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热电偶的工作原理及结构
发布时间:2019-02-15 阅读:177
    热电偶是工业上zui常用的温度检测元件之一,热电偶工作原理是基于赛贝克(seeback)效应,即两种不同成分的导体两端连接成回路,如两连接端温度不同,则在回路内产生热电流的物理现象。
    作为工业测温中zui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。
    其优点是:
    ①测量精度高;②测量范围广;③构造简单,热电偶使用方便。
热电偶测温基本原理
    热电偶是一种感温元件,是一次仪表,它直接测量温度,并把温度信号转换成热电动势信号, 再通过电气仪表(二次仪表)转换成被测介质的温度。
    热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过,此时两端之间就存在电动势——热电动势,这就是所谓的塞贝克效应。
    两种不同成份的均质导体为热电极,温度较高的一端为工作端,温度较低的一端为自由端,自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系, 制成热电偶分度表; 分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的,不同的热电偶具有不同的分度表。
    在热电偶回路中接入第三种金属材料时, 只要该材料两个接点的温度相同, 热电偶所产生的热电势将保持不变,即不受第三种金属接入回路中的影响。因此, 在热电偶测温时, 可接入测量仪表, 测得热电动势后, 即可知道被测介质的温度。
    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。
    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。
    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zui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zui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zui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。           
    5、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。
    6、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zui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zui便宜的一种。
    7、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。             
    8、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zui大特点是在常用的热电偶中,其热电势zui大,即灵敏度zui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。   

 
 
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