熱電偶測溫儀

熱電偶測溫儀

熱電偶感測器是目前接觸式測溫中套用最廣的熱電式感測器,在工業用溫度感測器中占有及其重要的地位。它結構簡單、製造方便、測溫範圍寬、熱慣性小、準確度高、輸出信號便於遠傳。

基本介紹

  • 中文名:熱電偶測溫儀
熱電偶工作原理,熱電偶分類,K型熱電偶,

熱電偶工作原理

熱電偶是利用物理學中的賽貝克效應製成的溫敏感測器。當兩種不同的導體A和B組成閉合迴路時,就構成了一個熱電偶。如圖1.1
熱電偶測溫儀
溫度T端為感溫部分,稱為熱端;溫度T0為連線儀表部分,稱為冷端。當熱端溫度T和冷端溫度T0不同時,在迴路中就產生熱電勢EAB(T, T0 ),這種顯現稱為熱電效應,這個電動勢通常稱為熱電勢。熱電式的大小與T和T0之差(稱為溫差)的大小有關。由熱電偶迴路熱電勢的分布理論可知,熱電偶的熱電勢僅僅是熱電偶兩端溫度T和T0的函式之差,即:
EAB (T, T0)= EAB(T)- EAB(T0) 式(1.1)
也就是說,熱電偶的熱電勢等於熱端與冷端溫度T和T0所引起的電勢差。
實際測溫中,冷端所對應的熱電勢要隨冷端溫度(環境溫度)的變化而變化。要保證冷端溫度恆定是十分困難的,在一定程度上,測量精度取決於冷端溫度的影響。只有當熱電偶冷端溫度保持不變,熱電動勢才是被測溫度的但只函式。標準中規定結點的熱電動勢為0℃時的熱電動勢。
由式(1.1)可知,如果當T=0時可得:
EAB(T0) = EAB(0)- EAB (0, T0) 式(1.2)
又當T0=0時可得:
EAB(T) = EAB(T,0)- EAB (0) 式(1.3)
把式(1.2)和式(1.3)帶入式(1.1)式得:
EAB(T,0)= EAB(T,T0)+EAB (T0,0) 式(1.4)
在式(1.4)中,EAB(T,0)是冷端溫度為0℃,熱端溫度為T時的熱電勢,此值就是成品熱電偶給定的分度表值;EAB(T,T0)是熱端溫度為T,冷端溫度為T0時的熱電勢,也就是實際測量到的熱電勢值;EAB (T0,0)是假定冷端溫度為0℃,和實際冷端溫度為T0時得到的熱電勢,在實測中,用集成測溫感測器AD590測量T0,然後從對應熱電偶的分度表中自動查出所對應的熱電勢EAB (T0,0),這是第一次查表求出的值,也就是冷端溫度補償所對應的熱電勢值。通過單片機把實測到的EAB(T,T0)值與冷端溫度補償EAB (T0,0)值代數相加,就可得到冷端溫度為0℃,熱端溫度為T時的熱電勢EAB (T0,0)值,再從分度表中自動查得對應於EAB (T0,0)的溫度值,這既是第二次查表求出的值,這個值就是熱鍛偶熱端所得的實際溫度。
在實際生產中,熱電偶熱端(測量端)與冷端相距很遠,冷端又暴露於空氣當中,易受環境溫度的影響,因而冷端溫度很難保持恆定。為此需要把冷端延伸並進行溫度補償。

