熱電偶測溫原理及熱電極材料演示文稿現(xiàn)在是1頁\一共有55頁\編輯于星期二（優(yōu)選）熱電偶測溫原理及熱電極材料現(xiàn)在是2頁\一共有55頁\編輯于星期二1、熱電偶是什么東西？兩個問題：1）熱電偶是什么東西？2）熱電偶是如何起源的？現(xiàn)在是3頁\一共有55頁\編輯于星期二第一個故事：珀爾帖1834年，法國鐘表匠珀爾帖將兩種電子數(shù)密度不同的金屬材料連接在一起，發(fā)現(xiàn)一個問題：現(xiàn)在是4頁\一共有55頁\編輯于星期二珀爾帖實驗結(jié)論：當(dāng)兩個結(jié)點溫度不相同時，回路中將產(chǎn)生電動勢。

熱電極A自由端（參考端、冷端）

測量端（工作端、熱端）

熱電極B熱電勢AB現(xiàn)在是5頁\一共有55頁\編輯于星期二接觸電勢(珀爾帖電勢)珀爾帖電動勢的數(shù)量級在10－1－10－3V之間，其數(shù)值大小除與金屬材料有關(guān)外，還與溫度有關(guān)，表示為：珀爾帖效應(yīng)不是一種接觸現(xiàn)象，與接點的接觸情況毫無關(guān)系，只是由材料的固有性質(zhì)決定的。現(xiàn)在是6頁\一共有55頁\編輯于星期二接觸電勢假設(shè)NA>NB，則由于電子數(shù)密度梯度的存在而發(fā)生擴散現(xiàn)象：由A向B擴散,A失去電子帶正電,B得到電子帶負(fù)電,從而在接觸面之間形成電場E。現(xiàn)在是7頁\一共有55頁\編輯于星期二回路中的接觸電勢現(xiàn)在是8頁\一共有55頁\編輯于星期二第二個故事：湯姆遜效應(yīng)1854年，湯姆遜發(fā)現(xiàn)，同一種金屬如存在溫度梯度，如1處溫度T0,2處溫度T0＋⊿T，則溫度高端自由電子動能大,會向溫度低端移動，產(chǎn)生電動勢,稱為湯姆遜電勢（開爾文），其值的大小為兩端溫度的函數(shù)：現(xiàn)在是9頁\一共有55頁\編輯于星期二第三個：塞貝克效應(yīng)

seeback材料和溫度都不同。1821年，德國醫(yī)生塞貝克將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B連接起來，構(gòu)成一個閉合回路（如右圖所示），當(dāng)兩接點溫度不同時，回路中將有電流流動，此電流稱為熱電流。由于回路中的電流太小，當(dāng)時塞貝克無法檢知。

