实验模块的输出Uo2接主控台直流电压表。

3．将温度传感器模块上差动放大器的输入端Ui短接，调节Rw4到最大位置，再调节电位器Rw3使直流电压表显示为零。

4．拿掉短路线，按图3接线，并将K型热电偶的两根引线，热端（红色）接a，冷端（绿色）接b；记下模块输出Uo2的电压值。

5．改变温度源的温度每隔5⁰C记下Uo2的输出值。直到温度升至120⁰C。并将实验结果填入下表

五、实验报告

      1．根据表29-1的实验数据，作出U_O2-T曲线，分析K型热电偶的温度特性曲线，计算其非线性误差。

2．根据中间温度定律和K型/E型热电偶分度表，用平均值计算出差动放大器的放大倍数A。

附 表1-1  E型热电偶分度表（分度号：E，单位：mV）

附  表1-2  K型热电偶分度表（分度号：K，单位：mV）

 

第二篇：热电偶测温的应用研究

热电偶测温的应用研究

摘要：温度是表征物体冷热程度的物理量，是工业生产和科学实验中最普通、最重要的热工参数之一。物体的许多物理现象和化学性质都与温度有关，许多生产过程均是在一定的温度范围内进行的。因此，温度的测量是保证生产正常进行、确保产品质量和安全生产关键环节。本文主要研究热电偶的测温原理及应用。

关键词：热电偶；帕尔帖定理；三大定律

1、测温原理

两种电子密度不同的导体构成闭合回路,如果两接头的温度不同,回路中就有电流产生,这种现象成为热电现象,相应的电动势成为温差电势或热电势,它与温度有一定的函数关系,利用此关系就可测量温度。这种现象包含的原理有: 帕尔帖定理----不同材料结合在一起,在其结合面产生电势；汤姆逊定理---由温差引起的电势。
   当组成热电偶的导体材料均匀时,其热电势的大小与导体本身的长度和直径大小无关,只与导体材料的成分及两端的温度有关。因此,用各种不同的导体或半导体可做成各种用途的热电偶,以满足不同温度对象测量的需要。

从热电偶测温原理我们总结出三大定律：

a.均匀导体定律，由单一均质金属所形成之封闭回路，沿回路上每一点即使改变温度也不会有电流产生；由两种均质金属材料A与B所形成的热电偶回路中，热电势E与接点处温度t₁、t₂的相关函数关系，不受A与B之中间温度之影响。

b.中间金属定律，在由A与B所形成之热电偶回路两接合点以外的任意点插入均质的第三金属C，C之两端接合点之温度t₃若为相同的话，E不受C插入之影响；在由A与B所形成之热电偶回路，将A与B的接合点打开并插入均质的金属C时，A与C接合点的温度与打开前接合点的温度相等的话，E不受C插入的影响。

c.中间温度定律，任意数的异种金属所形成的封闭回路，封闭回路之全体或是全部的接合点保持在相等的温度时，此回路的电势为零。

2、热电偶的结构
    热电偶是有两根不同导体(或称电极)构成的.这两根导体一端焊接在一起,成为热端(或称工作端),测温时将此端处于被测介质中。另一端称为冷端(或自由端),接入二次仪表(显示仪表)或电测设备。
    a.普通型热电偶:是应用最多的,主要用来测量气体、蒸汽和液体等介质的温度。根据测温范围及环境的不同,所用的热电偶电极和保护套管的材料也不同,但因使用条件基本类似,所以这类热电偶已标准化、系列化。按其安装时的连接方法可分为螺纹连接合法兰连接两种。
    b.铠装热电偶:又称缆式热电偶,是由热电极(多数采用的是铂丝,也有用镍丝的)、绝缘材料(通常为氧化镁粉末)和金属保护管三者结合,经拉制而成一个坚实的整体。铠装热电偶有单支(双芯)和双支(四芯)之分,其测量端有露头型、接壳型和绝缘型三种基本形式。

3、热电偶安装及注意事项

a.在管道安装中，感温元件的工作端应置于管道中流速最大处。热电偶的保护套管的末端应越过流束中心线5~10mm。

b.感温元件与被测介质形成逆流，应迎着气流流向插入，至少应与被测介质流束方向成90°。特别情况下也不能顺流安装测温元件，否则会产生测温误差。

c. 插深一般不应小于300mm，如果插入深度不够，外露部分又空气流通，这样所测出的温度比实际温度低3~4度。

d.在测温元件安装时，应防止电磁场干扰的引入而影响准确测量。在接线时一定要确保良好接触，拧紧空心螺栓，然后盖紧接线盒盖子，对不得不露在空中的热电偶最好加防雨措施，以防雨淋损坏元件。为保护补偿导线不受外来的机械损伤和由于外磁场而造成对仪表的影响，补偿导线应加以屏蔽，并且不准有曲折迂回的情况。

e.热电偶和热电阻应尽量垂直装在水平或垂直管道上，安装时应有保护套管，以方便检修和更换。

f.测量管道内温度时，元件长度应在管道中心线上（即保护管插入深度应为管径的一半）。

g.热电偶的冷端应处在同一环境温度下，应使用同型号的补偿导线，且正负要接对。

h.高温区使用耐高温电缆或耐高温补偿线。

4、冷端温度补偿

    在工业上使用时要使冷端保持在零度比较困难，所以必须根据不同的使用条件和要求的测量精度对热电偶冷端温度采用一些不同的处理办法，主要有以下几种。

   a.冰点槽法，就是把热电偶的冷端放入冰水混合物容器里，使T0=0℃。这种办法仅限于在科学实验中使用。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。

b.计算修正法，就是用普通室温计算出冷端实际温度TH，利用公式计算：

EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)

c.补正系数法，把冷端实际温度TH乘上系数k，加到由EAB(T,TH)查分度表所得的温度上，成为被测温度T。用公式表达即：T= T′+ k×TH，式中：T—为未知的被测温度； T′—为参考端在室温下热电偶电势与分度表上对应的某个温度；TH—室温； k—为补正系数。

d.零点迁移法，应用中如果冷端不是0℃，但十分稳定(如恒温车间或有空调的场所)。实质上是在测量结果中人为地加一个恒定值，因为冷端温度稳定不变，电动势是常数，利用指示仪表上调整零点的办法，加大某个适当的值而实现补偿。

e.补偿器法，利用不平衡电桥产生热电势补偿热电偶因冷端温度变化而引起热电势的变化值。

f.软件处理法，对于计算机系统，不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。例如冷端温度恒定但不为0℃的情况，只需在采样后加一个与冷端温度对应的常数即可。

5、常见故障分析

参考文献：

[1]乐嘉谦.化工仪表维修工.北京:化学工业出版社,2004

[2]王森,朱炳兴.仪表工习题集.北京:化学工业出版社,2002.5

[3]乐嘉谦.仪表工手册.第2版.北京:化学工业出版社,2003

[4]栾桂东,金欢阳.传感器及应用.西安:西安电子科技大学出版社,2002