熱電偶分類

S型熱電偶:鉑銠10-鉑熱電偶 鉑銠10-鉑熱電偶(S型熱電偶)為貴金屬熱電偶。偶絲直徑規定為0.5mm,允許偏差-0.015mm,其正極(SP)的名義化學成分為鉑銠合金,其中含銠為10%,含鉑為90%,負極(SN)為純鉑,故俗稱單鉑銠熱電偶。該熱電偶長期最高使用溫度為1300℃,短期最高使用溫度為1600℃。 S型熱電偶在熱電偶系列中具有準確度最高,穩定性最好,測溫溫區寬,使用壽命長等優點。它的物理,化學性能良好,熱電勢穩定性及在高溫下抗氧化性能好,適用於氧化性和惰性氣氛中。由於S型熱電偶具有優良的綜合性能,符合國際使用溫標的S型熱電偶,長期以來曾作為國際溫標的內插儀器,“ITS-90”雖規定今後不再作為國際溫標的內查儀器,但國際溫度諮詢委員會(CCT)認為S型熱電偶仍可用於近似實現國際溫標。 S型熱電偶不足之處是熱電勢,熱電勢率較小,靈敏讀低,高溫下機械強度下降,對污染非常敏感,貴金屬材料昂貴,因而一次性投資較大。 (R型熱電偶)鉑銠13-鉑熱電偶 鉑銠13-鉑熱電偶
R型熱電偶:為貴金屬熱電偶。偶絲直徑規定為0.5mm,允許偏差-0.015mm,其正極(RP)的名義化學成分為鉑銠合金,其中含銠為13%,含鉑為87%,負極(RN)為純鉑,長期最高使用溫度為1300℃,短期最高使用溫度為1600℃。 R型熱電偶在熱電偶系列中具有準確度最高,穩定性最好,測溫溫區寬,使用壽命長等優點。其物理,化學性能良好,熱電勢穩定性及在高溫下抗氧化性能好,適用於氧化性和惰性氣氛中。由於R型熱電偶的綜合性能與S型熱電偶相當,在我國一直難於推廣,除在進口設備上的測溫有所套用外,國內測溫很少採用。1967年至1971年間,英國NPL,美國NBS和加拿大NRC三大研究機構進行了一項合作研究,其結果表明,R型熱電偶的穩定性和復現性比S型熱電偶均好,我國目前尚未開展這方面的研究。 R型熱電偶不足之處是熱電勢,熱電勢率較小,靈敏讀低,高溫下機械強度下降,對污染非常敏感,貴金屬材料昂貴,因而一次性投資較大。 (B型熱電偶)鉑銠30-鉑銠6熱電偶 鉑銠30-鉑銠6熱電偶
B型熱電偶:為貴金屬熱電偶。偶絲直徑規定為0.5mm,允許偏差-0.015mm,其正極(BP)的名義化學成分為鉑銠合金,其中含銠為30%,含鉑為70%,負極(BN)為鉑銠合金,含銠為量6%,故俗稱雙鉑銠熱電偶。該熱電偶長期最高使用溫度為1600℃,短期最高使用溫度為1800℃。 B型熱電偶在熱電偶系列中具有準確度最高,穩定性最好,測溫溫區寬,使用壽命長,測溫上限高等優點。適用於氧化性和惰性氣氛中,也可短期用於真空中,但不適用於還原性氣氛或含有金屬或非金屬蒸氣氣氛中。B型熱電偶一個明顯的優點是不需用補償導線進行補償,因為在0~50℃範圍內熱電勢小於3μV。 B型熱電偶不足之處是熱電勢,熱電勢率較小,靈敏讀低,高溫下機械強度下降,對污染非常敏感,貴金屬材料昂貴,因而一次性投資較大。
K型熱電偶:鎳鉻-鎳矽熱電偶 鎳鉻-鎳矽熱電偶(K型熱電偶)是目前用量最大的廉金屬熱電偶,其用量為其他熱電偶的總和。正極(KP)的名義化學成分為:Ni:Cr=90:10,負極(KN)的名義化學成分為:Ni:Si=97:3,其使用溫度為-200~1300℃。 K型熱電偶具有線性度好,熱電動勢較大,靈敏度高,穩定性和均勻性較好,抗氧化性能強,價格便宜等優點,能用於氧化性惰性氣氛中。廣泛為用戶所採用。 K型熱電偶不能直接在高溫下用於硫,還原性或還原,氧化交替的氣氛中和真空中,也不推薦用於弱氧化氣氛中。
N型熱電偶:鎳鉻矽-鎳矽熱電偶 鎳鉻矽-鎳矽熱電偶(N型熱電偶)為廉金屬熱電偶,是一種最新國際標準化的熱電偶,是在70年代初由澳大利亞國防部實驗室研製成功的它克服了K型熱電偶的兩個重要缺點:K型熱電偶在300~500℃間由於鎳鉻合金的晶格短程有序而引起的熱電動勢不穩定;在800℃左右由於鎳鉻合金髮生擇優氧化引起的熱電動勢不穩定。正極(NP)的名義化學成分為:Ni:Cr:Si=84.4:14.2:1.4,負極(NN)的名義化學成分為:Ni:Si:Mg=95.5:4.4:0.1,其使用溫度為-200~1300℃。 N型熱電偶具有線性度好,熱電動勢較大,靈敏度較高,穩定性和均勻性較好,抗氧化性能強,價格便宜,不受短程有序化影響等優點,其綜合性能優於K型熱電偶,是一種很有發展前途的熱電偶. N型熱電偶不能直接在高溫下用於硫,還原性或還原,氧化交替的氣氛中和真空中,也不推薦用於弱氧化氣氛中。 (E型熱電偶)鎳鉻-銅鎳熱電偶 鎳鉻-銅鎳熱電偶
E型熱電偶:又稱鎳鉻-康銅熱電偶,也是一種廉金屬的熱電偶,正極(EP)為:鎳鉻10合金,化學成分與KP相同,負極(EN)為銅鎳合金,名義化學成分為:55%的銅,45%的鎳以及少量的錳,鈷,鐵等元素。該熱電偶的使用溫度為-200~900℃。 E型熱電偶熱電動勢之大,靈敏度之高屬所有熱電偶之最,宜製成熱電堆,測量微小的溫度變化。對於高濕度氣氛的腐蝕不甚靈敏,宜用於濕度較高的環境。E熱電偶還具有穩定性好,抗氧化性能優於銅-康銅,鐵-康銅熱電偶,價格便宜等優點,能用於氧化性和惰性氣氛中,廣泛為用戶採用。 E型熱電偶不能直接在高溫下用於硫,還原性氣氛中,熱電勢均勻性較差。
J型熱電偶:鐵-銅鎳熱電偶 鐵-銅鎳熱電偶(J型熱電偶)又稱鐵-康銅熱電偶,也是一種價格低廉的廉金屬的熱電偶。它的正極(JP)的名義化學成分為純鐵,負極(JN)為銅鎳合金,常被含糊地稱之為康銅,其名義化學成分為:55%的銅和45%的鎳以及少量卻十分重要的錳,鈷,鐵等元素,儘管它叫康銅,但不同於鎳鉻-康銅和銅-康銅的康銅,故不能用EN和TN來替換。鐵-康銅熱電偶的覆蓋測量溫區為-200~1200℃,但通常使用的溫度範圍為0~750℃ J型熱電偶具有線性度好,熱電動勢較大,靈敏度較高,穩定性和均勻性較好,價格便宜等優點,廣為用戶所採用。 J型熱電偶可用於真空,氧化,還原和惰性氣氛中,但正極鐵在高溫下氧化較快,故使用溫度受到限制,也不能直接無保護地在高溫下用於硫化氣氛中。
T型熱電偶:銅-銅鎳熱電偶 銅-銅鎳熱電偶(T型熱電偶)又稱銅-康銅熱電偶,也是一種最佳的測量低溫的廉金屬的熱電偶。它的正極(TP)是純銅,負極(TN)為銅鎳合金,常之為康銅,它與鎳鉻-康銅的康銅EN通用,與鐵-康銅的康銅JN不能通用,儘管它們都叫康銅,銅-銅鎳熱電偶的蓋測量溫區為-200~350℃。 T型熱電偶具有線性度好,熱電動勢較大,靈敏度較高,穩定性和均勻性較好,價格便宜等優點,特別在-200~0℃溫區內使用,穩定性更好,年穩定性可小於±3μV,經低溫檢定可作為二等標準進行低溫量值傳遞。 T型熱電偶的正極銅在高溫下抗氧化性能差,故使用溫度上限受到限制。

