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    熱電偶的原理及結構

         一、熱電偶工作原理:   
        兩種不同成份的導體(稱為熱電偶絲材或熱電極)兩端接合成回路,當接合點的溫度不同時,在回路中就會產生電動勢,這種現象稱為熱電效應,而這種電動勢稱為熱電勢。熱電偶就是利用這種原理進行溫度測量的,其中,直接用作測量介質溫度的一端叫做工作端(也稱為測量端),另一端叫做冷端(也稱為補償端);冷端與顯示儀表或配套儀表連接,顯示儀表會指出熱電偶所產生的熱電勢。
     
        熱電偶實際上是一種能量轉換器,它將熱能轉換為電能,用所產生的熱電勢測量溫度,對于熱電偶的熱電勢,應注意如下幾個問題:
        (1)熱電偶的熱電勢是熱電偶兩端溫度函數的差,而不是熱電偶兩端溫度差的函數;
        (2)熱電偶所產生的熱電勢的大小,當熱電偶的材料是均勻時,與熱電偶的長度和直徑無關,只與熱電偶材料的成份和兩端的溫差有關;
        (3)當熱電偶的兩個熱電偶絲材料成份確定后,熱電偶熱電勢的大小,只與熱電偶的溫度差有關;若熱電偶冷端的溫度保持一定,這進熱電偶的熱電勢僅是工作端溫度的單值函數。
        二、熱電偶的構成
        工業測溫用的熱電偶,其基本構造包括熱電偶絲材、絕緣管、保護管和接線盒等。
        1.常用熱電偶絲材及其性能
        根據熱電偶選用的絲材可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。所調用標準熱電偶是指國家標準規定了其熱電勢與溫度的關系、允許誤差、并有統一的標準分度表的熱電偶,它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標準化熱電偶在使用范圍或數量級上均不及標準化熱電偶,一般也沒有統一的分度表,主要用于某些特殊場合的測量。
         標準化熱電偶 ,我國從1988年1月1日起,熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標準生產,并指定S、R、B、K、N、T、J、 E、(即分度號)八種標準化熱電偶為我國統一設計型熱電偶。 
        a)鉑銠10-鉑熱電偶(分度號為S,也稱為單鉑銠熱電偶)
        該熱電偶的正極成份為含銠10%的鉑銠合金,負極為純鉑;它的特點是:
        (1)熱電性能穩定、抗氧化性強、宜在氧化性氣氛中連續使用、長期使用溫度可達1300℃,超達1400℃時,即使在空氣中、純鉑絲也將會再結晶,使晶粒粗大而斷裂;
        (2)精度高,它是在所有熱電偶中,準確度等級***高的,通常用作標準或測量較高的溫度;
        (3)使用范圍較廣,均勻性及互換性好;
         (4)主要缺點有:微分熱電勢較小,因而靈敏度較低;價格較貴,機械強度低,不適宜在還原性氣氛或有金屬蒸汽的條件下使用。
         b)鉑銠13-鉑熱電偶(分度號為R,也稱為單鉑銠熱電偶)
        該熱電偶的正極為含13%的鉑銠合金,負極為純鉑,同S型相比,它的電勢率大15%左右,其它性能幾乎相同,該種熱電偶在日本產業界,作為高溫熱電偶用得***多,而在中國,則用得較少;
        c)鉑銠30-鉑銠6熱電偶(分度號為B,也稱為雙鉑銠熱電偶)
        該熱電偶的正極是含銠30%的鉑銠合金,負極為含銠6%的鉑銠合金,在室溫下,其熱電勢很小,故在測量時一般不用補償導線,可忽略冷端溫度變化的影響;長期使用溫度為1600℃,短期為1800℃,因熱電勢較小,故需配用靈敏度較高的顯示儀表。