現(xiàn)在是10頁\一共有55頁\編輯于星期二塞貝克電動勢塞貝克電動勢塞貝克系數(shù)SAB現(xiàn)在是11頁\一共有55頁\編輯于星期二對于金屬熱電極來說，因自由電子濃度很高，兩端溫差不會明顯改變兩端電子濃度差異，因此可以忽略單一導(dǎo)體的溫差電勢。已知條件AB現(xiàn)在是12頁\一共有55頁\編輯于星期二EAB(T2,T1)－熱電偶的電動勢；EAB(T2)－溫度為T2端的電動勢（工作端，感溫端）；EAB(T1)－溫度為T1端的電動勢（連接儀表端，參比端，冷端），將熱電偶的一個接點保持在一個恒定不變的溫度T1，則熱電偶的電動勢僅隨另一個接點的溫度T2的變化而變化，也就是說，此時熱電偶的電動勢是溫度T的單值函數(shù)。現(xiàn)在是13頁\一共有55頁\編輯于星期二2、熱電偶基本原理熱電偶定義：由兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連接起來，用來測量溫度的元件，稱為熱電偶。這兩種導(dǎo)體稱為熱電極。熱電偶測溫方法：（1）1823年，物理學(xué)家貝克勒爾0－300℃Fe-Cu回路（2）列·卡特列爾使熱電偶成為一種真正適用的高溫計，500度左右的高溫時采用PtRh10-Pt（鉑銠－鉑）熱電回路。貴金屬現(xiàn)在是14頁\一共有55頁\編輯于星期二注意事項:（1）熱電偶并不是測量接點的溫度T2，而是測量的溫度差T2-T1。（2）熱電偶回路熱電動勢的大小只與組成熱電偶的材料及兩端的溫度有關(guān)，而與熱電偶絲（偶絲）的幾何形狀（長短粗細）無關(guān)。（3）材料不同或接觸點溫度不同才有熱電動勢。現(xiàn)在是15頁\一共有55頁\編輯于星期二注意事項：(4）接觸電勢與溫差電勢相比要大得多。因而熱電偶回路的總熱電動勢由接觸電動勢大小確定。(5）熱電偶的極性由金屬材料的電子數(shù)密度大小確定，電子數(shù)密度大的金屬導(dǎo)體為正極。(6）當(dāng)熱電偶的兩個熱電極材料已知時，在實驗室中精確測定熱電偶的E-T特性程度為分度。現(xiàn)在是16頁\一共有55頁\編輯于星期二現(xiàn)在是17頁\一共有55頁\編輯于星期二3、熱電偶回路基本性質(zhì)3.1均質(zhì)回路定律3.2中間導(dǎo)體定律3.3中間溫度定律有了基本原理后如何運用？現(xiàn)在是18頁\一共有55頁\編輯于星期二3.1均質(zhì)回路定律均質(zhì)回路定律:由一種均質(zhì)材料組成的閉合回路，不論材料長度方向各處溫度如何分布（依靠局部加熱或冷卻或改變其橫截面積），回路中均不產(chǎn)生熱電勢。現(xiàn)在是19頁\一共有55頁\編輯于星期二均質(zhì)回路定律作用：作用：檢驗材料的均勻性。（1）加熱雜質(zhì)段與均質(zhì)段的交接處，則回路中會產(chǎn)生熱電動勢。（2）熱電偶急冷急熱，熱電極材料晶粒粗大，產(chǎn)生不均勻性。組成熱電偶的兩種材料必須各自都是均質(zhì)的,否則會由于沿?zé)犭娕奸L度方向存在溫度梯度而產(chǎn)生附加電勢，從而因熱電偶材料不均引入誤差。現(xiàn)在是20頁\一共有55頁\編輯于星期二3.2中間導(dǎo)體定律：測溫在熱電偶回路中插入第三種（或多種）均質(zhì)材料，只要所插入的材料兩端連接點溫度相同，則所插入的第三種材料不影響原回路的熱電勢，即熱電偶產(chǎn)生的電動勢保持不變。現(xiàn)在是21頁\一共有55頁\編輯于星期二假設(shè)T=T0現(xiàn)在是22頁\一共有55頁\編輯于星期二中間導(dǎo)體定律作用：拉線（1）在熱電偶回路中可拉入測量熱電勢的儀表和導(dǎo)線，只要保持兩端接點的溫度相同，不影響回路測量結(jié)果。（2）熱電偶的接點不僅可經(jīng)焊接而成，也可以借用均質(zhì)等溫的導(dǎo)體加以連接。(對于不易焊接的兩極)現(xiàn)在是23頁\一共有55頁\編輯于星期二3.3中間溫度定律：補償導(dǎo)線

