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热电偶的原理及结构

     一、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。
    二、热电偶的构成
    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。
    1.常用热电偶丝材及其性能
    根据热电偶选用的丝材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。
     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、R、B、K、N、T、J、 E、(即分度号)八种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。 
    a)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***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。
     b)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***多,而在中国,则用得较少;
    c)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)。
     d)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***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。
    e)镍铬硅-镍硅热电偶(分度号为N)
    该热电偶的主要特点是:在1300℃以下调温抗氧化能力强,长期稳定性及短期热循环复现性好,耐核辐射及耐低温性能好,另外,在400~1300℃范围内,N型热电偶的热电特性的线性比K型偶要好;但在低温范围内(-200~400℃)的非线性误差较大,同时,材料较硬难于加工。
    f)铜-铜镍热电偶(分度号为T)
    T型热电电偶,该热电偶的正极为纯铜,负极为铜镍合金(也称康铜),其主要特点是:在贱金属热电偶中,它的准确度***高、热电极的均匀性好;它的使用温度是-200~350℃,因铜热电极易氧化,并且氧化膜易脱落,故在氧化性气氛中使用时,一般不能超过300℃,在-200~300℃范围内,它们灵敏度比较高,铜-康铜热电偶还有一个特点是价格便宜,是常用几种定型产品中***便宜的一种。
    g)铁-康铜热电偶(分度号为J)
    J型热电偶,该热电偶的正极为纯铁,负极为康铜(铜镍合金),具特点是价格便宜,适用于真空氧化的还原或惰性气氛中,温度范围从-200~800℃,但常用温度只是500℃以下,因为超过这个温度后,铁热电极的氧化速率加快,如采用粗线径的丝材,尚可在高温中使用且有较长的寿命;该热电偶能耐氢气(H2)及一氧化碳(CO)气体腐蚀,但不能在高温(例如500℃)含硫(S)的气氛中使用。
    h)镍铬-铜镍(康铜)热电偶(分度号为E)
    E型热电偶是一种较新的产品,它的正极是镍铬合金,负极是铜镍合金(康铜),其***大特点是在常用的热电偶中,其热电势***大,即灵敏度***高;它的应用范围虽不及K型偶广泛,但在要求灵敏度高、热导率低、可容许大电阻的条件下,常常被选用;使用中的限制条件与K型相同,但对于含有较高湿度气氛的腐蚀不很敏感。
    除了以上8种常用的热电偶外,作为非标准化的热电偶还有钨铼热电偶,铂铑系热电偶,铱锗系热电偶,铂钼系热电偶和非金属材料热电偶等。
下表所列的是常用热电偶的材料规格和线径使用温度的关系:
    热电偶分度号 热电极材料 线径与作用温度的关系(℃)
 正极 负极 线径(mm) 长期 短期
 S 铂铑10 纯铂 Φ0.5 1300 1600
 R 铂铑13 纯铂 Φ0.5 1300 1600
 B 铂铑30 铂铑6 Φ0.5 1600 1800
 K 镍铬 镍硅 Φ1.2 800 1000
   Φ2.5 1100 1200
   Φ3.2 1200 1300
N 镍铬硅 镍硅 Φ1.2 800 1000
   Φ2.5 1100 1200
   Φ3.2 1200 1300
E 镍铬 铜镍 Φ1.2 550 650
   Φ2.0 650 750
   Φ3.2 750 850
T 纯铜 铜镍 Φ1.6 300 350
J 铁 铜镍 Φ2.0 400 500
   3Φ.2 500 600
    2.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。
    3.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。

