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热电偶基本原理和使用方法

常用热电偶分度号有S、B、K、E、T、J等,这些都是标准化热电偶。其中K型也即镍铬-镍硅热电偶,它是一种能测量较高温度的廉价热偶。由于这种合金具有较好的高温抗氧化性,可适用于氧化性或中性介质中。它可长期测量1000度的高温,短期可测到1200度。它不能用于还原性介质中,否则,很快腐蚀,在此情况下只能用于500度以下的测量。它比S型热偶要便宜很多,它的重复性很好,产生的热电势大,因而灵敏度很高,而且它的线性很好。虽然其测量精 度略低,但完全能满足工业测温要求,所以它是工业上最常用的热电偶。 

概述:

作为工业测温中最广泛使用的温度传感器之一——热电偶,与铂热电阻一起,约占整个温度传感器总量的60%,热电偶通常和显示仪表等配套使用,直接测量各种生产过程中-40~1800℃范围内的液体、蒸气和气体介质以及固体的表面温度。


热电偶工作原理:


两种不同成份的导体(称为热电偶丝材或热电极)两端接合成回路,当接合点的温度不同时,在回路中就会产生电动势,这种现象称为热电效应,而这种电动势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的,其中,直接用作测量介质温度的一端叫做工作端(也称为测量端),另一端叫做冷端(也称为补偿端); 冷端与显示仪表或配套仪表连接,显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。


热电偶实际上是一种能量转换器,它将热能转换为电能,用所产生的热电势测量温度,对于热电偶的热电势,应注意如下几个问题:


(1)热电偶的热电势是热电偶两端温度函数的差,而不是热电偶两端温度差的函数;


(2)热电偶所产生的热电势的大小,当热电偶的材料是均匀时,与热电偶的长度和直径无关,只与热电偶材料的成份和两端的温差有关;


(3)当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后,热电偶热电势的大小,只与热电偶的温度差有关;若热电偶冷端的温度保持一定,这进热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。


热电偶的基本构造: 


工业测温用的热电偶,其基本构造包括热电偶丝材、绝缘管、保护管和接线盒等。


一、常用热电偶丝材及其性能


1、铂铑10-铂热电偶(分度号为S,也称为单铂铑热电偶)


该热电偶的正极成份为含铑10%的铂铑合金,负极为纯铂;它的特点是:


(1)热电性能稳定、抗氧化性强、宜在氧化性气氛中连续使用、长期使用温度可达1300℃,超达1400℃时,即使在空气中、纯铂丝也将会再结晶,使晶粒粗大而断裂;


(2)精度高,它是在所有热电偶中,准确度等级最高的,通常用作标准或测量较高的温度;


(3)使用范围较广,均匀性及互换性好;


(4)主要缺点有:微分热电势较小,因而灵敏度较低;价格较贵,机械强度低,不适宜在还原性气氛或有金属蒸汽的条件下使用。


2、铂铑13-铂热电偶(分度号为R,也称为单铂铑热电偶)


该热电偶的正极为含13%的铂铑合金,负极为纯铂,同S型相比,它的电势率大15%左右,其它性能几乎相同,该种热电偶在日本产业界,作为高温热电偶用得最多,而在中国,则用得较少;


3、铂铑30-铂铑6热电偶(分度号为B,也称为双铂铑热电偶)


该热电偶的正极是含铑30%的铂铑合金,负极为含铑6%的铂铑合金,在室温下,其热电势很小,故在测量时一般不用补偿导线,可忽略冷端温度变化的影响;长期使用温度为1600℃,短期为1800℃,因热电势较小,故需配用灵敏度较高的显示仪表。


B型热电偶适宜在氧化性或中性气氛中使用,也可以在真空气氛中的短期使用;即使在还原气氛下,其寿命也是R或S型的10~20倍;由于其电极均由铂铑合金制成,故不存在铂铑-铂热电偶负极上所有的缺点、在高温时很少有大结晶化的趋势,且具有较大的机械强度;同时由于它对于杂质的吸收或铑的迁移的影响 较少,因此经过长期使用后其热电势变化并不严重、缺点价格昂贵(相对于单铂铑而言)。


4、镍铬-镍硅(镍铝)热电偶(分度号为K)


该热电偶的正极为含铬10%的镍铬合金,负极为含硅3%的镍硅合金(有些国家的产品负极为纯镍)。可测量0~1300℃的介质温度,适宜在氧化性及惰性气体中连续使用,短期使用温度为1200℃,长期使用温度为1000℃,其热电势与温度的关系近似线性,价格便宜,是目前用量最大的热电偶。


K型热电偶是抗氧化性较强的贱金属热电偶,不适宜在真空、含硫、含碳气氛及氧化还原交替的气氛下裸丝使用;当氧分压较低时,镍铬极中的铬将择优氧化,使热电势发生很大变化,但金属气体对其影响较小,因此,多采用金属制保护管。


K型热电偶的缺点:


(1)热电势的高温稳定性较N型热电偶及贵重金属热电偶差,在较高温度下(例如超过1000℃)往往因氧化而损坏;


(2)在250~500℃范围内短期热循环稳定性不好,即在同一温度点,在升温降温过程中,其热电势示值不一样,其差值可达2~3℃;


(3)其负极在150~200℃范围内要发生磁性转变,致使在室温至230℃范围内分度值往往偏离分度表,尤其是在磁场中使用时往往出现与时间无关的热电势干扰;


(4)长期处于高通量中系统辐照环境下,由于负极中的锰(Mn)、钴(Co)等元素发生蜕变,使其稳定性欠佳,致使热电势发生较大变化。


二、绝缘管


该热电偶的工作端被牢固地焊接在一起,热电极之间需要用绝缘管保护。热电偶的绝缘材料很多,大体上可分为有机和无机绝缘两类,处于高温端的绝缘物必须采用无机物,通常在1000以下选用粘土质绝缘管,在1300以下选用高铝管,在1600以下选用刚玉管。


三、保护管


保护管的作用在于使用热电偶电极不直接与被测介质接触,它不仅可延长热电偶的寿命,还可起到支撑和固定热电极增加其强度的作用;因此,热电偶保护管及绝缘选择是否合适,将直接影响到热电偶的使用寿命和测量的准确度,被采用做保护管的材料主要分金属和非金属两大类。


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