中間溫度定律:兩種不同材料組成的熱電偶回路，其接點溫度分別為T0和T2時的熱電勢EAB(T0,T2)等于“兩個”熱電偶在連接點溫度為(T0,T1)和(T1,T2)時相應(yīng)的熱電勢EAB(T0,T1)和EAB(T1,T2)的代數(shù)和，其中T1為中間溫度。假設(shè)A和A‘不是一種材料！T0為被測溫度，T大于T1,T1大于T2！現(xiàn)在是24頁\一共有55頁\編輯于星期二中間溫度定律現(xiàn)在是25頁\一共有55頁\編輯于星期二中間溫度定律的應(yīng)用:補償導(dǎo)線使用成為可能，避免貴金屬大量使用。當(dāng)熱電偶冷端（參比端）溫度T1不為0℃時，且T1已知，仍可以采用熱電偶分度表求得被測溫度T2值。例1現(xiàn)在是26頁\一共有55頁\編輯于星期二例1：冷端溫度為20℃，熱電偶為鉑銠－鉑，毫伏表測得的電動勢為0.3毫伏，求被測物體的溫度。已知條件：E1=0.3毫伏，T1=20℃,T2=0℃，求T0=?解：查表，E2=0.113毫伏，則E=E1＋E2=0.413毫伏。查表T0=67℃。前提條件：冷端溫度用其他辦法測出來。現(xiàn)在是27頁\一共有55頁\編輯于星期二例2：鎳鉻－鎳硅熱電偶，A’B’為補償導(dǎo)線，Cu為銅導(dǎo)線，已知接線盒1的溫度t1=40℃,t2=0℃，t3=20℃。當(dāng)Ux＝39.314mV時，計算被測點溫度tx。如果A’B’換成銅導(dǎo)線，此時Ux＝37.701mV，求tx

。txA’B’說明：補償導(dǎo)線在溫度較低時（100度）其電子數(shù)目與偶絲一樣！現(xiàn)在是28頁\一共有55頁\編輯于星期二說明：采用不同導(dǎo)線測同一溫度，熱電勢不相等。現(xiàn)在是29頁\一共有55頁\編輯于星期二4、熱電極材料基本要求理論上任何兩種導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）材料都可以組配成熱電偶，但是要制成使用的測溫元件，熱電極材料必須具有一定的要求：（1）熱電極材料之間的熱電動勢應(yīng)足夠大，并且隨溫度呈單值函數(shù)變化。（2）熱電極材料的熔點應(yīng)足夠高，以便配成的熱電偶能在較寬的溫度范圍內(nèi)工作。熱電偶最高使用溫度比熱電極材料的熔點低50－150℃。現(xiàn)在是30頁\一共有55頁\編輯于星期二（3）熱電極材料應(yīng)具有良好的高溫抗氧化性和抗環(huán)境介質(zhì)的腐蝕性。（4）熱電極材料的熱電特性在使用過程中或分度時應(yīng)穩(wěn)定不變。（5）熱電極材料應(yīng)具有良好的塑性和足夠高的機械強度，以利于加工成絲材。熱電極材料基本要求熱電極材料特殊要求現(xiàn)在是31頁\一共有55頁\編輯于星期二

第一種方法：互相搭配

按材料的絕對熱電動勢特性選配I:導(dǎo)體A和B的塞貝克系數(shù)SAB與導(dǎo)體A和B自身的絕對熱電動勢SA、SB之間存在如下的關(guān)系：SAB＝SA－SB，因此配對材料應(yīng)選擇具有相反符號的，量值大的SA和SB。II:導(dǎo)體A和B的絕對熱電動勢率隨溫度變化的曲線斜率要求相等。線性！現(xiàn)在是32頁\一共有55頁\編輯于星期二第二種方法：與參照物搭配

按參比電極定律選配

參比電極定律：若導(dǎo)體A和B分別與某個參比熱電極C組成熱電偶，當(dāng)兩接點溫度都在T0和T時，則所產(chǎn)生的熱電動勢為EAC和EBC。EAB（T0，T）＝EAC（T0，T）－EBC（T0，T）現(xiàn)在是33頁\一共有55頁\編輯于星期二按參比電極定律選配

當(dāng)用導(dǎo)體A和B直接配對熱電偶，其兩接點的溫度也在同樣的溫度T0和T時，所產(chǎn)生的熱電動勢EAB為上述兩種熱電偶的熱電動勢之差。EAB（T0，T）＝EAC（T0，T）－EBC（T0，T）現(xiàn)在是34頁\一共有55頁\編輯于星期二參比電極定律的作用參比電極的使用簡化了熱電極的選配工作。只要獲得有關(guān)熱電極與標(biāo)準(zhǔn)電極（鉑電極）配對的熱電勢，那么任何兩種熱電極配對時的熱電勢便可以通過公式求得，而不需重新進行測定。標(biāo)準(zhǔn)電極：純度非常高的鉑作為參比電極，Pt-67。現(xiàn)在是35頁\一共有55頁\編輯于星期二世界上僅南非和俄羅斯出產(chǎn)。

