热电偶精密测温技术的发展方向

　　0　引言

　　热电偶是基于物质的热电效应原理实现测温的一种接触测量仪器。热电偶种类繁多,结构多样,测量温度范围宽,因此使用极为广泛。铂铑10-铂热电偶以其使用温度高,稳定性好在IPTS-68温标中做为温标的内插仪器。随着科学技术的进步,人们发现由于铂铑10-铂热电偶内在的缺陷,使得铂铑10-铂热电偶的测量精度不能超过±0·2℃,并且偏离热力学温度也比较大,因此在新温标ITS-90中,铂铑10-铂热电偶不再是温标复现的内插仪器。在0℃~961·78℃温度范围由铂电阻来复现,在961·78℃以上由辐射温度计来复现。但是热电偶在测温领域中的发展并没有因此而停止,对热电偶新材料和新结构的研究更加深入,并取得了可喜的进展。

　　1　热电偶材料的研究

　　在人们开始对铂铑10-铂热电偶进行研究时就发现,在实际应用中铂铑10-铂热电偶测量温度值与温差热电势的关系不是单一的函数关系,而与热电偶丝所处环境的温度梯度有关。换句话说如果将热电偶的测温端和参考端都放在恒温器中,改变热电偶测温端和参考端之间温场的分布,测量所得到的温差热电势也随之改变。我们把这种现象叫做热电偶的不均匀现象。产生这种现象的原因主要有两个,一是热电偶丝材存在着应力,应力使得热电偶丝材金属的热电特性改变,通过足够时间的退火可以消除此项的影响;二是热电偶丝材成分的不均匀,这个问题是在热电偶丝材的制造过程中产生的,因为多数热电偶的材料是采用合金材料,在材料的熔炼配置过程中,很难使得生产出来的热电偶丝每一断的成分都一样,并且在制造成型后,更无法改变它的成分的均匀性。

　　根据塞贝克(Seeback)效应,一对不同材料的导体A和B,其一个接点处于温度T1,两个自由端处在一个较低的温度T0,这一对导体上电位为

　　式中,SA(T)和SB(T)为导体A和B随温度的电势变化率即

　　从式(1)中可以看出只有在温度梯度处热电极的热电势率都相等即均匀时,才是T1,T0的单值函数,不均匀性的影响是在热电极不均匀处增加了一较小的附加热电势率。既然热电势率近似地和温度成正比,同样的不均匀性对测得的热电势的影响,在接近温度梯度顶部比接近温度梯度底部大,因而一支不均匀的热电偶的热电势,不仅是两个接点之间温差的函数,而且也是其位置的函数。

　　由此可见,要从根本上解决热电偶不均匀性带来问题,必须从热电偶的材料入手,各国目前都着手研究使用纯金属材料来制作热电偶。因为纯金属制成的热电偶材料可从根本上解决因材料不均匀而引起的热电偶不均匀问题。金/铂热电偶,铂/钯热电偶是各国研究的热点,以下介绍金/铂、铂/钯两种热电偶。