适用于非均匀温度场测量的新型热电偶

1.本发明属于温度测量设备技术领域，具体涉及一种适用于非均匀温度场测量的新型热电偶。


背景技术：

2.现在，温度的测量经常使用热电偶作为传感器，热电偶的物理特征如图1所示。一根金属丝i1，如果两端的温度不一样，金属丝内就会存在“汤姆逊电动势”，电动势的大小和两端的温差有关；如果a和b是两种不同的金属，当它们接触时会在触点产生“珀尔帖电动势”，电动势的大小和接触点的温度有关。因此，如果两种不同的金属丝形成一个回路，且两个接触点处于不同的温度时，回路中就会有“温差电动势”，温差电动势是珀尔帖电动势与汤姆逊电动势的综合效应，回路中也会存在电流。温差电动势的大小在很大范围内与两个触点的温差成正比：；其中：α称为热电偶温差系数，与a、b两种材料的成分有关。一般在较大的温区范围内α都是一个常数。另外，回路中如果接入金属丝ⅱ2，只要这根金属丝ⅱ2的两个结点的温度相同，回路中的总电动势保持不变。
3.利用这一性质可以将热电偶制作成温度计，如图2所示。回路中接入测量电动势的电压表3，将一端固定在某一稍低的温度t0（这一端称为参考端），另一端接触待测温度点（这一端也称为测温端或测温结点），用仪表测出电动势ε，如果事先测定了热电偶温差系数α，则有δt = ε/α，因此待测温度t = t
0 +ε/α。
4.当用热电偶检测非均匀待测温度区域时，如图3所示，上方是一个圆盘状均匀热源4，下方是一个被加热的金属盘5，金属盘5中间沿直径方向有一个贯穿的测温孔51。热源控制在一个稳定的温度，经过充分长的时间后，金属盘的温度将会趋于一个稳定的分布。考虑到金属盘侧边散热的因素，金属盘的温度分布将如图4所示，中心高四周低。但我们实测的结果并非如此。热电偶测温结从测温孔左端移动到右端时，热电势的分布如图5所示，黑色点表示实际测量结果，而曲线为预期的热电势分布，二者完全不一致。测量结果表明，热电势从左端开始逐渐增加，但并没有在中间达到最高值然后下降，越过中心位置后还在一直上升。如果温度这样分布，显然是不符合物理原理与直觉的，也即测量结果是错误的。反过来，我们将热电偶测温结从测温孔右端移动到左端，所得结果也是相似的，热电势从边缘开始逐渐升高，越过中心区域后仍旧继续增加，测量结果仍是错误的。
5.我们分析了其中的物理机制，这个现象可作如下解释：热电偶所用的金属丝较粗，其热阻很小。当热电偶的测温结点11越过高温区域到达较低温度点时，高温区的热流将会沿着金属丝到达热电偶的测温结点11。但空气的导热能力很差，或者说其热阻很大，因此测温结点11的热量不能与较低温度区域的空气进行充分的热交换，热量滞留在测温结——称之为“热滞”现象，因此测温结的温度依旧很高。也就是说，测温结点11
ꢀ“
感受到的温度”不是该点的空气温度，测温结点11的温度是由高温区经由金属丝传导过来的热量决定的。
6.根据以上分析，由于热电偶跨越高温区测量低温区时，金属丝内有热滞的存在，导致热电偶的测温结点11无法正常测量，所以我们改用了较细的金属丝作为热电偶材料。金属丝越细，其热阻越大，热阻增大将会减小热流对热电偶测温结的影响。但细丝制作的热电偶所得测量仍然与图5的结果相似，并没有多大的改善。很明显，即使金属丝很细，热电偶跨越高温区进入低温区时，由于金属与空气巨大的热导率差异，热阻的不平衡依然存在，仍然无法消除高温区热流的影响。
7.在实际应用中，经常会遇到区域内温度非均匀分布的情形，要利用热电偶测量这种区域内的温度分布，肯定不能采用将热电偶测温结点11直接放置在待测温度点进行测量的方法。
8.现在一般使用热电偶检测非均匀待测温度区域的方法如图5所示。待测实体如炉腔、管道等，在待测实体内非均匀温区域52上方的垂直方向上打上一系列测温孔51，将热电偶测温结点从测温孔伸入抵达测温点，从而测出待测点的温度值。这样的测温方式在很多时候是不合适的。打孔破坏了待测实体的结构，降低了待测实体的强度；而且测温孔改变了区域内的温度分布，不能达到设计的要求，或者不能反映出无测温孔时真实的温度分布。


