1、熱電偶的基本原理
熱電偶溫度計(jì)屬于接觸式溫度測(cè)量?jī)x表。是根據(jù)熱電效應(yīng)即塞貝克效應(yīng)原理來(lái)測(cè)量溫度的,是溫度測(cè)量?jī)x表中常用的測(cè)溫元件。將不同材料的導(dǎo)體A、B接成閉合回路,接觸測(cè)溫點(diǎn)的一端稱(chēng)為測(cè)量端(或工作端),另一端稱(chēng)為參比端(或自由端)。若測(cè)量端和參比端所處溫度t和t0 不同,則在回路的A、B之間就產(chǎn)生一熱電勢(shì)EAB(t,t0 ),這種現(xiàn)象稱(chēng)為塞貝克效應(yīng),即熱電效應(yīng)。EAB大小隨導(dǎo)體A、B的材料和兩端溫度t和t0 而變,這種回路稱(chēng)為原型熱電偶。在實(shí)際應(yīng)用中,將A、B的一端焊接在一起作為熱電偶的測(cè)量端放到被測(cè)溫度t處,而將參比端分開(kāi),用導(dǎo)線(xiàn)接入顯示儀表,并保持參比端接點(diǎn)溫度t0穩(wěn)定。顯示儀表所測(cè)電勢(shì)只隨被測(cè)溫度而t變化。
在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時(shí), 只要該材料兩個(gè)接點(diǎn)的溫度相同, 熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)將保持不變,即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此, 在熱電偶測(cè)溫時(shí), 可接入測(cè)量?jī)x表, 測(cè)得熱電勢(shì)后, 即可知道被測(cè)介質(zhì)的溫度。
根據(jù)熱電勢(shì)與溫度函數(shù)關(guān)系。可制成熱電偶分度表。分度表是在自由端溫度 To=0℃ 的條件下得到的。不同的熱電偶具有不同的分度表。
從理論上講, 任何兩種導(dǎo)體都可以配制成熱電偶, 但實(shí)際上并不是所有材料都能制作熱電偶, 故對(duì)熱電極材料必須滿(mǎn)足以下幾點(diǎn):
(1)熱電偶材料受溫度作用后能產(chǎn)生較高的熱電勢(shì), 熱電勢(shì)和溫度之間的關(guān)系最好呈線(xiàn)性或近似線(xiàn)性的單值函數(shù)關(guān)系;
。2)能測(cè)量較高的溫度, 并在較寬的溫度范國(guó)內(nèi)應(yīng)用, 經(jīng)長(zhǎng)期使用后, 物理、化學(xué)性能及熱電特性保持穩(wěn)定;
。3)要求材料的電阻溫度系數(shù)要小, 電阻率高, 導(dǎo)電性能好, 熱容量要小;復(fù)現(xiàn)性要好, 便于大批生產(chǎn)和互換, 便于制定統(tǒng)一的分度表;
(4)機(jī)械性能好, 材質(zhì)均勻;
。5)資源豐富, 價(jià)格便宜。
為了保證熱電偶可靠和穩(wěn)定地工作對(duì)熱電偶有如下要求:
。1)組成熱電偶的兩個(gè)熱電極的焊接必須牢固;
。2)兩個(gè)熱電極彼此之間應(yīng)很好地絕緣,以防短路;
。3)補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)與熱電偶自由端的連接要方便可靠;
(4)保護(hù)套管應(yīng)能保證熱電極與有害介質(zhì)充分隔離。
熱電偶溫度計(jì)的特點(diǎn)有:
。1)測(cè)量精度高。因熱電偶直接與被測(cè)對(duì)象接觸,不受中間介質(zhì)的影響。
(2)測(cè)量范圍廣。常用的熱電偶從-50~+1600℃均可連續(xù)測(cè)量,某些特殊熱電偶最低可測(cè)到-269℃(如金鐵鎳鉻),最高可達(dá)+2800℃(如鎢-錸)。
。3)構(gòu)造簡(jiǎn)單,使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成,而且不受大小和開(kāi)頭的限制,外有保護(hù)套管,用起來(lái)非常方便。熱電偶是一種感溫元件, 它能將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電勢(shì)信號(hào), 通過(guò)與電氣測(cè)量?jī)x表的配合, 就能測(cè)量出被測(cè)的溫度。
2、熱電歐溫度計(jì)的選擇
常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類(lèi)。標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶,它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級(jí)上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶,一般也沒(méi)有統(tǒng)一的分度表,主要用于某些特殊場(chǎng)合的測(cè)量。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶,按IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)。熱電偶的分度號(hào)有主要有S、R、B、N、K、E、J、T等幾種。其中S、R、B屬于貴金屬熱電偶,N、K、E、J、T屬于廉金屬熱電偶。
