热点偶工作原理

概述：作为工业测温中最广泛使用的温度传感器之一热电偶，与铂热电阻一起，约占整个温度传感器总量的 60%，热电偶通常和显示 仪表等配套使用，直接测量各种生产过程中-401800°C范围内的液体、蒸气和气体介质以及固体的表面温度。热电偶工作原理：两种不同成份的导体(称为热电偶丝材或热电极)两端接合 成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现 象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中， 直接用作测量介质温度的一端叫做工 作端(也称为测量端)，另一端叫做冷端(也称为补偿端)；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的 热电 势。热电偶实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度，对于热电偶的热电势，应注意如下几个问题：(1) 热电偶的热电势是热电偶两端温度函数的差，而不是热电偶两端温度差的函数；(2) 热电偶所产生的热电势的大小，当热电偶的材料是均匀时，与热电偶的长度和直径无关，只与热电偶材料的成份和两端的温 差有关；(3) 当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后，热电偶热电势的大小，只与热电偶的温度差有关；若热电偶冷端的温度保持一定， 这进热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。热电偶的基本构造：工业测温用的热电偶，其基本构造包括热电偶丝材、绝缘管、保护管和接线盒等。一、常用热电偶丝材及其性能1、铂铑10 铂热电偶（分度号为s,也称为单铂铑热电偶）该热电偶的正极成份为含铑 10%的铂铑合金，负极为纯铂；它的特点是：（1）热电性能稳定、抗氧化性强、宜在氧化性气氛中连续使用、长期使用温度可达1300s超达1400匸时，即使在空气中、纯铂 丝也将会再结晶,使晶粒粗大而断裂；（2）精度高，它是在所有热电偶中，准确度等级最高的，通常用作标准或测量较高的温度；（3）使用范围较广，均匀性及互换性好；（4）主要缺点有：微分热电势较小，因而灵敏度较低；价格较贵，机械强度低，不适宜在还原性气氛或有金属蒸汽的条件下使用。2、铂铑13铂热电偶（分度号为R,也称为单铂铑热电偶）该热电偶的正极为含 13%的铂铑合金，负极为纯铂，同 S 型相比，它的电势率大 15%左右，其它性能几乎相同，该种热电偶在日本 产业界，作为高温热电偶用得最多，而在中国，则用得较少；3、铂铑30铂铑6热电偶（分度号为也称为双铂铑热电偶）该热电偶的正极是含铑 30%的铂铑合金，负极为含铑 6%的铂铑合金，在室温下，其热电势很小，故在测量时一般不用补偿导线，可 忽略冷端温度变化的影响；长期使用温度为1600s短期为1800，因热电势较小，故需配用灵敏度较高的显示仪表。B型热电偶适宜在氧化性或中性气氛中使用，也可以在真空气氛中的短期使用；即使在还原气氛下，其寿命也是R或S型的10 20 倍；由于其电极均由铂铑合金制成，故不存在铂铑铂热电偶负极上所有的缺点、在高温 时很少有大结晶化的趋势，且具有较大 的机械强度；同时由于它对于杂质的吸收或铑的迁移的影响较少，因此经过长期使用后其热电势变化并不严重、缺点价格昂贵 （相对 于单铂铑而言）。4、镍铬一镍硅（镍铝）热电偶（分度号为K该热电偶的正极为含铬10%的镍铬合金，负极为含硅3%的镍硅合金（有些国家的产品负极为纯镍）。可测量01300匸的介质温度， 适宜在氧化性及惰性气体中连续使用，短期使用温度为1200匸，长期使用温度为1000c，其热电势与温度的关系近似线性，价格便宜， 是目前用量最大的热电偶。