        B型熱電偶適宜在氧化性或中性氣氛中使用,也可以在真空氣氛中的短期使用;即使在還原氣氛下,其壽命也是R或S型的10~20倍;由于其電極均由鉑銠合金制成,故不存在鉑銠-鉑熱電偶負極上所有的缺點、在高溫時很少有大結晶化的趨勢,且具有較大的機械強度;同時由于它對于雜質的吸收或銠的遷移的影響較少,因此經過長期使用后其熱電勢變化并不嚴重、缺點價格昂貴(相對于單鉑銠而言)。
         d)鎳鉻-鎳硅(鎳鋁)熱電偶(分度號為K)
        該熱電偶的正極為含鉻10%的鎳鉻合金,負極為含硅3%的鎳硅合金(有些國家的產品負極為純鎳)??蓽y量0~1300℃的介質溫度,適宜在氧化性及惰性氣體中連續使用,短期使用溫度為1200℃,長期使用溫度為1000℃,其熱電勢與溫度的關系近似線性,價格便宜,是目前用量***大的熱電偶。
        K型熱電偶是抗氧化性較強的賤金屬熱電偶,不適宜在真空、含硫、含碳氣氛及氧化還原交替的氣氛下裸絲使用;當氧分壓較低時,鎳鉻極中的鉻將擇優氧化,使熱電勢發生很大變化,但金屬氣體對其影響較小,因此,多采用金屬制保護管。
        K型熱電偶的缺點: 
        (1)熱電勢的高溫穩定性較N型熱電偶及貴重金屬熱電偶差,在較高溫度下(例如超過1000℃)往往因氧化而損壞;
        (2)在250~500℃范圍內短期熱循環穩定性不好,即在同一溫度點,在升溫降溫過程中,其熱電勢示值不一樣,其差值可達2~3℃;
        (3)其負極在150~200℃范圍內要發生磁性轉變,致使在室溫至230℃范圍內分度值往往偏離分度表,尤其是在磁場中使用時往往出現與時間無關的熱電勢干擾;
        (4)長期處于高通量中系統輻照環境下,由于負極中的錳(Mn)、鈷(Co)等元素發生蛻變,使其穩定性欠佳,致使熱電勢發生較大變化。
        e)鎳鉻硅-鎳硅熱電偶(分度號為N)
        該熱電偶的主要特點是:在1300℃以下調溫抗氧化能力強,長期穩定性及短期熱循環復現性好,耐核輻射及耐低溫性能好,另外,在400~1300℃范圍內,N型熱電偶的熱電特性的線性比K型偶要好;但在低溫范圍內(-200~400℃)的非線性誤差較大,同時,材料較硬難于加工。
        f)銅-銅鎳熱電偶(分度號為T)
        T型熱電電偶,該熱電偶的正極為純銅,負極為銅鎳合金(也稱康銅),其主要特點是:在賤金屬熱電偶中,它的準確度***高、熱電極的均勻性好;它的使用溫度是-200~350℃,因銅熱電極易氧化,并且氧化膜易脫落,故在氧化性氣氛中使用時,一般不能超過300℃,在-200~300℃范圍內,它們靈敏度比較高,銅-康銅熱電偶還有一個特點是價格便宜,是常用幾種定型產品中***便宜的一種。
        g)鐵-康銅熱電偶(分度號為J)
        J型熱電偶,該熱電偶的正極為純鐵,負極為康銅(銅鎳合金),具特點是價格便宜,適用于真空氧化的還原或惰性氣氛中,溫度范圍從-200~800℃,但常用溫度只是500℃以下,因為超過這個溫度后,鐵熱電極的氧化速率加快,如采用粗線徑的絲材,尚可在高溫中使用且有較長的壽命;該熱電偶能耐氫氣(H2)及一氧化碳(CO)氣體腐蝕,但不能在高溫(例如500℃)含硫(S)的氣氛中使用。
        h)鎳鉻-銅鎳(康銅)熱電偶(分度號為E)
        E型熱電偶是一種較新的產品,它的正極是鎳鉻合金,負極是銅鎳合金(康銅),其***大特點是在常用的熱電偶中,其熱電勢***大,即靈敏度***高;它的應用范圍雖不及K型偶廣泛,但在要求靈敏度高、熱導率低、可容許大電阻的條件下,常常被選用;使用中的限制條件與K型相同,但對于含有較高濕度氣氛的腐蝕不很敏感。