鉑金的抗氧化能力強，熔點高；良好的催化劑，被廣泛用于汽車尾氣排放裝置；任何人的皮膚對鉑金都不會有過敏現(xiàn)象，可做成電極用于電子脈沖調(diào)節(jié)器；可用于制造潛水深度達200米的深水手表。Pt900代表純鉑含量高達90％的鉑金首飾。Pt-27是27號熔鉑爐煉出的鉑材料，到了60年代材料用竭。Pt-67年代名，其純度99.999%

。

鉑金常識現(xiàn)在是36頁\一共有55頁\編輯于星期二5、標(biāo)準(zhǔn)熱電偶標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。現(xiàn)在是37頁\一共有55頁\編輯于星期二5.1熱電偶的國際標(biāo)準(zhǔn)國際上規(guī)定熱電偶分為八個不同的分度，分別為B，R，S，K，N，E，J和T，其測量溫度的最低可測零下270攝氏度，最高可達1800攝氏度。其中B，R，S屬于鉑系列的熱電偶，由于鉑屬于貴重金屬，所以他們又被稱為貴金屬熱電偶，而剩下的幾個則稱為廉價金屬熱電偶。寫法：BP/BN現(xiàn)在是38頁\一共有55頁\編輯于星期二貴金屬熱電偶優(yōu)點：高溫下使用；物理性能穩(wěn)定；測量精度高；便于復(fù)制；熔點高。缺點：材料成本高；靈敏度低（熱電勢低！）。還原性氣氛、侵蝕性氣氛、金屬蒸汽易斷絲。S:鉑銠10-鉑R:鉑銠13-鉑B:鉑銠30-鉑銠6現(xiàn)在是39頁\一共有55頁\編輯于星期二貴金屬熱電偶銠的好處：鉑銠合金對鉑的熱電動勢隨著合金中銠的含量增加而迅速增加，但到一定程度后（銠含量大于40％后），合金的熱電動勢卻不會再變化。但銠會擴散到鉑級，或者作為氧化物揮發(fā)出去！銠的缺點：隨著銠含量的增加，鉑銠合金的加工性變壞（需要熱加工或頻繁進行中間退火處理才能拉成絲），目前含銠量以30％為限。現(xiàn)在是40頁\一共有55頁\編輯于星期二（1）S型：鉑銠10-鉑系列最早開始使用的熱電偶!1890年優(yōu)點：性質(zhì)穩(wěn)定，精度高，抗氧化能力強，在空氣或真空環(huán)境中，S型熱電偶能在1400℃下連續(xù)使用；在1750℃下可以使用它進行短時間的測量。長期工作溫度1300℃

。800度以上缺點：熱電特性非線性嚴(yán)重高溫下易升華與再結(jié)晶。現(xiàn)在是41頁\一共有55頁\編輯于星期二（3）B型：鉑銠30-鉑銠6系列1953年測量高溫的比較理想的熱電偶，可連續(xù)用于0－1800℃溫區(qū)，能在氧化性或惰性氣氛中使用。優(yōu)點：（1）不會出現(xiàn)銠擴散；（2）不易發(fā)生大結(jié)晶化的現(xiàn)象；（3）機械性能好，長期使用后熱電動勢下降的趨勢也不明顯。缺點：熱電動勢和靈敏度不如S型和R型熱電偶（尤其在低溫范圍），價格貴。特點：在0－50℃范圍內(nèi)熱電動勢很小（50℃時為3微伏）,冷端不為0度時可不補償。現(xiàn)在是42頁\一共有55頁\編輯于星期二（4）K型：鎳鉻（9：1）-鎳硅（97：3）1906年工業(yè)使用最廣泛的一種，優(yōu)點：1）具有較好的抗氧化性能，廣泛應(yīng)用于500－1300℃的測溫范圍；2）0－1100℃之間的熱電動勢與溫度的關(guān)系幾乎是線性的，使得顯示儀表的刻度均勻；3）熱電動勢大，靈敏度比較高；P2724）熱導(dǎo)率低；5）便宜，工業(yè)中廣泛使用（1000℃以上取代S型）。現(xiàn)在是43頁\一共有55頁\編輯于星期二（4）K型：缺點1）對應(yīng)力敏感；2）不適用于還原性氣氛或者交替氧化和還原的氣氛中；3）不適用于硫氣氛中以及真空中；