S分度號(hào)的特點(diǎn)是抗氧化性能強(qiáng),宜在氧化性、惰性氣氛中連續(xù)使用,長(zhǎng)期使用溫度1400℃,短期1600℃。在所有熱電偶中,S分度號(hào)的精確度等級(jí)最高,通常用作標(biāo)準(zhǔn)熱電偶;
R分度號(hào)與S分度號(hào)相比除熱電動(dòng)勢(shì)大15%左右,其它性能幾乎完全相同;
B分度號(hào)在室溫下熱電動(dòng)勢(shì)極小,故在測(cè)量時(shí)一般不用補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)。它的長(zhǎng)期使用溫度為1600℃,短期1800℃。可在氧化性或中性氣氛中使用,也可在真空條件下短期使用。
N分度號(hào)的特點(diǎn)是1300℃下高溫抗氧化能力強(qiáng),熱電動(dòng)勢(shì)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性及短期熱循環(huán)的復(fù)現(xiàn)性好,耐核輻照及耐低溫性能也好,可以部分代替S分度號(hào)熱電偶;
K分度號(hào)的特點(diǎn)是抗氧化性能強(qiáng),宜在氧化性、惰性氣氛中連續(xù)使用,長(zhǎng)期使用溫度1000℃,短期1200℃。在所有熱電偶中使用最廣泛;
E分度號(hào)的特點(diǎn)是在常用熱電偶中,其熱電動(dòng)勢(shì)最大,即靈敏度最高。宜在氧化性、惰性氣氛中連續(xù)使用,使用溫度0-800℃;
J分度號(hào)的特點(diǎn)是既可用于氧化性氣氛(使用溫度上限750℃),也可用于還原性氣氛(使用溫度上限950℃),并且耐H2及CO氣體腐蝕,多用于煉油及化工;
T分度號(hào)的特點(diǎn)是在所有廉金屬熱電偶中精確度等級(jí)最高,通常用來(lái)測(cè)量300℃以下的溫度。
由于熱電偶的材料一般都比較貴重(特別是采用貴金屬時(shí)),而測(cè)溫點(diǎn)到儀表的距離都很遠(yuǎn),為了節(jié)省熱電偶材料,降低成本,通常采用補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)把熱電偶的冷端(自由端)延伸到溫度比較穩(wěn)定的控制室內(nèi),連接到儀表端子上。必須指出,熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)的作用只起延伸熱電極,使熱電偶的冷端移動(dòng)到控制室的儀表端子上,它本身并不能消除冷端溫度變化對(duì)測(cè)溫的影響,不起補(bǔ)償作用。因此,還需采用其他修正方法來(lái)補(bǔ)償冷端溫度t0≠0℃時(shí)對(duì)測(cè)溫的影響。
在使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)時(shí)必須注意型號(hào)相配,極性不能接錯(cuò),補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)與熱電偶連接端的溫度不能超過(guò)100℃。冷端溫度補(bǔ)償器的型號(hào)應(yīng)與熱電偶的型號(hào)相符,并在規(guī)定溫度范圍內(nèi)使用; 冷端溫度補(bǔ)償器與熱電偶連接時(shí)極性不能接錯(cuò); 根據(jù)補(bǔ)償器的平衡點(diǎn)溫度調(diào)整儀表起始點(diǎn),使指針批示在平衡點(diǎn)溫度; 具有自動(dòng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的顯示儀表不安裝補(bǔ)償器;補(bǔ)償器必須定期檢查和檢定。
熱電偶溫度計(jì)在工業(yè)生產(chǎn)中有著非常廣泛的應(yīng)用,熱電偶的選擇首先應(yīng)根據(jù)被測(cè)溫度的上限,正確地選擇熱電偶的熱電極及保護(hù)套管;根據(jù)被測(cè)對(duì)象的結(jié)構(gòu)及安裝特點(diǎn),選擇熱電偶的規(guī)格及尺寸。 熱電偶按結(jié)構(gòu)形式可分為普通工業(yè)型、鎧裝型及特殊型等。
常用的普通工業(yè)型熱電偶有:
1.鉑銠10一鉑熱電偶:屬于貴重金屬熱電偶,正極為鉑銠合金,負(fù)極為鉑,短期工作溫度為1600℃,長(zhǎng)期工作溫度為1300℃,物理、化學(xué)穩(wěn)定性好,一般用于準(zhǔn)確度要求較高的高溫測(cè)量。但材料較貴,熱電勢(shì)較小,分度號(hào)為S。
2.鎳鉻一鎳硅熱電偶:它是非貴重金屬中性能最穩(wěn)定的一種,應(yīng)用很廣,正極為鎳鉻。短期工作溫度為 1200℃,長(zhǎng)期工作溫度為900℃。此種熱電偶的熱電勢(shì)比上一種大4到5倍,而且線(xiàn)性度更好,誤差一般在(6-8)℃。 但其熱電極不易做得很均勻,較易氧化,穩(wěn)定性差。分度號(hào)為K。
