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项目八 热电偶的应用
一、教学目标
　　1.了解热电效应。
　　2.了解热电偶的材料和通用热电偶。
　　3.掌握热电偶的结构。
　　4.掌握热电偶冷端的延长。
5.掌握热电偶冷端温度补偿。
二、课时分配
本项目共1个任务，本项目安排2课时。其中理论课时1课时，实践课时1课时。
三、教学重点
通过本项目的学习，让学生理解能正确识别能识别热电偶，能根据任务要求，正确安装热电偶，能正确完成热电偶测量温度的电路接线的相关知识。通过本项目的学习，新旧知识得以重新整合，使学生对传感器的认识更完整，更清晰。
四、教学难点
1.了解热电效应。
2.了解热电偶的材料和通用热电偶。
3.正确完成热电偶测量温度的电路接线。
五、教学内容
任务一 热电偶在温度检测中的应用
知识链接
一、热电偶的工作原理
1.热电效应及热电偶的测温原理
当有两种不同的导体或半导体A和B组成一个回路，如图所示。
热电偶回路
其两端相互连接时，只要两结点处的温度不同，一端温度为T，称为工作端或热端，另一端温度为T0，称为自由端（也称参考端）或冷端，回路中将产生一个电动势，该电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关。这种现象称为“热电效应”，两种导体组成的回路称为“热电偶”，这两种导体称为“热电极”，产生的电动势则称为“热电动势”。
2.热电偶的基本定律
（1）均质导体定律
如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，无论两接点的温度如何，热电动势均为零。根据这个定律，可以检验两个热电极材料成分是否相同(称为同名极检验法)，也可以检查热电极材料的均匀性。
（2）中间导体定律
在热电偶回路中，接入第三种导体C，只要该导体两端温度相同，那么接入导体C对热电偶回路总热电势EAB（T，T0）没有影响。即在热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变。热电偶的这种性质在实际应用中有着重要的意义，它使我们可以方便地在回路中直接接入各种类型的显示仪表或调节器，也可以将热电偶的两端不焊接而直接插入液态金属中或直接焊在金属表面进行温度测量。
（3）参考电极定律
如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就可以通过下式求出。利用这个定律，可以大大简化热电偶选配电极的工作。
（4）中间温度定律
热电偶在两接点温度T、T0时的热电动势等于该热电偶在接点温度为和时的相应热电动势的代数和。
如图所示，热电偶的两个结点温度为T1，T2时，热电势为EAB（T1，T2）；两结点温度为T2，T3时，热电势为，那么当两结点温度为T1，T3时的热电势则为
上式就是中间温度定律的表达式。
热电偶中间温度定律示意图
中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据。它表明：　若热电偶的热电极被导体延长，只要接入的导体组成热电偶的热电特性与被延长的热电偶的热电特性相同，且它们之间连接的两点温度相同，则总回路的热电动势与连接点温度无关，只与延长以后的热电偶两端的温度有关。
二、热电偶材料
从理论上分析，似乎任何两种不同的导体都可以组成热电偶，用来测量温度。但实际情况并非如此，为了保证在工业现场应用可靠，并具有足够的精度，热电偶的电极材料在被测温度范围内应满足：热电性质稳定；物理性质、化学性质稳定；热电势随温度的变化率要大；热电动势与温度尽可能成线性对应关系；具有足够的机械强度；复制性和互换性好等要求。目前国际公认的通用热电偶材料只有几种，见下表。
热电偶材料
三、热电偶的结构
热电偶广泛应用于各种条件下的温度测量，尤其适用于500℃以上较高温度的测量，普通型热电偶和铠装型热电偶是实际应用最广泛的两种结构。
1.普通型热电偶
普通型热电偶主要由热电偶、绝缘管、保护套管和接线盒等主要部分组成。其结构如图所示。
普通型热电偶结构
贵重金属热电极的直径一般为0.3～0.65mm，普通金属热电极的直径一般为0.5～3.2mm；热电极的长度由安装条件和插入深度而定，一般为350～2 000mm。
绝缘管用于防止两根电极短路，保护套管用于保护热电极不受化学腐蚀和机械损伤。
2. 铠装型热电偶
铠装型热电偶是由热电极、绝缘材料和金属套管三者经过拉伸加工成型的。其结构如图所示。金属套管一般为铜、不锈钢、镍基高温合金等。保护套管和热电极之间填充绝缘材料粉末，常用的绝缘材料有氧化镁、氧化铝等。铠装热电偶具有动态响应快、机械强度高、抗震性好、可弯曲等优点，可安装在结构较复杂的装置上，应用十分广泛。
铠装型热电偶结构
四、热电偶冷端的延长
由于热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时），而测温点到仪表的距离有时很远，为了节省热电偶材料，降低成本，
通常利用补偿导线来延伸冷端，将补偿导线的首端接热电偶，末端接到仪表端子上，就可以把热电偶的冷端（自由端）从温度较高和不稳定的现场延伸到温度较低和比较稳定的操作室内。热电偶补偿导线如图所示。同时补偿导线易弯曲，便于敷设。补偿导线在0～100℃范围内的热电动势与配套的热电偶的热电动势相等，所以不影响测量精度。
补偿导线外形
五、热电偶的冷端温度补偿
1.热电偶冷端补偿的必要性
由于操作室内的温度往往高于0℃，而且也是不恒定的（即使有空调也是不恒定的），这时，热电偶产生的热电动势必然会随冷端温度的变化而变化。因此，在应用热电偶时，只有把冷端温度保持为0℃，或者进行必要的修正和处理才能得出准确的测量结果，对热电偶冷端温度的处理称为冷端温度补偿。
2.冷端温度补偿的方法
（1）冷端恒温法
将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中，使冷端的温度保持在0℃不变。此法也称冰浴法，它消除了t0不等于0℃而引入的误差，由于冰融化较快，所以一般只适用于实验室中。
（2）计算修正法
当热电偶的冷端温度时，由于热端与冷端的温差随冷端的变化而变化，所以测得的热电势与冷端为0℃时所测得的热电势不等。若冷端温度高于0℃，则。可以利用下式计算并修正测量误差：
这种方法适用于实验室或者临时测温。
（3）电桥补偿法
电桥补偿法是仪表中最常用的一种处理方法，它利用不平衡电桥产生的不平衡电压来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电动势变化值，可购买与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥。
六、课后作业
完成本项目的项目测评。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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