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熱電偶工作原理

熱電偶(thermocouple)是溫度測量儀表中常用的測溫元件,它直接測量溫度,并把溫度信號轉換成熱電動勢信號,通過電氣儀表(二次儀表)轉換成被測介質的溫度。各種熱電偶的外形常因需要而極不相同,但是它們的基本結構卻大致相同,通常由熱電極、絕緣套保護管和接線盒等主要部分組成,通常和顯示儀表、記錄儀表及電子調節器配套使用。

簡介在工業生產過程中,溫度是需要測量和控制的重要參數之一。在溫度測量中,熱電偶的應用極為廣泛,它具有結構簡單、制造方便、測量范圍廣、精度高、慣性小和輸出信號便于遠傳等許多優點。另外,由于熱電偶是一種有源傳感器,測量時不需外加電源,使用十分方便,所以常被用作測量爐子、管道內的氣體或液體的溫度及固體的表面溫度[1]  。

工作原理當有兩種不同的導體或半導體A和B組成一個回路,其兩端相互連接時,只要兩結點處的溫度不同,一端溫度為T,稱為工作端或熱端,另一端溫度為T0 ,稱為自由端(也稱參考端)或冷端,回路中將產生一個電動勢,該電動勢的方向和大小與導體的材料及兩接點的溫度有關。這種現象稱為“熱電效應”,兩種導體組成的回路稱為“熱電偶”,這兩種導體稱為“熱電極”,產生的電動勢則稱為“熱電動勢 。熱電動勢由兩部分電動勢組成,一部分是兩種導體的接觸電動勢,另一部分是單一導體的溫差電動勢。熱電偶回路中熱電動勢的大小,只與組成熱電偶的導體材料和兩接點的溫度有關,而與熱電偶的形狀尺寸無關。當熱電偶兩電極材料固定后,熱電動勢便是兩接點溫度t和t0。的函數差  。即公式(下圖)這一關系式在實際測溫中得到了廣泛應用。因為冷端t0恒定,熱電偶產生的熱電動勢只隨熱端(測量端)溫度的變化而變化,即一定的熱電動勢對應著一定的溫度。我們只要用測量熱電動勢的方法就可達到測溫的目的

熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的材質導體組成閉合回路,當兩端存在溫度梯度時,回路中就會有電流通過,此時兩端之間就存在電動勢——熱電動勢,這就是所謂的塞貝克效應(Seebeck effect)。兩種不同成份的均質導體為熱電極,溫度較高的一端為工作端,溫度較低的一端為自由端,自由端通常處于某個恒定的溫度下。根據熱電動勢與溫度的函數關系,制成熱電偶分度表;分度表是自由端溫度在0℃時的條件下得到的,不同的熱電偶具有不同的分度表。在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時,只要該材料兩個接點的溫度相同,熱電偶所產生的熱電勢將保持不變,即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此,在熱電偶測溫時,可接入測量儀表,測得熱電動勢后,即可知道被測介質的溫度。熱電偶測量溫度時要求其冷端(測量端為熱端,通過引線與測量電路連接的端稱為冷端)的溫度保持不變,其熱電勢大小才與測量溫度呈一定的比例關系。若測量時,冷端的(環境)溫度變化,將嚴重影響測量的準確性。在冷端采取一定措施補償由于冷端溫度變化造成的影響稱為熱電偶的冷端補償正常。與測量儀表連接用專用補償導線。熱電偶冷端補償計算方法:從毫伏到溫度:測量冷端溫度,換算為對應毫伏值,與熱電偶的毫伏值相加,換算出溫度;從溫度到毫伏:測量出實際溫度與冷端溫度,分別換算為毫伏值,相減後得出毫伏值,即得溫度。

主要特點1、裝配簡單,更換方便;2、壓簧式感溫元件,抗震性能好;3、測量精度高;4、測量范圍大(-200℃~1300℃,特殊情況下-270℃~2800℃);5、熱響應時間快;6、機械強度高,耐壓性能好;7、耐高溫可達2800度;8、使用壽命長。

結構要求熱電偶的結構形式為了保證熱電偶可靠、穩定地工作,對它的結構要求如下:1、組成熱電偶的兩個熱電極的焊接必須牢固;2、兩個熱電極彼此之間應很好地絕緣,以防短路;3、補償導線與熱電偶自由端的連接要方便可靠;4、保護套管應能保證熱電極與有害介質充分隔離。

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工作端的兩端溫度函數的差,而不是熱電偶冷端與工作端,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。將兩種不同材料的導體或半導體A和B焊接起來,構成一個閉合回路,如圖所示。當導體A和B的兩個執著點1和2之間存在溫差時,兩者之間便產生電動勢,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定了其熱電勢與溫度的關系、允許誤差、并有統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量級上均不及標準化熱電偶,一般也沒有統一的分度表,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,并指定S、B、E、K、R、J、T七種標準化熱電偶為中國統一設計型熱電偶。

