【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。傳遞過(guò)程如表 2－ 2所示。 三 、 溫度測(cè)量系統(tǒng)組成 溫度測(cè)量系統(tǒng)是由溫度傳感器及顯示記錄儀表構(gòu)成的 ， 通稱(chēng)為溫度計(jì) 。 它的種類(lèi)繁多 ， 大體上可以劃分為測(cè)量低于 600℃ 的溫度計(jì) ， 測(cè)量高于 600℃ 的高溫計(jì)兩大類(lèi) 。 溫度計(jì) (包括液柱式溫度計(jì)、雙金屬片溫度計(jì) )，普通金屬熱電偶，熱電阻，熱敏電阻以及紅外溫度計(jì)。高溫計(jì)包括貴重金屬及難熔金屬熱電偶，高溫鉑電阻，光學(xué)及輻射高溫計(jì)等。無(wú)論哪一種溫度計(jì)，其測(cè)溫系統(tǒng)的組成都是相似的，主要應(yīng)考慮四個(gè)問(wèn)題： (1)溫度范圍 這是選擇傳感器的主要依據(jù) 。 如圖21中列出的各種溫度計(jì)與高溫計(jì)的量值范圍 ， 原則上在此范圍內(nèi)的任何一種溫度計(jì)都可選用 。 (2)使用場(chǎng)合 溫度傳感器應(yīng)用在什么場(chǎng)合，是重要的條件，如箱式電爐是氧化氣氛，可控氣氛爐是還原性氣氛，鹽浴爐的腐蝕性強(qiáng)，高頻爐的干擾嚴(yán)重，這就要根據(jù)實(shí)際需要決定?？晒┻x擇的可能條件是傳感器尺寸 (如直徑及長(zhǎng)度 )、傳感器及其保護(hù)材料以及傳感器結(jié)構(gòu)等。 (3)溫度響應(yīng) 這主要是傳感器的質(zhì)量 (M)、 介質(zhì)與體積決定的 。 接觸式傳感器的時(shí)間常數(shù)愈小 ，溫度響應(yīng)愈快 。 不接觸式溫度傳感器一般都具有足夠靈敏度 ， 響應(yīng)無(wú)問(wèn)題 。 (4)傳輸方式 所謂傳輸方式是指溫度傳感器將溫度信號(hào)傳送到溫度顯示儀 (或顯示記錄儀 )的組成方式，如有的溫度測(cè)量要求不高，需要就地顯示，即可采用普通液柱式溫度計(jì)或氣壓式溫度計(jì)；有的需要傳送較遠(yuǎn)，則應(yīng)采用熱電偶等電傳溫度計(jì)。 由此可見(jiàn) ， 最簡(jiǎn)單的溫度測(cè)量系統(tǒng)是由溫度傳感器及溫度顯示儀表組成的 ， 如圖 2－ 2a。較完善的系統(tǒng)是由傳感器與溫度顯示記錄儀表組成 ， 或者還將溫度信號(hào)經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一電信號(hào) ， 如圖 2－ 2b所示 。 溫度被測(cè)對(duì)象 溫度顯示記錄儀 溫度變送器 溫度傳感器 溫度被測(cè)對(duì)象 溫度顯示儀表 溫度傳感器 θ kθ θ kθ mA kθ 167。 2－ 2 熱電偶 一 、 熱電效應(yīng) 1821年德國(guó)物理學(xué)家塞貝克 (T． J. Secbeck)在研究?jī)煞N不同金屬導(dǎo)體構(gòu)成的回路中的電磁效應(yīng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了熱電動(dòng)勢(shì)。經(jīng)法國(guó)物理學(xué)家珀?duì)栙N(Peltier)及英國(guó)物理學(xué)家湯姆遜 (Thomson)的繼續(xù)研究，證明了塞貝克熱電動(dòng)勢(shì)是由珀?duì)栙N電動(dòng)勢(shì)和湯姆遜電動(dòng)勢(shì)兩種熱電動(dòng)勢(shì)構(gòu)成的。研究證明，不同材料具有不同的熱電序，它們?cè)诓煌瑴囟认碌男蛄杏兴煌?。常用作熱電材料的熱電序如?2－ 3所示。 1． 珀?duì)栙N電動(dòng)勢(shì) 不同材料中自由電子密度是互不相同的。當(dāng)兩種導(dǎo)體截面相接觸時(shí)，在接觸面上必然發(fā)生電子擴(kuò)散，失去電子的一方呈正電位，獲得電子的一方呈負(fù)電位。自由電子擴(kuò)散到一定程度時(shí)達(dá)到動(dòng)平銜，在溫度為 T的一端形成一定的接觸電動(dòng)勢(shì) EAB(T)，見(jiàn)圖 23。 