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热电偶的基本知识doc
热电偶的基本知识
热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。
其优点是:
∙测量精度高。
因热电偶直接与被测对象接触,不受中间介质的影响。
∙测量范围广。
常用的热电偶从-50~+1600℃均可连续测量,某些特殊热电偶最低可测到-269℃(如金铁镍铬),最高可达+2800℃(如钨-铼)。
∙构造简单,使用方便。
热电偶通常是由两种不同的金属丝组成,而且不受大小和开头的限制,外有保护套管,用起来非常方便。
一、热电偶测温基本原理
将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来,构成一个闭合回路,如图1所示。
当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时,两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。
热电偶就是利用这一效应来工作的。
图1热电偶工作原理图
如图1所示,热电偶的一端将A、B两种导体焊在一起,置于温度为t的被测介中称为自由端,放在温度为t0的恒定温度下。
当工作端的被测介质温度发生变化时,热电势随之发生变化,将热电势送入显示仪表进行指示或记录,或送入微机进行处理,即可获得温度值。
热电偶两端的热电势差可以用下式表示:
式中:
Et-热电偶的热电势;eAB(t)-温度为t时工作端的热电势;eAB(t0)-温度为t0时自由端的热电势
当自由端温度t0恒定时,热电势只与工作端的温度有关,即Et=f(t)。
当组成热电偶的热电极的材料均匀时,其热电势的大小与热电极本身的长度和直径大小无关,只与热电极材料的成分及两端的温度有关,因此,用各种不同的导体或半导体材料可做成各种用途的热电偶,以满足不同温度对象测量的需要。
二、热电偶的种类
常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。
所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶,它有与其配套的显示仪表可供选用。
非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶,一般也没有统一的分度表,主要用于某些特殊场合的测量。
1、标准化热电偶
我国从1988年1月1日起,热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产,并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。
这七种标准化热电偶的使用特性见表1,分度表详见2。
表1标准化热电偶使用特性
序号
分度号
热电偶名称
热电偶丝直径(mm)
等级及允许偏差
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
温度范围℃
允许偏差
温度范围℃
允许偏差
温度范围℃
允许偏差
1
S
铂铑10-铂
0.5-0.020
0~1100
±1℃
0~600
±1.5℃
0~1600
±0.5%t
1100~1600
±[1+(t-1100)×0.003]℃
600~1600
±0.25%t
≤600
±3℃
>600
±0.5%t
2
B
铂铑30-铂铑6
0.5-0.015
--
--
600~1700
±0.25%t
600~800
±4℃
900~1700
±0.5%t
3
K
镍铬-镍硅
0.3,0.5,0.8,1.0,1.2,1.6,2.0,2.5,3.2
≤400
±1.6℃
≤400
±3℃
-200~0
±1.5%t
>400
±0.4%t
>400
±0.75%t
4
J
铁康铜
0.3,0.5,0.8,1.2,1.6,2.0,3.2
-40~750
±1.5℃或(±0.4%t)
-40~750
±2.5℃或(±0.75%t)
--
--
5
R
铂铑13-铂
0.5-0.020
0~1100
±1℃
0~600
±1.5℃
--
--
1100~1600
±[1+(t-1100)×0.003℃
600~1600
±0.25%t
6
E
镍铬-康铜
0.3,0.5,0.8,1.2,1.6,2.0,3.2
-40~800
±1.5℃或(±0.4%t)
-40~900
±2.5℃或(±0.75%t)
-200~+40
±2.5℃或(±1.5%t)
7
T
铜-康铜
0.2,0.3,0.5,1.0,1.6
-40~350
±05℃或(±0.4%t)
-40~350
±1.0或(±0.75)
-200~+40
±1或±1.5%t
注:
∙t为被测温度
∙允许偏差以℃值或实际温度的百分数表示,两者中采用计算数值的较大值
2、非标准化热电偶
非标准化热电偶使用概况见表2
表2非标准热电偶使用概况
名称
材料
测温范围℃
允许误差℃
特点
用途
正极
负极
高温热电偶
铂铑-3
铂
0~1600
热电势较铂铑10大,其它一样
测量钴合金熔液温度<1501℃
铂铑13
铂铑1
0~1700
≤600为±10
>600为±0.5%t
在高温下抗沾污性能和机械性能好
各种高温测量
铂铑20
铂铑5
0~1700
在高温下抗氧化性能,机械性能好,化学稳定性好,50℃以下热电势小,参比端可以不用温度补偿
铱铑40
铂铑20
0~1850
铱铑40
铱
300~2200
≤1000为±10
>1000为±1.0%t
热电势与温度线性好,适用于氧化,真空,惰性气体,热电势小,价贵,寿命短
航空和空间技术及其他高温测量
铱铑60
铱
钨铼3
钨铼25
300~2800
≤1000为±10
>1000为±1.0%t
上限温度高,热电势比上述材料大,线性较好,适用于真空,还原性和惰性气氛
钢水温度测量及其他高温测量
钨铼5
钨铼20
低温热电偶
镍铬
金铁0.07%
-270~0
±1.0
在极低温下,灵敏度较高,稳定性好,热电极材料易复制,是较理想的低温热电偶
用于超导,宇航,受控热核反应等低温工程以及科研部门
