概述:
作為工業(yè)測溫中zui廣泛使用的溫度傳感器之一——熱電偶,與鉑熱電阻一起,約占整個溫度傳感器總量的60%,熱電偶通常和顯示儀表等配套使用,直接測量各種生產(chǎn)過程中-40~1800℃范圍內(nèi)的液體、蒸氣和氣體介質以及固體的表面溫度。
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(chǎn)生電動勢,這種現(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)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(shù)的差,而不是熱電偶兩端溫度差的函數(shù);
(2)熱電偶所產(chǎn)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(shù)。
熱電偶的基本構造:
工業(yè)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。
一、常用熱電偶絲材及其性能
1、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(wěn)定、抗氧化性強、宜在氧化性氣氛中連續(xù)使用、長期使用溫度可達
(2)精度高,它是在所有熱電偶中,準確度等級zui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。
2、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(chǎn)業(yè)界,作為高溫熱電偶用得zui多,而在中國,則用得較少;
3、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
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(jīng)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)。
4、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(chǎn)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(xù)使用,短期使用溫度為
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(yōu)氧化,使熱電勢發(fā)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(wěn)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
(2)在250~500℃范圍內(nèi)短期熱循環(huán)穩(wěn)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(nèi)要發(fā)生磁性轉變,致使在室溫至
(4)長期處于高通量中系統(tǒng)輻照環(huán)境下,由于負極中的錳(Mn)、鈷(Co)等元素發(fā)生蛻變,使其穩(wěn)定性欠佳,致使熱電勢發(fā)生較大變化。
5、鎳鉻硅-鎳硅熱電偶(分度號為N)
該熱電偶的主要特點是:在
6、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zui高、熱電極的均勻性好;它的使用溫度是-200~
7、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~
8、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(chǎn)品,它的正極是鎳鉻合金,負極是銅鎳合金(康銅),其zui大特點是在常用的熱電偶中,其熱電勢zui大,即靈敏度zui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(guī)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 |
二、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必須采用無機物,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。
三、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。