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,當兩個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(yīng),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(zhì)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(zhuǎn)換器,它將熱能轉(zhuǎn)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(yīng)注意如下幾個問題:
1、熱電偶的熱電勢是熱電偶工作端的兩端溫度函數(shù)的差,而不是熱電偶冷端與工作端,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(guān),只與熱電偶材料的成份和兩端的溫差有關(guān);
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(guān);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)。將兩種不同材料的導體或半導體A和B焊接起來,構(gòu)成一個閉合回路,如圖所示。當導體A和B的兩個執(zhí)著點1和2之間存在溫差時,兩者之間便產(chǎn)生電動勢,因而在回路中形成一個大小的電流。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來工作的。
常見種類
常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。所謂標準熱電偶是指國家標準規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標準分度表的熱電偶,它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標準化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標準化熱電偶,一般也沒有統(tǒng)一的分度表,主要用于某些特殊場合的測量。標準化熱電偶中國從1988年1月1日起,熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標準生產(chǎn),并要求S、B、E、K、R、J、T七種標準化熱電偶為中國統(tǒng)一設(shè)計型熱電偶。
熱電偶分度號 | 熱電極材料 |
| 正極 | 負極 |
S | 鉑銠 10 | 純鉑 |
R | 鉑銠 13 | 純鉑 |
B | 鉑銠 30 | 鉑銠 6 |
K | 鎳鉻 | 鎳硅 |
T | 純銅 | 銅鎳 |
J | 鐵 | 銅鎳 |
N | 鎳鉻硅 | 鎳硅 |
E | 鎳鉻 | 銅鎳 |
從理論上講,任何兩種不同導體(或半導體)都可以配制成熱電偶,但是作為實用的測溫元件,對它的要求是多方面的。為了保證工程技術(shù)中的可靠性,以及足夠的測量精度,并不是所有材料都能組成熱電偶,一般對熱電偶的電極材料,基本要求是:
1、在測溫范圍內(nèi),熱電性質(zhì)穩(wěn)定,不隨時間而變化,有足夠的物理化學穩(wěn)定性,不易氧化或腐蝕;
2、電阻溫度系數(shù)小,導電率高,比熱?。?/div>
3、測溫中產(chǎn)生熱電勢要大,并且熱電勢與溫度之間呈線性或接近線性的單值函數(shù)關(guān)系;
4、材料復(fù)制性好,機械強度高,制造工藝簡單,價格便宜。
安裝
在生產(chǎn)中由于被測對象不同,環(huán)境條件不同,測量要求不同,和熱電阻的安裝方法及采取的措施也不同,需要考慮的問題比較多,但原則上可以從測溫的準確性、安全性、維修方便三個方面來考慮。
為避免測溫元件損壞,應(yīng)保證其有足夠的機械強度,為保護感溫元件不受磨損應(yīng)加保護屏或保護管等,為確保安全、可靠,測溫元件的安裝方法應(yīng)視具體情況(如待測介質(zhì)的溫度、壓力、測溫元件的長度及其安裝位置、形式等)而定。下面僅舉幾例以引起注意:
凡安裝承受壓力的測溫元件,都必須保證其密封性。高溫下工作的熱電偶,為防止保護管在高溫下產(chǎn)生變形,一般應(yīng)垂直安裝,若必須水平安裝則不宜過長,并用支架保護熱電偶。若測溫元件安裝于介質(zhì)流速較大的管道中,則其應(yīng)傾斜安裝。為防止測溫元件受到過大的沖蝕,最好安裝在管道的彎曲處。當介質(zhì)壓力超過10MPa時,必須在測量元件上加保護外套。熱電偶/熱電阻的安裝部位還應(yīng)考慮其拆裝、維修、校驗的足夠空間和場地,具有較長保護管的熱電偶、熱電阻應(yīng)能方便地拆裝。
測量方法
熱響應(yīng)時間比較復(fù)雜,不同的試驗條件會有不同的測量結(jié)果,這是因為它受熱電偶與周圍介質(zhì)的換熱率影響,換熱率高,則熱響應(yīng)時間就短。為了使熱電偶產(chǎn)品的熱響應(yīng) 時間具有可比性,國家標準規(guī)定:熱響應(yīng)時間應(yīng)在專用水流試驗裝置上進行。該裝置的水流速度應(yīng)保持0.4±0.05m/s,初始溫度在5-45℃的范圍內(nèi),溫度階躍值為40-50℃。在試驗 過程中,水的溫度變化應(yīng)不大于溫度階躍值的±1%。被試熱電偶的置入深度為150mm或設(shè)計的置入深度(選其中較小值并在試驗報告中注明)。
由于該裝置比較復(fù)雜,目前只有極少數(shù)單位有這套設(shè)備,故國家標準中規(guī)定允許生產(chǎn)廠與用戶協(xié)商,可采用其他試驗方法,但所給數(shù)據(jù)必須注明試驗條件。
由于B型熱電偶在室溫附近熱電勢很小,熱響應(yīng)時間不容易測出,因此國家標準規(guī)定可采用同規(guī)格的S型熱電偶的熱電極組件替換其自身的熱電極組件,然后進行試驗。
試驗時應(yīng)記錄 熱電偶 的輸出變化至相當于溫度階躍變化50%的時間T0.5,必要時可記錄變化10%的熱響應(yīng)時間T0.1和變化90%的熱響應(yīng)時間T0.9。所記錄的熱響應(yīng)時間,應(yīng)是同一 試驗至少三次測試結(jié)果的平均值,每次測量結(jié)果對于平均值的偏離應(yīng)在±10%以內(nèi)。此外,形成溫度階躍變化所需的時間不應(yīng)超過被測試 熱電偶 的T0.5的十分之一。記錄儀器或儀 表的響應(yīng)時間不應(yīng)超過被試熱電偶的T0.5的十分之一。
主要優(yōu)點
1、測量精度高。因直接與被測對象接觸,不受中間介質(zhì)的影響。
2、測量范圍廣。常用的熱電偶從零下50度——1600度均可連續(xù)測量,某些特殊熱電偶可測到-269度(如金鐵鎳鉻),最高可達2800度(如鎢、錸)。
3、構(gòu)造簡單,使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成,而且不受大小和開頭的限制,外有保護套管,用起來非常方便。