        除了以上8種常用的熱電偶外,作為非標準化的熱電偶還有鎢錸熱電偶,鉑銠系熱電偶,銥鍺系熱電偶,鉑鉬系熱電偶和非金屬材料熱電偶等。
    下表所列的是常用熱電偶的材料規格和線徑使用溫度的關系:
        熱電偶分度號 熱電極材料 線徑與作用溫度的關系(℃)
     正極 負極 線徑(mm) 長期 短期
     S 鉑銠10 純鉑 Φ0.5 1300 1600
     R 鉑銠13 純鉑 Φ0.5 1300 1600
     B 鉑銠30 鉑銠6 Φ0.5 1600 1800
     K 鎳鉻 鎳硅 Φ1.2 800 1000
       Φ2.5 1100 1200
       Φ3.2 1200 1300
    N 鎳鉻硅 鎳硅 Φ1.2 800 1000
       Φ2.5 1100 1200
       Φ3.2 1200 1300
    E 鎳鉻 銅鎳 Φ1.2 550 650
       Φ2.0 650 750
       Φ3.2 750 850
    T 純銅 銅鎳 Φ1.6 300 350
    J 鐵 銅鎳 Φ2.0 400 500
       3Φ.2 500 600
        2.絕緣管
        該熱電偶的工作端被牢固地焊接在一起,熱電極之間需要用絕緣管保護。熱電偶的絕緣材料很多,大體上可分為有機和無機絕緣兩類,處于高溫端的絕緣物須***采用無機物,通常在1000以下選用粘土質絕緣管,在1300以下選用高鋁管,在1600以下選用剛玉管。
        3.保護管
        保護管的作用在于使用熱電偶電極不直接與被測介質接觸,它不僅可延長熱電偶的壽命,還可起到支撐和固定熱電極增加其強度的作用;因此,熱電偶保護管及絕緣選擇是否合適,將直接影響到熱電偶的使用壽命和測量的準確度,被采用做保護管的材料主要分金屬和非金屬兩大類。

        綜合上述所講,熱電偶的結構形式為了保證熱電偶可靠、穩定地工作,對它的結構要求如下: 
        ①組成熱電偶的兩個熱電極的焊接須***牢固; 
        ②兩個熱電極彼此之間應很好地絕緣,以防短路; 
        ③補償導線與熱電偶自由端的連接要方便可靠; 
        ④保護套管應能保證熱電極與有害介質充分隔離。
        三、熱電偶優點
        熱電偶是工業上***常用的溫度檢測元件之一。其優點是: 
        1.測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸,不受中間介質的影響。 
        2.測量范圍廣。常用的熱電偶從-50~+1600℃均可邊續測量,某些特殊熱電偶***低可測到-269℃(如金鐵鎳鉻),***高可達+2800℃(如鎢-錸)。
        3. 構造簡單,使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成,而且不受大小和開頭的限制,外有保護套管,用起來非常方便。
        四、熱電偶如何正確選型
        選擇熱電偶要根據使用溫度范圍、所需精度、使用氣氛、測定對象的性能、響應時間和經濟效益等綜合考慮。 
        1.測量精度和溫度測量范圍的選擇 
        使用溫度在1300~1800℃,要求精度又比較高時,一般選用B型熱電偶;要求精度不高,氣氛又允許可用鎢錸熱電偶,高于1800℃一般選用鎢錸熱電偶;使用溫度在1000~1300℃要求精度又比較高可用S型熱電偶和N型熱電偶;在1000℃以下一般用K型熱電偶和N型熱電偶,低于400℃一般用E型熱電偶;250℃下以及負溫測量一般用T型電偶,在低溫時T型熱電偶穩定而且精度高。
        2.使用氣氛的選擇 