含硫氣氛對電極有腐蝕作用真空氣氛會使正極（鎳鉻）中的鉻優(yōu)先蒸發(fā)，使得分度特性變化4）精度較鉑銠－鉑熱電偶低。現(xiàn)在是44頁\一共有55頁\編輯于星期二Ni-Cr合金：K狀態(tài)、擇優(yōu)氧化K狀態(tài)是Ni－Cr合金特有的晶格變化，當(dāng)Cr含量在5－30%范圍內(nèi)、溫度為300－500℃時存在原子晶格有序向無序轉(zhuǎn)變，引起熱電動勢不穩(wěn)定！擇優(yōu)氧化：Ni—Cr合金在800℃左右氧分壓較低時同O2親和力大的Cr，將發(fā)生選擇性氧化，Cr含量降低會引起熱電勢偏低。現(xiàn)在是45頁\一共有55頁\編輯于星期二（5）N型：鎳鉻硅-鎳硅鎂

1971年分度表與K型熱電偶相近，但抗氧化性和穩(wěn)定性大幅提高。名義成分是：正極為14.2%Cr，1.4%Si，余量是Ni；負(fù)極為4.4%Si，0.1Mg，余量為Ni。克服K型熱電偶兩個缺點：K狀態(tài)、擇優(yōu)氧化增加了稀土金屬La、Ce、Y、Ca，使合金絲的高溫抗氧化性和熱穩(wěn)定性有明顯地提高。N型熱電偶的長期穩(wěn)定性遠優(yōu)于K型熱電偶，成為可用于－50－1300℃的優(yōu)秀的廉價金屬熱電偶。（國際標(biāo)準(zhǔn)熱電偶）現(xiàn)在是46頁\一共有55頁\編輯于星期二（6）E型：鎳鉻（9：1）-銅鎳（康銅）適用于－200－900℃溫區(qū)的氧化性或惰性氣氛中的溫度測量。低溫爐廣泛使用熱電動勢最大、靈敏度最高，制成熱電堆，測量微小的溫度變化。可用于核反應(yīng)堆！福島核電站適宜濕度較高度環(huán)境，適宜核輻射環(huán)境（熱電特性穩(wěn)定），不適宜于還原性氣氛或含碳與含硫氣氛中，變脆！現(xiàn)在是47頁\一共有55頁\編輯于星期二E型熱電偶熱電勢最大！現(xiàn)在是48頁\一共有55頁\編輯于星期二（7）J型：鐵-銅鎳系列:Fe-NiCu551910年開始使用純鐵-康銅，但康銅成分與E型熱電偶中負(fù)極材料不同。JP、NP既可在氧化性氣氛中使用（750℃），又可在還原性氣氛中使用（950℃），不能在高溫含硫的氣氛中使用。超過500℃

，鐵氧化速率加快！現(xiàn)在是49頁\一共有55頁\編輯于星期二（8）T型：銅-銅鎳系列正極為純銅、負(fù)極與E型熱電偶通用。使用溫度低，－200℃－350℃在使用溫度范圍內(nèi)，準(zhǔn)確度最高，穩(wěn)定性和均勻性好！可制作標(biāo)準(zhǔn)熱電偶銅在500℃會很快氧化，不超過400℃。現(xiàn)在是50頁\一共有55頁\編輯于星期二5.2非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶貴金屬熱電偶