EAB(T0) EAB(T) + T0 T EA(T， T0) EB(T， T0) A B 式中 k－玻耳茲曼常數(shù)； e－電子電荷量； NA、 NB－材料 A和 B的自由電子密度 同樣 ， 在溫度為 T0的一端也有接觸電動(dòng)勢(shì)EAB(T0)， ? ?BANNekTT lnEAB ?? ?BAAB NNekTTE ln0 ?在回路中的接觸電勢(shì) EAB（ T， T0） 為 ? ? ? ? ? ?? ?BAABABABNNTTekTETETTEln,000????2． 湯姆遜電動(dòng)勢(shì) 溫差形成的電動(dòng)勢(shì) ， 兩導(dǎo)體 A、 B的湯姆遜電動(dòng)勢(shì)分別為 則 σ —— 湯姆遜系數(shù) ? ? ??TTAA dTTTE00, ?? ? ??TTBB dTTTE00, ?? ?? ????????TTBATTBTTAABdTdTdTTTE0000,????綜合上述兩種熱電效應(yīng)所構(gòu)成的溫差電動(dòng)勢(shì) ， 就是不同導(dǎo)體構(gòu)成回路時(shí)因兩個(gè)接點(diǎn)的溫度不同 (T≠T0)所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì) ， 即 ? ? ? ? ? ?? ????TTBABAAB dTNNTTekTTE0ln, 00 ??熱電動(dòng)勢(shì)決定于構(gòu)成回路的材料類(lèi)別與閉合回路中兩個(gè)接點(diǎn)的溫度及溫度差 。 當(dāng)材料一定時(shí) ， 熱電勢(shì)只是兩個(gè)接點(diǎn)溫度函數(shù)的差值 ， 所以上式可簡(jiǎn)單表示為 當(dāng)溫度 t0＝ 0℃ 時(shí)，或 t0＝ C時(shí) 或 ? ? ? ? ? ?00, TETETTE AB ??? ? ? ? ? ?00, TfTfTTE AB ??? ? ? ?TETTE AB ?0,? ? ? ? CTETTE AB ??0,通常將保持在 0℃ 或某一常數(shù)值的 T0端稱(chēng)為冷端或自由端，用以感測(cè)溫度的 T端稱(chēng)為熱端或工作端。從上述分析可見(jiàn)，熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)決定于溫度 T、 T0及它們之間的溫度差；熱電動(dòng)勢(shì)的大小與熱電偶材料的斷面大小無(wú)關(guān)；其次，保持冷端為 0℃ 或某一常數(shù)值，是使用熱電偶的前提條件，必須充分注意。 溫標(biāo) 溫標(biāo)是表示溫度高低的尺度，簡(jiǎn)稱(chēng)溫標(biāo)。是溫度傳遞的標(biāo)準(zhǔn)，是溫度傳感器與溫度儀表進(jìn)行分度的依據(jù)。 經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo) 溫度 是表征物體冷熱程度的一個(gè)狀態(tài)參數(shù) 。 是物體分子平均動(dòng)能的標(biāo)志。 ? ?32F95R45 oo ???℃國(guó)際溫標(biāo) 三個(gè)條件： 定義溫度的固定點(diǎn) ； 復(fù)現(xiàn)溫度的標(biāo)準(zhǔn)器 ； 內(nèi)插方程式 。 熱力學(xué)溫標(biāo) 熱力學(xué)溫標(biāo)是根據(jù)熱力學(xué)第二定律建立起來(lái)的。 ? ? ? ? ? ?KTKTt 0??℃? ? ? ? ? ?KTtKT 0?? ℃熱電效應(yīng) 珀?duì)栙N電動(dòng)勢(shì) ? ? ? ? ? ?? ?BAABABABNNTTekTETETTEln,000????湯姆遜電動(dòng)勢(shì) ? ?? ????????TTBATTBTTAABdTdTdTTTE0000,????? ? ? ? ? ?? ????TTBABAAB dTNNTTekTTE0ln, 00 ??由于 NA、 NB和 ζA、 ζB都是與材料相關(guān)的常數(shù)，因而熱電勢(shì)可用函數(shù)表示： ? ? ? ? ? ?00, TETETTE AB ??? ? ? ? ? ?00, TfTfTTE AB ??