安裝在生產中由于被測對象不同,環境條件不同,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,應保證其有足夠的機械強度,為保護感溫元件不受磨損應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視具體情況(如待測介質的溫度、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生變形,一般應垂直安裝,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流速較大的管道中,則其應傾斜安裝。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、熱電阻應能方便地拆裝。

測量方法的熱響應時間比較復雜,不同的試驗條件會有不同的測量結果,這是因為它受熱電偶與周圍介質的換熱率影響,換熱率高,則熱響應時間就短。為了使熱電偶產品的熱響應 時間具有可比性,國家標準規定:熱響應時間應在專用水流試驗裝置上進行。該裝置的水流速度應保持0.4±0.05m/s,初始溫度在5-45℃的范圍內,溫度階躍值為40-50℃。在試驗 過程中,水的溫度變化應不大于溫度階躍值的±1%。被試熱電偶的置入深度為150mm或設計的置入深度(選其中較小值并在試驗報告中注明)?! ∮捎谠撗b置比較復雜,目前只有極少數單位有這套設備,故國家標準中規定允許生產廠與用戶協商,可采用其他試驗方法,但所給數據必須注明試驗條件?! ∮捎贐型熱電偶在室溫附近熱電勢很小,熱響應時間不容易測出,因此國家標準規定可采用同規格的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?! ≡囼灂r應記錄 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%的熱響應時間T0.1和變化90%的熱響應時間T0.9。所記錄的熱響應時間,應是同一 試驗至少三次測試結果的平均值,每次測量結果對于平均值的偏離應在±10%以內。此外,形成溫度階躍變化所需的時間不應超過被測試 熱電偶 的T0.5的十分之一。記錄儀器或儀 表的響應時間不應超過被試熱電偶的T0.5的十分之一。

主要分類1、按固定裝置型式分類熱電偶作為主要測溫手段,用途十分廣泛,因而對固定裝置和技術性能有多種要求,因此熱電偶的固定裝置分為六種:無固定裝置式、螺紋式、固定法蘭式、活動法蘭式、活動法蘭角尺形式、錐形保護管式六種。2、按裝配及結構方式分類根據熱電偶的性能結構方式可分為:可拆卸式熱電偶、隔爆式熱電偶、鎧裝熱電偶和壓彈簧固定式熱電偶等特殊用途的熱電偶。

安裝要求對熱電偶與熱電阻的安裝,應注意有利于測溫準確,安全可考及維修方便,而且不影響設備運行和生產操作.要滿足以上要求,在選擇對熱電偶和熱電阻的安裝部位和插入深度時要注意以下幾點:1、為了使熱電偶和熱電阻的測量端與被測介質之間有充分的熱交換,應合理選擇測點位置,盡量避免在閥門,彎頭及管道和設備的死角附近裝設熱電偶或熱電阻。2、帶有保護套管的熱電偶和熱電阻有傳熱和散熱損失,為了減少測量誤差,熱電偶和熱電阻應該有足夠的插入深度:(1)對于測量管道中心流體溫度的熱電偶,一般都應將其測量端插入到管道中心處(垂直安裝或傾斜安裝).如被測流體的管道直徑是200毫米,那熱電偶或熱電阻插入深度應選擇100毫米;(2)對于高溫高壓和高速流體的溫度測量(如主蒸汽溫度),為了減小保護套對流體的阻力和防止保護套在流體作用下發生斷裂,可采取保護管淺插方式或采用熱套式熱電偶,淺插式的熱電偶保護套管,其插入主蒸汽管道的深度應不小于75mm;熱套式熱電偶的標準插入深度為100mm;(3)假如需要測量是煙道內煙氣的溫度,盡管煙道直徑為4m,熱電偶或熱電阻插入深度1 m即可;(4)當測量原件插入深度超過1m時,應盡可能垂直安裝,或加裝支撐架和保護套管。