K型热电偶是抗氧化性较强的贱金属热电偶，不适宜在真空、含硫、含碳气氛及氧化还原交替的气氛下裸丝使用；当氧分压较低时, 镍铬极中的铬将择优氧化，使热电势发生很大变化，但金属气体对其影响较小，因此，多采用金属制保护管。K型热电偶的缺点：（1）热电势的高温稳定性较N型热电偶及贵重金属热电偶差，在较高温度下（例如超过1000c）往往因氧化而损坏；（2）在250500c范围内短期热循环稳定性不好，即在同一温度点，在升温降温过程中，其热电势示值不一样，其差值可达23c；（3）其负极在150200c范围内要发生磁性转变，致使在室温至230c范围内分度值往往偏离分度表，尤其是在磁场中使用时往往 出现与时间无关的热电势干扰；（4）长期处于高通量中系统辐照环境下，由于负极中的锰（Mn）、钻（Co）等元素发生蜕变，使其稳定性欠佳，致使热电势发 生较大变化。5、镍铬硅一镍硅热电偶（分度号为N该热电偶的主要特点是：在1300c以下调温抗氧化能力强，长期稳定性及短期热循环复现性好，耐核辐射及耐低温性能好，另外， 在4001300c范围内，N型热电偶的热电特性的线性比K型偶要好；但在低温范围内（-200400c）的非线性误差较大，同时，材料 较硬难于加工。6、铜一铜镍热电偶（分度号为TT 型热电电偶 , 该热电偶的正极为纯铜，负极为铜镍合金（也称康铜），其主要特点是：在贱金属热电偶中，它的准确度最高、热电 极的均匀性好；它的使用温度是-200350-因铜热电极易氧化，并且氧化膜易脱落，故在氧化性气氛中使用时，一般不能超过300- 在-200300亡范围内，它们灵敏度比较高，铜一康铜热电偶还有一个特点是价格便宜，是常用几种定型产品中最便宜的一种。7、铁一康铜热电偶（分度号为JJ 型热电偶,该热电偶的正极为纯铁，负极为康铜（铜镍合金），具特点是价格便宜,适用于真空氧化的还原或惰性气氛中，温度范 围从-200800，但常用温度只是500以下，因为超过这个温度后，铁热电极的氧化速率加快，如采用粗线径的丝材，尚可在高温中 使用且有较长的寿命；该热电偶能耐氢气（H2）及一氧化碳（CO）气体腐蚀，但不能在高温（例如500）含硫（S）的气氛中使 用。8、镍铬一铜镍（康铜）热电偶（分度号为EE型热电偶是一种较新的产品，它的正极是镍铬合金，负极是铜镍合金（康铜），其最大特点是在常用的热电偶中，其热电势最 大，即灵敏度最高；它的应用范围虽不及K型偶广泛，但在要求灵敏度高、热导率低、可容许大电阻的条件下，常常被选用；使用中 的限制条件与K型相同，但对于含有较高湿度气氛的腐蚀不很敏感。除了以上8 种常用的热电偶外，作为非标准化的热电偶还有钨铼热电偶，铂铑系热电偶，铱锗系热电偶，铂钼系热电偶和非金属材 料热电偶等。下表所列的是常用热电偶的材料规格和线径使用温度的关系：热电偶分度号热电极材料线径与作用温度的关系（°C）正极负极线径（mm）长期短期s铂铑10纯铂0 0.513001600R铂铑13纯铂0 0.513001600B铂铑30铂铑60 0.516001800K镍铬镍硅0 1.280010000 2.5110012000 3.212001300N镍铬硅镍硅0 1.280010000 2.5110012000 3.212001300E镍铬铜镍0 1.25506500 2.06507500 3.2750850T纯铜铜镍0 1.6300350J铁铜镍0 2.040050030.2500600二、绝缘管该热电偶的工作端被牢固地焊接在一起，热电极之间需要用绝缘管保护。热电偶的绝缘材料很多，大体上可分为有机和无机绝缘两 类，处于高温端的绝缘物必须采用无机物，通常在 1000 以下选用粘土质绝缘管，在 1300以下选用高铝管，在 1600 以下选用刚玉管。三、保护管保护管的作用在于使用热电偶电极不直接与被测介质接触，它不仅可延长热电偶的寿命，还可起到支撑和固定热电极增加其强度的 作用；因此，热电偶保护管及绝缘选择是否合适，将直接影响到热电偶的使用寿命和测量的准确度，被采用做保护管的材料主要分金 属和非金属两大类。