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热电偶测温原理及其应用

点击次数:766 发布时间:2015-08-06
 

一、热电偶简介

  热电温度记录仪常以热电偶作为测温元件,它广泛用来测量 -200 ℃ ~1300 ℃范围内的温度,特殊情况下,可测至 2800 ℃的高温或 4K 的低温。它具有结构简单,价格便宜,准确度高,测温范围广等特点。由于热电偶将温度转化成电量进行检测,使温度的测量、控制、以及对温度信号的放大变换都很方便,适用于远距离测量和自动控制。在接触式测温法中,热电温度计的应用zui普遍。

二、热电偶测温原理

1.定义: 由两种导体组合而成,将温度转化为热电动势的传感器叫做热电偶。

2. 测温原理 : 热电偶的测温原理基于热电效应。

将两种不同材料的导体 A 和 B 串接成一个闭合回路,当两个接点 1 和 2 的温 度不同时,如果 T > T 0 (如上图 12-1热电效应), 在回路中就会产生热电动势, 在回路中产生一定大小的电流,此种现象称为 热电效应 。

热电动势记为 EAB ,导体 A 、 B 称为热电极。接点 1 通常是焊接在一起的, 测量时将它置于测温场所感受被测温度,故称为测量端(或工作端,热 端)。

接点 2 要求温度恒定,称为参考端(或冷端)。

3.热电效应

  导体 A 和 B 组成的热电偶闭合电路在两个接点处分别由eAB (T) 与 eAB (T0 )两个接触电势 ,又因为 T > T0 ,在导体 A 和 B 中还各有一 个温差电势。所以闭合回 路总热电动势 EAB (T,T0 ) 应为接触电动势和温差电势的代数和,即:

4.闭合回路总热电动势

  对于已选定的热电偶,当参考温度恒定时,总热电动势就变成测量端温度 T 的单值函数,即 EAB ( T , T 0 )= f ( T ) 。这就是热电偶测量温度的基本原理。

  在实际测温时,必须在热电偶闭合回路中引入连接导线和仪表。

三、有关热电偶测温的基本原则

  由一种均质导体组成的闭合回路,不论导体的横截面积,长度以及温度分布如何均不产生热电动势。

  如果热电偶的两根热电极由两种均质导体组成,那么,热电偶的热电动势仅与两接点的温度有关,与热电偶的温度分布无关;

  如果热电极为非均质电极,并处于具有温度梯度的温场时,将产生附加电势,如果仅从热电偶的热电动势大小来判断温度的高低就会引起误差。

  1.中间导体定则:

    2. 均质导体定则

  在热电偶回路中接入第三种材料的导体,只要两端的温度相等,该导体接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。根据这一定则,可以将热电偶的一个接点断开接入 第三种导体 ,也可以将热电偶的一种导体断开接入第三种导体,只要每一种导体的两端温度相同,均不影响回路的总热电动势。

在实际测温电路中,必须有连接导线和显示仪器,若把连接导线和显示仪器看成第三种导体 ,只要他们的两端温度相同,则不影响总热电动势 。

3、参考电极定则 :

 两种导体 A, B 分别与参考电极 C( 或称标准电极 ) 组成热电偶,如果他们所产生的热电 动势为已知, A 和 B 两极配对后的热电动势可用下式求得.由此可见,只要知道两种导体分别与参考电极组成热电偶时的热电动势,就可以依据参考电极定则计算出两导体组成热电偶时的热电动势。从而简化了热电偶的选配工作。由于铂的物理化学性质稳定,熔点高,易提纯,所以人们多采用高纯铂作为参考电极。

四、常用热电偶

  适于制作热电偶的材料有300多种,其中广泛应用的有40~50种。 国际电工委员会向世界各国推荐 8 种热电偶作为标准化热电偶.

  我国标准化热电偶也有 8 种。分别是:铂铑 10- 铂(分度号为 S)、 铂铑 13- 铂 (R) 、铂铑 30- 铂铑 6(B) 、镍铬 - 镍硅 (K) 、镍铬-康铜 (E)、铁-康铜(J)、铜-康铜(T)和镍铬硅-镍硅(N)。下面简要介绍其中几种:

五、几种常用的热电偶

1、铂铑 10- 铂热电偶  组成:由φ0.5mm 的纯铂丝和直径相同的铂铑丝制成,分度号为 S 。铂铑丝为正 极 , 纯铂丝为负极。

2. 特点:热电性能好,抗氧化性强,宜在氧化性、惰性气氛中连续使用 。 长期适用 的温度为 1400℃ ,超过此温度时,即使在空气中纯铂丝也将再结晶而使晶 粒增大。短期使用温度为 1600℃ 。在所有的热电偶中,它的准确度等级zui 高 ,通常用作标准或测量高温的热电偶,其使用温度范围广( 0~1600℃ ), 均质性及互换性好。其缺点是价格昂贵 , 热电势较小,需配灵敏度高的显示仪表.

2、 镍铬 - 镍硅 ( 镍铝 ) 热电偶

1.组成:镍铬为正极,镍硅为负极,分度号为K。

2.特点: 使用温度范围宽(50~1300℃),高温下性能较稳定, 热电动势和温度的关系近似线性,价格便宜,因此是 目前用量zui大的一种热电偶。它适用于在氧化性和惰性气氛中连续使用,短期使用温 度为1200℃,长期使用温度为1000℃

3、镍铬 — 康铜热电偶

1. 组成:镍铬为正极,康铜为负极,分度号为 E

2. 特点:它的zui大特点是在常用热电偶中 热电动势zui大 ,即灵 敏度zui高, 适宜在250~870℃范围内的氧化性或惰性 气氛中使用 ,尤其适宜在0℃以下使用。在湿度大的情 况下,较其他热电偶耐腐蚀。

4、铜 - 康铜热电偶

1. 组成:纯铜为正极,康铜为负极,分度号为 T 。

2. 特点:在金属热电偶中准确度zui高,热电丝均匀性好,使用温度范围 为 -200 ~ 350 ℃。

  此外,还有非标准化热电偶,有钨铼系列(属难融金属),铂铑系列,铱铑系列,铂钼系列及非金属热电偶等等.


 
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