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熱電偶工作原理
瀏覽次數(shù):2632發(fā)布日期:2010-05-17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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-401800范圍內(nèi)的液體、蒸氣和氣體介質(zhì)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(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(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)。

熱電偶的基本構(gòu)造:

工業(yè)測溫用的熱電偶,其基本構(gòu)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1300,超達1400時,即使在空氣中、純鉑絲也將會再結(jié)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1020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(jié)晶化的趨勢,且具有較大的機械強度;同時由于它對于雜質(zhì)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)。可測量01300的介質(zhì)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1200,長期使用溫度為1000,其熱電勢與溫度的關(guān)系近似線性,價格便宜,是目前用量zui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(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1000)往往因氧化而損壞;

2)在250500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23;

3)其負極在150200范圍內(nèi)要發(fā)生磁性轉(zhuǎn)變,致使在室溫至230范圍內(nèi)分度值往往偏離分度表,尤其是在磁場中使用時往往出現(xiàn)與時間無關(guān)的熱電勢干擾;

(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1300以下調(diào)溫抗氧化能力強,長期穩(wěn)定性及短期熱循環(huán)復現(xiàn)性好,耐核輻射及耐低溫性能好,另外,在4001300范圍內(nèi),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(nèi)(-200400)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zui高、熱電極的均勻性好;它的使用溫度是-200350,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-200300范圍內(nèi),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(chǎn)品中*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-200800,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(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(yīng)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(guān)系:

熱電偶分度號

熱電極材料

線徑與作用溫度的關(guān)系(

正極

負極

線徑(mm

長期

短期

鉑銠10

純鉑

Φ0.5

1300

1600

鉑銠13

純鉑

Φ0.5

1300

1600

鉑銠30

鉑銠6

Φ0.5

1600

1800

鎳鉻

鎳硅

Φ1.2

800

1000

Φ2.5

1100

1200

Φ3.2

1200

1300

鎳鉻硅

鎳硅

Φ1.2

800

1000

Φ2.5

1100

1200

Φ3.2

1200

1300

鎳鉻

銅鎳

Φ1.2

550

650

Φ2.0

650

750

Φ3.2

750

850

純銅

銅鎳

Φ1.6

300

350

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(zhì)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(zhì)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。