K型熱電偶

市場套用最多、測量範圍最廣的是K型熱電偶。
K型熱電偶概述:
K型熱電偶作為一種溫度感測器,K型熱電偶通常和顯示儀表,記錄儀表和電子調節器配套使用。K型熱電偶可以直接測量各種生產中從0℃到1300℃範圍的液體蒸汽和氣體介質以及固體的表面溫度。
K型熱電偶通常由感溫元件、安裝固定裝置和接線盒等主要部件組成。
鎳鉻-偶(K型熱電偶是目前用量最大的廉金屬熱電偶,其用量為其他熱電偶的總和。K型熱電偶絲直徑一般為1.2~4.0mm。
正極(KP)的名義化學成分為:Ni:Cr=92:12,負極(KN)的名義化學成分為:Ni:Si=99:3,其使用溫度為-200~1300℃。
K型熱電偶具有線性度好,熱電動勢較大,靈敏度高,穩定性和均勻性較好,抗氧化性能強,價格便宜等優點,能用於氧化性惰性氣氛中廣泛為用戶所採用。
K型熱電偶不能直接在高溫下用於硫,還原性或還原,氧化交替的氣氛中和真空中,也不推薦用於弱氧化氣氛。
K型熱電偶熱回響時間的測量
測量K型熱電偶的熱回響時間實際上是比較複雜的,不同的試驗條件會產生不同的測量結果,這是由於受周圍介質的換熱率影響,換熱率高,則熱回響時間就短。
為了使熱電偶的熱回響時間具有可比性,國家標準規定:熱回響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℃的範圍內,溫度階躍值為40-50℃。在試驗過程中,水的溫度變化應不大於溫度階躍值的±1%。被試熱電偶的置入深度為150mm或設計的置入深度。
由於熱電偶在室溫附近熱電勢很小,熱回響時間不容易測出,因此國家標準規定可採用同規格的K型熱電偶的熱電極組件替換其自身的熱電極組件,然後進行試驗。
試驗時應記錄熱電偶的輸出變化至相當於溫度階躍變化50%的時間T0.5,必要時可記錄變化10%的熱回響時間T0.1和變化90%的熱回響時間T0.9。所記錄的熱回響時間,應是同一試驗至少三次測試結果的平均值,每次測量結果對於平均值的偏離應在±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。記錄儀器或儀表的回響時間不應超過被試熱電偶的T0.5的十分之一。

相關詞條

熱門詞條

聯絡我們