温度测量2

补偿导线使用须注意事项如下： ①各种补偿导线只能与相应型号的热电偶匹配使用； 连接时，切勿将补偿导线极性接反； ②补偿导线与热电偶连接点的温度，不得超过规定 的使用温度范围，通常接点温度在100℃以下，耐 热用补偿导线可达200℃； ③由于补偿导线与电极材料通常并不完全相同，因 此两连接点温度必须相同，否则会产生附加电势、 引入误差； ④在需高精度测温场合，处理测量结果时应加上补 偿导线的修正值，以保证测量精度。
2. Thermoelectric electromotive force (emf,热电势）
热电偶闭合回路中产生的热电势由两种电势组成： 温差电势（又称汤姆逊电势,Thomason emf）和接 触电势（又称珀尔帖电势，Peltier emf）。 温差电势是指同一热电极两端因温度不同而产生 的电势。当同一热电极两端温度不同时，高温端 的电子能量比低温端的大，因而从高温端扩散到 低温端的电子数比逆向来的多，结果造成高温端 因失去电子而带正电荷，低温端因得到电子而带 负电荷。当电子运动达到平衡后，在导体两端便 产生较稳定的电位差，即为温差电势。如下页图 6-10示。
导体A和B称为热电极，通常把两热电极 一个端点固定焊接，用于对被测介质进 行温度测量，这一接点称为测量端或 (measurement junction) 工 作 端 (working junction) ，俗称热端 (warm junction) ；两热电极另一接点处通常 保持为某一恒定温度或室温，被称作参 比端或参考端（ reference junction) ， 俗称冷端(cold junction)。
Cold junction compensation (Cont’)

Or we may leave the reference junction exposed to the ambient and use temperature compensation method. This consists of leaving the reference junction to undergo the ambient temperature fluctuations but at the same time, measuring these by another temperature sensor placed near the reference junction. Then a voltage equal to that generated at the cold junction is subtracted from the one produced b the circuit. The subtraction could be conducted by manually or automatically with software. （计算修正法)
6-5 Thermoelectric sensor ： thermocouples （热电传感器：热电偶）
热电偶是工业和设备试验中温度测量应用 最多的器件，它的特点是测温范围宽、测量精 度高、性能稳定、结构简单，且动态响应较好； 输出直接为电信号，可以远传，便于集中检测 和自动控制。
1.Theroy of temperature of thermocouple an thermoelectric effect 热电偶的测温原理基于热电效应 (thermoelectric effect)。将两种不同的导体A和B连成闭合回路，当 两个接点处的温度不同时，回路中将产生热电势， 由于这种热电效应现象是1821年塞贝克（Seeback） 首先发现提出，故又称塞贝克效应 (Seebeck effect) （如图所示）。热电效应是可逆的（reversible)。人 们把上述两种不同材料构成的热电变换元件称为热 电偶。
冰点法图例
Cold junction compensation (Cont’)

A cheaper method is to use connecting wire. The connecting wire is long enough to extend into the constant temperature spot. It also need for a constant reference temperature and it is still expensive. （补偿导 线法）
［例］：用K型热电偶测炉温时，测得参比端温度t1＝38℃；测得 测量端和参比端间的热电动势E(t, 38 )＝29.90 mV，试求实际 炉温。
［解］ 由K型分度表查得E(38，0)＝1.53 mV， E(t，0)＝E((t, t1 ) + E((t1, 0 ) ＝29.90 +1.53= 31.43 mV 再查K型分度表，由31.43 mV查得到实际炉温755℃ 。
(1) Extension wire 在一定温度范围内，与配用热电偶的热 电特性相同的一对带有绝缘层的导线称为 补偿导线。若与所配用的热电偶正确连接， 其作用是将热电偶的参比端延伸到远离热 源或环境温度较恒定的地方。使用补偿导 线的优点： ①改善热电偶测温线路的机械与物理性能， 采用多股或小直径补偿导线可提高线路的 挠性，接线方便，也可以调节线路的电阻 或遮蔽外界干扰； ②降低测量线路的成本。当热电偶与仪表 的距离很远时，可用贱金属补偿型补偿导 线代替贵金属热电偶。
3.1. Laws of Homogeneous Circuits (匀质导体定 律）
A T A Tn A Tn A T0
由一种匀质导体组成的闭合回路，不论导体的截面， 长度以及各处的温度分布如何，均不产生热电势。
3.2 Laws of Intermediate Metals (中 间导体定律）
A T B T0 T0 C

In order to apply the Seebeck effect to temperature measurement, one junction must remain at a fixed reference temperature. Placing the reference junction into melting ice is easy and highly accurate, but it requires frequent maintenance and has a high cost. (冰点法，见 书p.193)
E ABC T，T0 eAB T eB T，T0 eBC (T0 ) eC (T0，T0 ) eCA (T0 ) eA (T0，T )， eBC (T0 ) eCA (T0 ) eBA (T0 ) E ABC T，T0 E AB T，T0
1. T=T0时， EAB T，T0 0 2. 材料一定时， EAB T，T0 f T，T0 若取T0为参考端（冷端），T为工作端（热端， 自由端）， EAB T，T0 f T ，所以可以 查表来求热电偶的热电势。 3. 一般热电偶只用金属材料。 4. 电势大小与几何尺寸无关。 5. T不定要比T0大。
上述例子，若参比端不作修正，则按所测测量端和参比端 间的热电动势 E(t, 32 )＝29.90 mV查K型分度表得对应的炉温 718℃，与实际炉温 755℃相差37℃，由此产生的相对误差约为 5%。由此可见，如果不考虑参比端温度修正、补偿有时将产生 相当大的（温度）测量误差。
5. Cold junction compensation in thermocouple circuit (热电偶冷端补偿）
In a circuit with two dissimilar homogeneous metals A and B, having two junctions at different temperatures, an electric current arises. That is there is a conversion from thermal to electric energy. If the circuit is opened, a thermoelectric electromotive force (emf) appears that depends only on the metals and on the junction temperatures. A pair of different metals with a fixed junction at a point or zone constitutes a thermocouple.
0 条 件 下， 各国均采用参比端保持为零摄氏度，即 t0 ℃
用实验的方法测出各种不同热电极组合的热电偶在不同 热端温度下所产生的热电势值，制成测量端温度（通常 用国际摄氏温度单位）和热电偶电势对应关系表，即分 度表；也可据此计算得两者的函数表达式。 分度表例见课本附录A。有关热电偶总电势的讨论：
设热电偶两种材料分别为A和B，两端温度分别为 T、T0 且 T T0 ；则热电偶回路总电势为
EAB T，T0 eAB T eA T，T0 eBA T0 eB T0，T
由此可见，当热电偶两热电极材料确定后，其总电势仅 与其两端点温度 T、T0有关。为统一和实施方便，世界
接触电势和温差电势的讨论

温差电势
eA(t , t 0)
A 为导体的汤姆逊系数


t
t0
Adt
接触电势
kt NA eAB (t ) ln e NB
k: 玻尔兹曼常数；e: 单位电荷； NA,NB: 在温度为t 时，导体A和B的电子密度； t: 接触点的温度。
3. Practical thermocouple laws (热电偶基本定律）
Tn范围不限，即不一定在T和T0中间。
热电偶基本定律应用举例 （Example to apply the laws of thermocouple)