技术实现要素：

9.为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单，操作方便，测量非均匀待测温度区域时，不需要在待测实体上打孔，不会破坏待测实体的结构，且测量结果准确的适用于非均匀温度场测量的新型热电偶。
10.本发明采用的技术方案是：一种适用于非均匀温度场测量的新型热电偶，包括金属丝i，金属丝i上设有若干测温结点，金属丝i的两端均为参考端，分别为参考端i和参考端ⅱ；每个测温结点通过金属丝ⅱ连接参考端i和/或参考端ⅱ，金属丝ⅱ上串联有电压表。
11.上述的适用于非均匀温度场测量的新型热电偶中，金属丝i上设有一个测温结点，测温结点通过两个金属丝ⅱ分别连接金属丝i两端的参考端i和参考端ⅱ。
12.上述的适用于非均匀温度场测量的新型热电偶中，金属丝i上设有多个测温结点，靠近参考端i的[n/2]个测温结点分别通过金属丝ⅱ连接参考端i，[]为取整函数，n为测温结点总数；其余测温结点分别通过金属丝ⅱ连接参考端ⅱ；每个金属丝ⅱ上串联有切换开关。
[0013]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明结构简单，本发明测温时，贯穿整个待测实体，测温时可以从两个方向同时进行测量，而测温结点可以在测温区内来回移动，操作方便，且测得的结果准确可靠；本发明用于测量时，不需要在待测实体上打孔，不会破坏待测实体的结构，保证了待测实体结构的完好性，从而保证了待测实体的强度；而且保证了待测温区原本的温度分布不受影响，进一步保证了测温结果的准确性。
附图说明
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图1是现有的热电偶的结构图。
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图2是现有的热电偶回路中接入电压表的结构图；图2（a）是现有的热电偶回路中
接入电压表实施例1的结构图，图2（b）是现有的热电偶回路中接入电压表实施例2的结构图。
[0016]
图3是现有的热电偶对一种非均匀待测温度区域待测实体测试时的结构图。
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图4是图3中的非均匀待测温度区域待测实体温度分布图。
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图5是采用现有的热电偶的检测结果图。
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图6是现有的用于测量非均匀待测温度区域时待测实体结构图。
[0020]
图7是本发明实施例1的结构示意图。
[0021]
图8是本发明实施例1用于测量图3中待测实体时的结构图。
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图9是本发明实施例1用于测量图3中待测实体的结果图。
[0023]
图10是本发明实施例2的结构示意图。
具体实施方式
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下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
[0025]
实施例1如图7所示，本发明包括金属丝i 1，金属丝i 1上设有一个测温结点，金属丝i 1的两端均为参考端，分别为参考端i12和参考端ⅱ13，测温结点11通过两个金属丝ⅱ2分别连接金属丝i 1两端的参考端i12和参考端ⅱ13，金属丝ⅱ2上串联有电压表3。金属丝i 1和金属丝ⅱ2采用的金属不同。
[0026]
本发明用于检测图3所示的金属盘5时，本发明的金属丝i贯穿了整个金属盘5的测温孔51，测温时可以从两个方向同时进行测量，而测温结点11可以在测温区内来回移动,如图8所示。测量结果如图9所示。这个结果表明，样品腔温度分布为中间高、两端低，且两端因环境温度较低使得温度梯度较大，这样的测量结果与实际情况及理论分析的物理图像完全吻合，测量结果准确。
[0027]
对其原理可以作如下分析：由于金属丝i 1是一根连续的金属丝，所以它各处的热阻都是很小的，高温区通过金属丝传到低温区的热流可以一直传导下去，不会滞留于测温结点11。即使测温结点11处于低温区，高温区传来的热量也不会滞留，影响其“感受到的温度”。这种结构使得本发明不再有热滞现象，可以真实地测出待测点的温度。这也相当于同时使用两个热电偶从两个方向同时进行测量。
[0028]
实施例2如图10所示，该实施例的结构与实施例1相似，其不同之处是金属丝i上设有6个测温结点11，靠近参考端i 12的3（[6/2]，[]为取整函数）个测温结点分别通过一金属丝ⅱ2连接参考端i 12；其余的3个测温结点分别通过一金属丝ⅱ2连接参考端ⅱ13。金属丝ⅱ2上除了串联有电压表3，还串联有切换开关21。使用切换开关21，可测量不同测温结点所处位置的温度。
[0029]
本发明可以安装或预埋于待测温区内，不再需要额外设置测温孔51。将冷端置于固定温度的介质内，就可以同时测量整个温区内多点的实时温度，并可根据测得的电压信号对温区内的热源进行控制。
[0030]
本发明可以测量非均匀温度区的温度分布，同时不需要在温区内另外设置测温孔，这就保证了待测实体结构的完好性，并保证了待测温区原本的温度分布不受影响。这种
新型热电偶可以应用在各种腔体内的温度测量中，对于需要进行温度监测、自动控制等的系统有极大的应用价值。