當(dāng)溫度 t0＝ 0℃ 時(shí)，或 t0＝ C時(shí) 或 ? ? ? ?TETTE AB ?0,? ? ? ? CTETTE AB ??0,從而可見(jiàn)：閉合回路兩結(jié)點(diǎn)間的熱電勢(shì)的大小只與兩結(jié)點(diǎn)的溫差有關(guān) 二 、 熱電回路的基本定則 由熱電效應(yīng)的分析 ， 可得以下幾個(gè)基本定則 。 1． 均質(zhì)材料定則 單一材料導(dǎo)體做成的熱電回路，由于 NA＝ NB，所以盡管兩接點(diǎn)溫度不同（ T≠ T0），回路中的總電動(dòng)勢(shì)恒等于零。 由此可見(jiàn)，熱電回路必須用兩種不同材料做成，NA≠ NB，才能反映出溫度的變化。但須注意，如果導(dǎo)體材料不均質(zhì)或局部不均質(zhì)，沿導(dǎo)體有不對(duì)稱(chēng)的溫度梯度時(shí)，必然產(chǎn)生附加的熱電動(dòng)勢(shì)，使熱電偶測(cè)溫產(chǎn)生誤差。 2． 中間導(dǎo)體定則 任何不同材料作成的熱電回路，只要它的接點(diǎn)溫度一致，熱電動(dòng)勢(shì)總和等于零。 由此可以推論， 當(dāng)熱電回路中接入第三種導(dǎo)體時(shí)，只要它們的接點(diǎn)溫度一致，熱電動(dòng)勢(shì)總和仍為零。 就是說(shuō)，熱電回路并不因接入第三種導(dǎo)體而影響它的總電動(dòng)勢(shì)。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 0T 0000CB ???? TETETEE CABCABA 、如圖 2－ 4中熱電偶兩種導(dǎo)體A與 B，兩端接入第三導(dǎo)體C，假定 T＝ T0，則回路的總熱電動(dòng)勢(shì)為 設(shè)熱端溫度 T大于 T0， 回路的總熱電勢(shì)為 由前頁(yè)式得 將上式代入，可得 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 0TETETETE 0CA0BC0AB0CBA ????、? ? ? ? ? ?? ?000 TETETE CABCAB ???? ? ? ? ? ? ? ?000BC TT TETETEE CABCABA ???，? ?? ?? ? ? ?? ?00AB0CB,TTTTETETEEABABA????，、上式表明，接入第三導(dǎo)體后，并不影響熱電回路的總熱電動(dòng)勢(shì)，條件是 第三導(dǎo)體接入熱電回路的兩個(gè)接點(diǎn)溫度 T0相等 。這樣就可以用合適的導(dǎo)線自熱電偶冷端引出，并接到溫度顯示記錄或控制儀表上。 另一推論是，任何兩種導(dǎo)體 A、 B與第三種導(dǎo)體 C構(gòu)成熱電偶的電動(dòng)勢(shì)分別為 EAB， EBC，如圖 2－ 5，則用 A、 B兩種導(dǎo)體構(gòu)成的熱電回路 EAB為 CBACAB EEE ??從熱電回路各接點(diǎn)的電動(dòng)勢(shì)和可知， ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? cTETETTEbTETETTEaTETETTE0ABAB0AB0BCBC0BC0ACAC0AC?????????、式 （ a） 、 （ b） 相減得 ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ?? ? ? ?0ABAB0BC0ACBCAC0BC0ACTETETETETETETTETTE??????? 、此即 ? ? ? ? ? ?000 , TTETTETTE BCACAB ??這里的第三導(dǎo)體，是采用鉑絲作參考電極，其它熱電極與它配對(duì)，分別在熱端 t＝ 100℃ ，冷端 t＝ 0℃ 時(shí)測(cè)定其電動(dòng)勢(shì)，如表 2－ 4所示，則任何兩種熱電極配對(duì)后的熱電動(dòng)勢(shì)就是它分別與鉑配對(duì)的熱電動(dòng)勢(shì)之和。鉑絲參考電極稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)電極，因此這一推論有的也稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)電極定則。 