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        熱電偶基本原理和使用方法

        日期:2022-05-07 12:54
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        摘要:

        常用熱電偶分度號有S、B、K、E、T、J等,這些都是標準化熱電偶。其中K型也即鎳鉻-鎳硅熱電偶,它是一種能測量較高溫度的廉價熱偶。由于這種 合金具有較好的高溫抗氧化性,可適用于氧化性或中性介質中。它可長期測量1000度的高溫,短期可測到1200度。它不能用于還原性介質中,否則,很快腐 蝕,在此情況下只能用于500度以下的測量。它比S型熱偶要便宜很多,它的重復性很好,產生的熱電勢大,因而靈敏度很高,而且它的線性很好。雖然其測量精 度略低,但完全能滿足工業測溫要求,所以它是工業上*常用的熱電偶。

        概述:

        作為工業測溫中*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,直接測量各種生產過程中-40~1800℃范圍內的液體、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。

        熱電偶的基本構造:

        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。

        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。

        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業界,作為高溫熱電偶用得*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)。

        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。

        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。

        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*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。

        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 -200~800℃,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。

        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。

        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。

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