3.鎳鉻一康銅熱電偶:正極是鎳鉻,短期工作溫度為800℃,長(zhǎng)期工作溫度為60℃。它是熱電勢(shì)最大的一種熱電偶,測(cè)量準(zhǔn)確度較高,但極易氧化。分度號(hào)為E。
4.銅一康銅熱電偶:這是在低溫下應(yīng)用得很普遍的熱電偶,測(cè)量溫度范圍(-200-+200)℃,穩(wěn)定性好,低溫時(shí)靈敏度高并且價(jià)格低廉。分度號(hào)為T(mén)。
鎧裝熱電偶是由熱電極、絕緣材料和金屬套管三者組合加工而成,它可以做得很細(xì)很長(zhǎng),在使用中可以隨測(cè)量需要進(jìn)行彎曲,其特點(diǎn)是:熱情性小、熱接點(diǎn)處的熱容量小、壽命較長(zhǎng)、適應(yīng)性強(qiáng)等,應(yīng)用廣泛。
實(shí)際使用時(shí)特別要注意補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)的使用。通常接在儀表和接線(xiàn)盒之間的補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn),其熱電性質(zhì)與所用熱電偶相同或相近,與熱電偶連接后不會(huì)產(chǎn)生大的附加熱電勢(shì),不會(huì)影響熱電偶回路的總熱電勢(shì)。如果用普通導(dǎo)線(xiàn)來(lái)代替補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn),就起不到補(bǔ)償作用,從而降低測(cè)溫的準(zhǔn)確性。所以,使用單位在安裝儀表敷線(xiàn)時(shí)應(yīng)注意:補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)與熱電偶連接時(shí),極性切勿接反,否則測(cè)溫誤差反而增大。
實(shí)際測(cè)量中,如果測(cè)量值偏離實(shí)際值太多,除熱電偶安裝位置不當(dāng)外,還有可能是熱電偶偶絲被氧化、熱電偶測(cè)量端焊點(diǎn)出現(xiàn)砂眼等。
3、熱電偶溫度計(jì)的安裝
熱電偶和熱電阻溫度計(jì)屬于接觸式溫度計(jì),由于其無(wú)法替代的優(yōu)點(diǎn)成為工礦企業(yè)和科研院所常用的溫度測(cè)量?jī)x表。正確的安裝熱電偶和熱電阻傳感器是保證其測(cè)量精度和使用壽命的重要因素。下面根據(jù)平時(shí)的使用情況以幾種常用的安裝方式作些介紹,希望能給大家的實(shí)際工作提供點(diǎn)參考。
首先熱電偶和熱電阻的安裝應(yīng)盡可能保持垂直,以防止保護(hù)套管在高溫下產(chǎn)生變形,但在有流速的情況下,則必須迎著被測(cè)介質(zhì)的流向插入,以保證測(cè)溫元件與流體的充分接觸以保證其測(cè)量精度。另外熱電偶和熱電阻應(yīng)盡量安裝在有保護(hù)層的管道內(nèi),以防止熱量散失。其次當(dāng)熱電偶和熱電阻傳感器安裝在負(fù)壓管道中時(shí),必須保證測(cè)量處具有良好的密封性,以防止外界冷空氣進(jìn)入,使讀數(shù)偏低。當(dāng)熱電偶和熱電阻傳感器安裝在戶(hù)外時(shí),熱電偶和熱電阻傳感器的接線(xiàn)盒面蓋應(yīng)向上,入線(xiàn)口應(yīng)向下,以避免雨水或灰塵進(jìn)入接線(xiàn)盒,而損壞熱電偶和熱電阻接線(xiàn)盒內(nèi)的接線(xiàn)影響其測(cè)量精度。應(yīng)經(jīng)常檢查熱電偶和熱電阻溫度計(jì)各處的接線(xiàn)情況,特別是熱電偶溫度計(jì)由于其補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)的材料硬度較高,非常容易從接線(xiàn)柱脫離造成斷路故障,因此要接線(xiàn)良好不要過(guò)多碰動(dòng)溫度計(jì)的接線(xiàn)并經(jīng)常檢查,以獲得正確的測(cè)量溫度。
熱電偶安裝時(shí)應(yīng)放置在盡可能靠近所要測(cè)的溫度控制點(diǎn)。為防止熱量沿?zé)犭娕紓髯呋蚍乐贡Wo(hù)管影響被測(cè)溫度,熱電偶應(yīng)浸入所測(cè)流體之中,深度至少為直徑的10倍。當(dāng)測(cè)量固體溫度時(shí),熱電偶應(yīng)當(dāng)頂著該材料或與該材料緊密接觸。為了使導(dǎo)熱誤差減至最小,應(yīng)減小接點(diǎn)附近的溫度梯度。
當(dāng)用熱電偶測(cè)量管道中的氣體溫度時(shí),如果管壁溫度明顯地較高或較低,則熱電偶將對(duì)之輻射或吸收熱量,從而顯著改變被測(cè)溫度。這時(shí),可以用一輻射屏蔽罩來(lái)使其溫度接近氣體溫度,采用所謂的屏罩式熱電偶。
選擇測(cè)溫點(diǎn)時(shí)應(yīng)具有代表性,例如測(cè)量管道中流體溫度時(shí),熱電偶的測(cè)量端應(yīng)處于管道中流速最大處。一般來(lái)說(shuō),熱電偶的保護(hù)套管末端應(yīng)越過(guò)流速中心線(xiàn)。