正確使用正確使用熱電偶不但可以準確得到溫度的數值,保證產品合格,而且還可節省熱電偶的材料消耗,既節省資金又能保證產品質量。安裝不正確,熱導率和時間滯后等誤差,它們是熱電偶在使用中的主要誤差。1、安裝不當引入的誤差如熱電偶安裝的位置及插入深度不能反映爐膛的真實溫度等,換句話說,熱電偶不應裝在太靠近門和加熱的地方,插入的深度至少應為保護管直徑的8~10倍;熱電偶的保護套管與壁間的間隔未填絕熱物質致使爐內熱溢出或冷空氣侵入,因此熱電偶保護管和爐壁孔之間的空隙應用耐火泥或石棉繩等絕熱物質堵塞以免冷熱空氣對流而影響測溫的準確性;熱電偶冷端太靠近爐體使溫度超過100℃;熱電偶的安裝應盡可能避開強磁場和強電場,所以不應把熱電偶和動力電纜線裝在同一根導管內以免引入干擾造成誤差;熱電偶不能安裝在被測介質很少流動的區域內,當用熱電偶測量管內氣體溫度時,必須使熱電偶逆著流速方向安裝,而且充分與氣體接觸。2、絕緣變差而引入的誤差如熱電偶絕緣了,保護管和拉線板污垢或鹽渣過多致使熱電偶極間與爐壁間絕緣不良,在高溫下更為嚴重,這不僅會引起熱電勢的損耗而且還會引入干擾,由此引起的誤差有時可達上百度。3、熱惰性引入的誤差由于熱電偶的熱惰性使儀表的指示值落后于被測溫度的變化,在進行快速測量時這種影響尤為突出。所以應盡可能采用熱電極較細、保護管直徑較小的熱電偶。測溫環境許可時,甚至可將保護管取去。由于存在測量滯后,用熱電偶檢測出的溫度波動的振幅較爐溫波動的振幅小。測量滯后越大,熱電偶波動的振幅就越小,與實際爐溫的差別也就越大。當用時間常數大的熱電偶測溫或控溫時,儀表顯示的溫度雖然波動很小,但實際爐溫的波動可能很大。為了準確的測量溫度,應當選擇時間常數小的熱電偶。時間常數與傳熱系數成反比,與熱電偶熱端的直徑、材料的密度及比熱成正比,如要減小時間常數,除增加傳熱系數以外,最有效的辦法是盡量減小熱端的尺寸。使用中,通常采用導熱性能好的材料,管壁薄、內徑小的保護套管。在較精密的溫度測量中,使用無保護套管的裸絲熱電偶,但熱電偶容易損壞,應及時校正及更換。4、熱阻誤差高溫時,如保護管上有一層煤灰,塵埃附在上面,則熱阻增加,阻礙熱的傳導,這時溫度示值比被測溫度的真值低。因此,應保持熱電偶保護管外部的清潔,以減小誤差。

主要優點1、測量精度高。因直接與被測對象接觸,不受中間介質的影響。2、測量范圍廣。常用的熱電偶從零下50度——1600度均可連續測量,某些特殊熱電偶最低可測到-269度(如金鐵鎳鉻),最高可達2800度(如鎢、錸)。3、構造簡單,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。

選擇方法熱電偶是兩種不同的導體連接在一起形成的,當測量及參考連接點分別處于不同溫度上時即產生出所謂的熱電磁力(EMF)。連接點用途測量連接點是處于被測溫度上的熱電偶連接點部分。參考連接點則是保持在一已知溫度上,或溫度變化能自動補償的熱電偶連接點部分。在常規工業應用中,熱電偶元件一般端接在接頭上;但參考連接點卻很少位于接頭上,而是利用適當的熱電偶延伸線來轉接到溫度比較穩定的被控環境中。連接點類型接殼式熱電偶連接點與探針壁物理連接(焊接),這能實現很好的熱傳輸——即從外部通過探針壁將熱量傳至熱電偶連接點。建議用接殼式熱電偶來測量靜態或流動腐蝕性氣體與液體的溫度,以及一些高壓應用。在絕緣式熱電偶中,熱電偶連接點與探針壁分開并由一種軟性粉末包圍。雖然絕緣式熱電偶的響應速度比接殼式熱電偶的響應速度要慢,但它能提供電絕緣。建議使用絕緣式熱電偶來測量腐蝕性環境,可理想地通過護套屏蔽來將熱電偶與周圍環境完全電絕緣。露端式熱電偶允許連接點頂端深入到周圍環境中,這種類型可提供最佳的響應時間,但僅限于在非腐蝕、非危險及非加壓應用中使用。響應時間以時間常數來表示,時間常數定義為傳感器在被控環境中在初始值和最終值之間改變63.2%所需的時間。露端式熱電偶具有最快的響應速度,而且探針護套直徑越小,則響應速度就越快,但其最大允許測量溫度也就越低。延伸線熱電偶延伸線是一對具有與其相連熱電偶相同溫度電磁頻率特征的線。當連接合適時,延伸線將參考連接點從熱電偶轉接至線的另一端,而這一端通常位于被控環境中。選擇熱電偶選擇熱電偶時需考慮下列因素:1、被測溫度范圍;2、所需響應時間;3、連接點類型;4、熱電偶或護套材料的抗化學腐蝕能力;5、抗磨損或抗振動能力;6、安裝及限制要求等。

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