    综合上述所讲,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: 
    ①组成热电偶的两个热电极的焊接须***牢固; 
    ②两个热电极彼此之间应很好地绝缘,以防短路; 
    ③补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠; 
    ④保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。
    三、热电偶优点
    热电偶是工业上***常用的温度检测元件之一。其优点是: 
    1.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。 
    2.测量范围广。常用的热电偶从-50~+1600℃均可边续测量,某些特殊热电偶***低可测到-269℃(如金铁镍铬),***高可达+2800℃(如钨-铼)。
    3. 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。
    四、热电偶如何正确选型
    选择热电偶要根据使用温度范围、所需精度、使用气氛、测定对象的性能、响应时间和经济效益等综合考虑。 
    1.测量精度和温度测量范围的选择 
    使用温度在1300~1800℃,要求精度又比较高时,一般选用B型热电偶;要求精度不高,气氛又允许可用钨铼热电偶,高于1800℃一般选用钨铼热电偶;使用温度在1000~1300℃要求精度又比较高可用S型热电偶和N型热电偶;在1000℃以下一般用K型热电偶和N型热电偶,低于400℃一般用E型热电偶;250℃下以及负温测量一般用T型电偶,在低温时T型热电偶稳定而且精度高。
    2.使用气氛的选择 
    S型、B型、K型热电偶适合于强的氧化和弱的还原气氛中使用,J型和T型热电偶适合于弱氧化和还原气氛,若使用气密性比较好的保护管,对气氛的要求就不太严格。
    3.耐久性及热响应性的选择 
    线径大的热电偶耐久性好,但响应较慢一些,对于热容量大的热电偶,响应就慢,测量梯度大的温度时,在温度控制的情况下,控温就差。要求响应时间快又要求有一定的耐久性,选择铠装偶比较合适。
    4.测量对象的性质和状态对热电偶的选择 
    运动物体、振动物体、高压容器的测温要求机械强度高,有化学污染的气氛要求有保护管,有电气干扰的情况下要求绝缘比较高。 
选型流程:型号-分度号—防爆等级—精度等级—安装固定形式—保护管材质—长度或插入深度 。
    五、热电阻的安装
    1.热电偶的安装要求
    对热电偶的安装,应注意有利于测温准确,安全可靠及维修方便,而且不影响设备运行和生产操作。要满足以上要求,在选择对热电偶和热电阻的安装部位和插入深度时要注意以下几点:
    A.安装位置。为了使热电偶的测量端与被测介质之间有充分的热交换,应合理选择测点位置,尽量避免在阀门,弯头及管道和设备的死角附近装设热电偶。
    B.插入深度。带有保护套管的热电偶有传热和散热损失,为了减少测量误差,热电偶应该有足够的插入深度:
    a)对于测量管道中心流体温度的热电偶,一般都应将其测量端插入到管道中心处(垂直安装或倾斜安装)。如被测流体的管道直径是200毫米,那热电偶插入深度应选择100毫米;
    b)对于高温高压和高速流体的温度测量(如主蒸汽温度),为了减少保护套对流体的阻力和防止保护套在流体作用下发生断裂,可采取保护管浅插方式或采取热套式热电偶,浅插式的热电偶保护套管,其插入主蒸汽管道的深度应不小于75mm;热套式热电偶的标准插入深度为100mm;
    c)假如需要测量是烟道内烟气的温度,尽管烟道直径为4m,热电偶插入深度1m即可。
    d)当测量原件插入深度超过1m时,应尽可能垂直安装,或加装支撑架和保护套管。
    C.热辐射作用。在热电偶附近如果存在与其具有一定温差的很大物体时,热电偶将接受辐射能。从而显著改变了被测介质的温度,此时可采用辐射屏蔽罩来使其温度接近气体温度,亦即使用屏蔽式热电偶
    D.补偿导线的作用。补偿导线是指链接热电偶接线盒与温度指示仪表的一对带有绝缘层的导线。正确地使用补偿导线,不但可以讲热电偶的参考端延伸到院里热源或环境温度较恒定的地方,改善其测温线路的机械物理性能,而且还能降低测量线路的成本,提高测温准确性,即起到补偿温度作用。补偿导线的使用还应注意,其两连接点的温度应相同,且不得超过规定的使用温度(普通型不大于100�C,耐热型不大于200�C),同时保证其与热电偶连接时极性不得接反,否则将产生附加热电动势,对回路纵热电动势产生影响,从而增大测温误差。
    2.热电偶的安装方式
    A.首先应测量好热电偶螺牙的尺寸,车好螺牙座。
    B.要根据螺牙座的直径,在需要测量的管道上开孔。
    C.螺牙座的焊接。把螺牙座插入已开好孔内,把螺牙座与被测量的管道焊接好。
    D.把热电偶旋进已焊好的螺牙座。
    E.按照接线图将热电偶的接线盒接好线,并与表盘上相对应得显示仪表连接,注意接线盒不可与被测介质管道的管壁相接触,保证接线盒内的温度不超过0-100℃范围。接线盒的出线孔应朝下安装,以防因密封不良,水汽灰尘等沉积造成接线端子短路。


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