3． 中間溫度定則 任何兩種不同的均質(zhì)導(dǎo)體 A、 B構(gòu)成的熱電偶，當(dāng)兩接點(diǎn)溫度為 T1與 T2時(shí)，產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)為 E1；當(dāng)兩接點(diǎn)溫度為 T2與 T3時(shí)，產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)為 E2。則當(dāng)兩接點(diǎn)溫度為 T1與 T3時(shí)，熱電回路的總電動(dòng)勢(shì) E＝ E1+E2，如圖 26所示。 由此可以推論，在某一冷端溫度 (通常是在 0℃ )檢定的熱電偶，經(jīng)適當(dāng)修正，可以在不同冷端溫度的場(chǎng)合下使用。于是，這就給熱電偶的使用帶來(lái)了方便，條件是按實(shí)際冷端溫度進(jìn)行適當(dāng)修正。 另一推論是，可以采用與熱電偶熱電特性相同的導(dǎo)線接入熱電回路，將熱電偶的冷端由溫度為 T2(見(jiàn)圖 2－ 6)的地方延伸到另一不同溫度 T3的地方。這就是延伸熱電偶冷端的原理，給熱電偶的使用帶來(lái)極大的方便。 三 、 熱電極與熱電偶 1． 熱電極材料 熱電極主要是用金屬材料制成 ， 也有用非金屬材料及半導(dǎo)體材料作成的 ， 但應(yīng)用也還不多。 對(duì)熱電極材料的要求是：化學(xué)穩(wěn)定性高，物理性能穩(wěn)定，不受環(huán)境氣氛的影響。熱電勢(shì)大及靈敏度高，且線性度較好。材料復(fù)制性能優(yōu)良，價(jià)格便宜。電阻溫度系數(shù)低，機(jī)械性能好，便于拉絲與焊接等。 顯然，要同時(shí)滿(mǎn)足這些要求的材料是沒(méi)有的，但可以根據(jù)實(shí)際需要，如溫度高低、被測(cè)介質(zhì)氣氛等實(shí)際情況出發(fā)，總能找到一些合適的材料。常用熱電極材料及其特性列于表 2－ 4中。 2． 常用熱電偶 取不同的熱電極 ， 只要它們的熱電序或熱電動(dòng)勢(shì)相差較大 ， 就可以組成合適的熱電偶 。 我國(guó)常用的熱電偶有以下幾種： (1)銅 —康銅（ CuNi）熱電偶 (T型 ) 這是在氧化、還原與惰性氣氛中都適用的熱電偶。由于熱電極材料均勻、性能穩(wěn)定，在潮濕氣氛及攝氏度零度以下溫度范圍內(nèi)使用，也不會(huì)出現(xiàn)明顯的腐蝕現(xiàn)象。由于銅在 500℃ 時(shí)就會(huì)很快被氧化，故限制在 400℃ 溫度以下使用。這種熱電偶靈敏度高，熱電動(dòng)勢(shì)穩(wěn)定，故測(cè)溫精度較高，不但可制作普通熱電偶，也可用作標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。 (2)鎳鉻 —康銅（ CuNi）熱電偶 (E型 ) 這是適于在氧化與還原氣氛中使用的熱電偶，特點(diǎn)是熱電動(dòng)勢(shì)較大，性能也較穩(wěn)定。試驗(yàn)表明，在核輻射照射下，熱電特性也基本穩(wěn)定，可用于核反應(yīng)堆。由于在還原氣氛或含碳與含硫氣氛中，材料容易變脆，故有人認(rèn)為這種熱電偶不宜在這些氣氛中使用。長(zhǎng)期使用溫度在 800℃ 以下，短期使用可達(dá) 1100℃ 。測(cè)溫不確定溫度小于 400℃ ，使用時(shí)為 177。 4℃ ，大于 400℃ 時(shí)，為所測(cè)電動(dòng)勢(shì)的 1％。 (3)鎳鉻 鎳鋁 (硅 )熱電偶 (K型 ) 含鉻 18~20％的鎳合金具有良好的抗氧化性能，在還原氣氛中的穩(wěn)定性也大大改善。此種熱電偶抗氧化能力強(qiáng)，熱電動(dòng)勢(shì)穩(wěn)定性好，材料也不易變脆。在鎳鋁合金中加少量的硅，也會(huì)大大改善抗氧化能力，在還原與氧化氣氛中輸出熱電動(dòng)勢(shì)均較穩(wěn)定。因此，這是一種最通用的熱電偶，適于 1300℃以下的溫度，測(cè)溫不確定度小于 400℃ 時(shí)為177。 4℃ ，大于 400℃ 時(shí)為所測(cè)電動(dòng)勢(shì)的 1％。 (4)鉑銠 10鉑熱