        S型、B型、K型熱電偶適合于強的氧化和弱的還原氣氛中使用,J型和T型熱電偶適合于弱氧化和還原氣氛,若使用氣密性比較好的保護管,對氣氛的要求就不太嚴格。
        3.耐久性及熱響應性的選擇 
        線徑大的熱電偶耐久性好,但響應較慢一些,對于熱容量大的熱電偶,響應就慢,測量梯度大的溫度時,在溫度控制的情況下,控溫就差。要求響應時間快又要求有一定的耐久性,選擇鎧裝偶比較合適。
        4.測量對象的性質和狀態對熱電偶的選擇 
        運動物體、振動物體、高壓容器的測溫要求機械強度高,有化學污染的氣氛要求有保護管,有電氣干擾的情況下要求絕緣比較高。 
    選型流程:型號-分度號—防爆等級—精度等級—安裝固定形式—保護管材質—長度或插入深度 。
        五、熱電阻的安裝
        1.熱電偶的安裝要求
        對熱電偶的安裝,應注意有利于測溫準確,安全可靠及維修方便,而且不影響設備運行和生產操作。要滿足以上要求,在選擇對熱電偶和熱電阻的安裝部位和插入深度時要注意以下幾點:
        A.安裝位置。為了使熱電偶的測量端與被測介質之間有充分的熱交換,應合理選擇測點位置,盡量避免在閥門,彎頭及管道和設備的死角附近裝設熱電偶。
        B.插入深度。帶有保護套管的熱電偶有傳熱和散熱損失,為了減少測量誤差,熱電偶應該有足夠的插入深度:
        a)對于測量管道中心流體溫度的熱電偶,一般都應將其測量端插入到管道中心處(垂直安裝或傾斜安裝)。如被測流體的管道直徑是200毫米,那熱電偶插入深度應選擇100毫米;
        b)對于高溫高壓和高速流體的溫度測量(如主蒸汽溫度),為了減少保護套對流體的阻力和防止保護套在流體作用下發生斷裂,可采取保護管淺插方式或采取熱套式熱電偶,淺插式的熱電偶保護套管,其插入主蒸汽管道的深度應不小于75mm;熱套式熱電偶的標準插入深度為100mm;
        c)假如需要測量是煙道內煙氣的溫度,盡管煙道直徑為4m,熱電偶插入深度1m即可。
        d)當測量原件插入深度超過1m時,應盡可能垂直安裝,或加裝支撐架和保護套管。
        C.熱輻射作用。在熱電偶附近如果存在與其具有一定溫差的很大物體時,熱電偶將接受輻射能。從而顯著改變了被測介質的溫度,此時可采用輻射屏蔽罩來使其溫度接近氣體溫度,亦即使用屏蔽式熱電偶
        D.補償導線的作用。補償導線是指鏈接熱電偶接線盒與溫度指示儀表的一對帶有絕緣層的導線。正確地使用補償導線,不但可以講熱電偶的參考端延伸到院里熱源或環境溫度較恒定的地方,改善其測溫線路的機械物理性能,而且還能降低測量線路的成本,提高測溫準確性,即起到補償溫度作用。補償導線的使用還應注意,其兩連接點的溫度應相同,且不得超過規定的使用溫度(普通型不大于100?C,耐熱型不大于200?C),同時保證其與熱電偶連接時極性不得接反,否則將產生附加熱電動勢,對回路縱熱電動勢產生影響,從而增大測溫誤差。
        2.熱電偶的安裝方式
        A.首先應測量好熱電偶螺牙的尺寸,車好螺牙座。
        B.要根據螺牙座的直徑,在需要測量的管道上開孔。
        C.螺牙座的焊接。把螺牙座插入已開好孔內,把螺牙座與被測量的管道焊接好。
        D.把熱電偶旋進已焊好的螺牙座。
        E.按照接線圖將熱電偶的接線盒接好線,并與表盤上相對應得顯示儀表連接,注意接線盒不可與被測介質管道的管壁相接觸,保證接線盒內的溫度不超過0-100℃范圍。接線盒的出線孔應朝下安裝,以防因密封不良,水汽灰塵等沉積造成接線端子短路。


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