铜
金铁0.07%
-270~-196
非金属热电偶
碳
石墨
测温上限2400
热电势大,熔点高,价格低廉,但复现性和机械性能差
用于耐火材料的高温测量
硼化锆
碳化锆
测温上限2000
二硅化钨
二硅化钼
测温上限1700
注:
t为被测温度的绝对值
二、热电偶的结构形式
为了保证热电偶可靠、稳定地工作,对它的结构要求如下:
∙组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固;
∙两个热电极彼此之间应很好地绝缘,以防短路;
∙补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠;
∙保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。
按热电偶的用途不同,常制成以下几种形式。
1、普通型热电偶
普通型热电偶是使用最多的,主要用来测量气体、蒸汽和液体等介质的温度。
根据测温范围及环境的不同,所用的热电偶电极和保护套管的材料也不同,但因使用条件基本类似,所以这类热电偶已标准化、系列化。
按其安装时的连接方法可分为螺纹连接和法兰连接两种。
图2-1所示为普通热电偶结构图。
图2-1
2、铠装热电偶
铠装热电偶又称缆式热电偶,是由热电极、绝缘材料(通常为电熔氧化镁)和金属保护管三者结合,经控制而成一个坚实的整体。
铠装热电偶有单支(双芯)和双支(四芯)之分,其测量端有露头型、接壳型和绝缘型三种基本形式。
见表2-1
序号
测量端形式
示意图
特点
1
露头型
时间常数小;适用于良好的气氛,寿命短
2
接壳型
时间常数较序号1大;适用于较坏的气氛
3
绝缘型
时间常数较序号2大;适用于较恶劣的气氛,寿命长
表2-1铠装热电偶测量端的结构形式及特点
铠装热电偶的参比端(接线盒)形式有简易式、防水式、防溅式、接插式和小接线盒式等。
铠装热电偶具有体积小、精度高、动态响应快、耐振动、耐冲击、机械强度高、可挠性好,便于安装等优点,已广泛应用在航空、原子能、电力、冶金和石油化工等部门。
3、表面热电偶
表面热电偶主要用来测量圆弧形表面温度。
它的测温结构分为凸形、弓形和针形。
图2-2所示为直柄式弓形热电偶结构示意图,表2-2为WRKM系列表面热电偶。
图2-2直柄式弓形热电偶结构示意图
表2-2WRKM系列表面热电偶
名称
测温范围℃
型号
用途
手柄式圆柱表面热电偶
0~250
WRKM-101
各种φ130mm以上圆柱体、滚筒形表面测温
手柄式平面表面热电偶
0~250
WRKM-102
各种固体介质平面测温
直柄式圆柱表面热电偶
0~250
WRKM-201
各种φ130mm以上圆柱体、滚筒形表面测温
直柄式平面表面热电偶
0~250
WRKM-202
各种固体介质平面表面测温
直柄式弓形表面热电偶
0~250
WRKM-203
圆柱凸型表面测温
直柄式指针形表面热电偶
0~500
WRKM-204
蒸气、液体测温
直柄式薄片型表面热电偶
0~250
WRKM-205
各种机械设备、各种狭缝处测温
直柄式注射形表面热电偶
0~250
WRKM-206
轮胎胶料内部测温
4、薄膜式热电偶
图2-3
薄膜式热电偶是用真空蒸镀的方法,将热电极沉积蓄沉积在绝缘基板上而成的热电偶。
其结构如图2-3所示。
加采用蒸镀工镀工艺,所以热电偶可以做得很薄,而且尺寸可做得很小。
它的特点是热容量小,响应速度快,适合于测量微小面积上的瞬变温度。
5、快速消耗型热电偶
图2-4
这是一种专为测量钢水及熔融金属温度而设计的特殊热电偶,其结构如图2-4所示。
热电极由直径0.05~0.1mm的铂铑10-铂铑30(或钨铼6-钨铼20)等材料制成,且装在外径为1mm的U形石英管内,构成测温的敏感元件.其外部有绝缘良好的纸管、保护管及高温绝热水泥加以保护和固定。
它的特点是:
当其插入钢水后,保护帽瞬即熔化,热电偶工作端即刻暴露于钢水中,由于石英管和热电偶热容量都很小,因此能很快反映出钢水的温度,反应时间一般为4~6秒。
在测出温度后,热电偶和石英保护管都被烧坏,因此它只能一次性使用。
这种热电偶可直接用补偿导线接到专用的快速电子电位差计上,直接读取钢水温度。
三、热电偶冷端的温度补偿
由于热电偶的材料一般都比较贵重(特别是采用贵金属时),而测温点到仪表的距离都很远,为了节省热电偶材料,降低成本,通常采用补偿导线把热电偶的冷端(自由端)延伸到温度比较稳定的控制室内,连接到仪表端子上。
必须指出,热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极,使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上,它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响,不起补偿作用。
因此,还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t0≠0℃时对测温的影响。
在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配,极性不能接错,补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100℃。
常用热电偶的补偿导线列于表3-1中。
表3-1常用热电偶的补偿导线
配用热电偶分度号
补偿导线型号
补偿导线正极
补偿导线负极
补偿导线在100℃的热电势允许误差,mV
材料
颜色
材料
颜色
A(精密级)
B(精密级)
S
SC
铜
红
铜镍
绿
0.645±0.023
0.645±0.037
K
KC
铜
红
铜镍
蓝
4.095±0.063
4.095±0.105
K
KX
镍铬
红
镍硅
黑
4.095±0.063
4.095±0.105
E
EX
镍铬
红
铜镍
棕
6.317±0.102
6.317±0.170
J
JX
铁
红
铜镍
紫
5.268±0.081
5.268±0.135
T
TX
铜
红
铜
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