熱電偶是工業上zui常用的溫度檢測元件之一,熱電偶工作原理是基于賽貝克(seeback)效應,即兩種不同成分的導體兩端連接成回路,如兩連接端溫度不同,則在回路內產生熱電流的物理現象。
作為工業測溫中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,直接測量各種生產過程中-40~1800℃范圍內的液體、蒸氣和氣體介質以及固體的表面溫度。
其優點是:
①測量精度高;②測量范圍廣;③構造簡單,熱電偶使用方便。
熱電偶測溫基本原理
熱電偶是一種感溫元件,是一次儀表,它直接測量溫度,并把溫度信號轉換成熱電動勢信號, 再通過電氣儀表(二次儀表)轉換成被測介質的溫度。
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。
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,這種現象稱為熱電效應。熱電偶就是利用這一效應來工作的。
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兩端溫度函數的差,而不是熱電偶兩端溫度差的函數;
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。
熱電偶的種類及結構
一、種類:
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。
二、熱電偶的基本構造: 工業測溫用的熱電偶,其基本構造包括熱電偶絲材、絕緣管、保護管和接線盒等。 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)熱電性能穩定、抗氧化性強、宜在氧化性氣氛中連續使用、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) 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10~20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晶化的趨勢,且具有較大的機械強度;同時由于它對于雜質的吸收或銠的遷移的影響較少,因此經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(有些國家的產品負極為純鎳)。可測量0~1300℃的介質溫度,適宜在氧化性及惰性氣體中連續使用,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系近似線性,價格便宜,是目前用量zui大的熱電偶。
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