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熱電偶測溫原理及其應(yīng)用
發(fā)布者:chybxl  發(fā)布時間:2014-03-11 12:39:46

一、熱電偶簡介

  熱電溫度記錄儀常以熱電偶作為測溫元件,它廣泛用來測量 -200  ~1300 范圍內(nèi)的溫度,特殊情況下,可測至 2800 的高溫或 4K 的低溫。它具有結(jié)構(gòu)簡單,價格便宜,準確度高,測溫范圍廣等特點。由于熱電偶將溫度轉(zhuǎn)化成電量進行檢測,使溫度的測量、控制、 以及對溫度信號的放大變換都很方便,適用于遠距離測量和自動控制。在接觸式測溫法中,熱電溫度計的應(yīng)用最普遍。

二、熱電偶測溫原理

1.定義: 由兩種導(dǎo)體組合而成,將溫度轉(zhuǎn)化為熱電動勢的傳感器叫做熱電偶。

2. 測溫原理 : 熱電偶的測溫原理基于熱電效應(yīng)。

將兩種不同材料的導(dǎo)體 A 和 B 串接成一個閉合回路,當兩個接點 1 和 2 的溫 度不同時,如果 T > T 0 (如上圖 12-1熱電效應(yīng)), 在回路中就會產(chǎn)生熱電動勢, 在回路中產(chǎn)生一定大小的電流,此種現(xiàn)象稱為 熱電效應(yīng) 。

熱電動勢記為 EAB ,導(dǎo)體 A 、 B 稱為熱電極。接點 1 通常是焊接在一起的, 測量時將它置于測溫場所感受被測溫度,故稱為測量端(或工作端,熱 端)。

接點 2 要求溫度恒定,稱為參考端(或冷端)。

3.熱電效應(yīng)

  導(dǎo)體 A 和 B 組成的熱電偶閉合電路在兩個接點處分別由eAB (T) 與 eAB (T0 )兩個接觸電勢 ,又因為 T > T0 ,在導(dǎo)體 A 和 B 中還各有一 個溫差電勢。所以閉合回 路總熱電動勢 EAB (T,T0 ) 應(yīng)為接觸電動勢和溫差電勢的代數(shù)和,即:

4.閉合回路總熱電動勢

 

  對于已選定的熱電偶,當參考溫度恒定時,總熱電動勢就變成測量端溫度 T 的單值函數(shù),即 EAB ( T , T 0 )= f ( T ) 。這就是熱電偶測量溫度的基本原理。

  在實際測溫時,必須在熱電偶閉合回路中引入連接導(dǎo)線和儀表。

三、有關(guān)熱電偶測溫的基本原則

  由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路,不論導(dǎo)體的橫截面積,長度以及溫度分布如何均不產(chǎn)生熱電動勢。

  如果熱電偶的兩根熱電極由兩種均質(zhì)導(dǎo)體組成,那么,熱電偶的熱電動勢僅與兩接點的溫度有關(guān),與熱電偶的溫度分布無關(guān);

  如果熱電極為非均質(zhì)電極,并處于具有溫度梯度的溫場時,將產(chǎn)生附加電勢,如果僅從熱電偶的熱電動勢大小來判斷溫度的高低就會引起誤差。

  1.中間導(dǎo)體定則:

    2. 均質(zhì)導(dǎo)體定則

  

  在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體,只要兩端的溫度相等,該導(dǎo)體接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。根據(jù)這一定則,可以將熱電偶的一個接點斷開接入 第三種導(dǎo)體 ,也可以將熱電偶的一種導(dǎo)體斷開接入第三種導(dǎo)體,只要每一種導(dǎo)體的兩端溫度相同,均不影響回路的總熱電動勢。

  在實際測溫電路中,必須有連接導(dǎo)線和顯示儀器,若把連接導(dǎo)線和顯示儀器看成第三種導(dǎo)體 ,只要他們的兩端溫度相同,則不影響總熱電動勢 。

3、參考電極定則 :

  兩種導(dǎo)體 A, B 分別與參考電極 C( 或稱標準電極 ) 組成熱電偶,如果他們所產(chǎn)生的熱電 動勢為已知, A 和 B 兩極配對后的熱電動勢可用下式求得.由此可見,只要知道兩種導(dǎo)體分別與參考電極組成熱電偶時的熱電動勢,就可以依據(jù)參考電極定則計算出兩導(dǎo)體組成熱電偶時的熱電動勢。從而簡化了熱電偶的選配工作。由于鉑的物理化學性質(zhì)穩(wěn)定,熔點高,易提純,所以人們多采用高純鉑作為參考電極。

四、常用熱電偶

  適于制作熱電偶的材料有300多種,其中廣泛應(yīng)用的有40~50種。 國際電工委員會向世界各國推薦 8 種熱電偶作為標準化熱電偶.

  我國標準化熱電偶也有 8 種。分別是:鉑銠 10- 鉑(分度號為 S)、 鉑銠 13- 鉑 (R) 、鉑銠 30- 鉑銠 6(B) 、鎳鉻 - 鎳硅 (K) 、鎳鉻-康銅 (E)、鐵-康銅(J)、銅-康銅(T)和鎳鉻硅-鎳硅(N)。下面簡要介紹其中幾種:

五、幾種常用的熱電偶

1、鉑銠 10- 鉑熱電偶  組成:由φ0.5mm 的純鉑絲和直徑相同的鉑銠絲制成,分度號為 S 。鉑銠絲為正 極 , 純鉑絲為負極。

2. 特點:熱電性能好,抗氧化性強,宜在氧化性、惰性氣氛中連續(xù)使用 。 長期適用 的溫度為 1400℃ ,超過此溫度時,即使在空氣中純鉑絲也將再結(jié)晶而使晶 粒增大。短期使用溫度為 1600℃ 。在所有的熱電偶中,它的準確度等級最 高 ,通常用作標準或測量高溫的熱電偶,其使用溫度范圍廣( 0~1600℃ ), 均質(zhì)性及互換性好。其缺點是價格昂貴 , 熱電勢較小,需配靈敏度高的顯示儀表.

2、 鎳鉻 - 鎳硅 ( 鎳鋁 ) 熱電偶

1.組成:鎳鉻為正極,鎳硅為負極,分度號為K。

2.特點: 使用溫度范圍寬(50~1300℃),高溫下性能較穩(wěn)定, 熱電動勢和溫度的關(guān)系近似線性,價格便宜,因此是 目前用量最大的一種熱電偶。它適用于在氧化性和惰性氣氛中連續(xù)使用,短期使用溫 度為1200℃,長期使用溫度為1000℃

3、鎳鉻 — 康銅熱電偶

1. 組成:鎳鉻為正極,康銅為負極,分度號為 E

2. 特點:它的最大特點是在常用熱電偶中 熱電動勢最大 ,即靈 敏度最高, 適宜在250~870℃范圍內(nèi)的氧化性或惰性 氣氛中使用 ,尤其適宜在0℃以下使用。在濕度大的情 況下,較其他熱電偶耐腐蝕。

4、銅 - 康銅熱電偶

1. 組成:純銅為正極,康銅為負極,分度號為 T 。

2. 特點:在金屬熱電偶中準確度最高,熱電絲均勻性好,使用溫度范圍 為 -200 ~ 350 ℃。

  此外,還有非標準化熱電偶,有鎢錸系列(屬難融金屬),鉑銠系列,銥銠系列,鉑鉬系列及非金屬熱電偶等等.

 

 

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