热电偶测温原理及应用
编辑：xinguo 添加时间：2013-10-09 14:51:52
一 、温度测量的基本概念
温度是度量物体冷 、热程度的物理量 ,在 生产和科学中占有极其重要的地位 , 是国际单位制 ( SI) 中 7 个基本物理量之一 。从能量 角度来看 ,温度是描述系统不同自由度间能量发布状态的物理量 ;从微观上看 ,温度标志 着系统内部分子无规则运动的剧烈程度 , 温度高 的 物 体 , 分 子 平 均 动 能 大 , 温 度 低 的 物 体 ,分子平均动能小 ; 从热平衡观点来看 , 温 度是描述热平衡系统冷热程度的物理量 。而 用来度量物体温度数值的标尺叫温标 , 它规定了温度的读数起点 ( 零点) 和测量温度的基 本单位 。目前用的较多的温标有华氏温标 、摄氏温标 、热力学温标和国际实用温标 。 温度测量方式有接触式和非接触式两大类 。
接触式测温法是将传感器置于与物体相 同的热平衡状态中 , 使传感器与物体保持同 一温度的测温方法 。例如利用介质受热膨胀 的原理制造的水银温度计 , 压力式温度计和 双金属温度计等 ; 利用物体电气参数随温度变化 的 特 性 来 检 测 温 度 , 如 热 电 阻 、热 敏 电 阻 、电子式温度传感器和热电偶等 。
接触式测温仪表比较简单、可靠 ,测量精度较高 ;但因测温元件与被测介质需要进行充分的热交换 , 需要一定的时间才能达到热 平衡 ,所以存在测温的延迟现象 ,同时受耐高温材料的限制 ,不能应用于很高的温度测量 。 非接触式仪表测温是通过热辐射原理来测量温度的 , 测温元件不需与被测物体的表 面介质接触 , 实现这种测温方法可利用物体的表面 热 辐 射 强 度 与 温 度 的 关 系 来 检 测 温 度 。有全辐射法 、部分辐射法 、单一波长辐射 功率的亮度法及比较两个波长辐射功率的比 色法等 。非接触式仪表测温的范 围广 , 不受测温 上限的限制 ,也不会破坏被测物体的温度场 ,反映 速 度 快 ; 但 受 到 物 体 的 发 射 率 、测 量 距 离 、烟尘和水汽等外界因素的影响 ,其测量误差较大 。
二 、热电偶测温基本原理
将两种不同材料 (但符合一定要求) 的导 体或半导体 A 和 B 的任意 一端焊接在一起 就构成了热电偶 。组成热电偶的导体或半导 体称为热电极 ,被焊接的一端插入测温场所 ,称为工作端 , 另一端称冷端 。当两端温度不 同时就会有热电势产生 , 它是测量温度的感
温元件 ,将温度信号转换为电信号再由仪表显示出来 。
热电偶 的 测 温 原 理 就 是 利 用 了 热 电 效 应 。任意两种材质不同的金属导体或半导体 A 和 B 首尾连接成闭合回路 ,只要两接点 T1和 T2 的温度不同 ,就会产生热电势 ,形成热 电流 ,这就是热电效应 。
热电偶原理图
热电势的大小与材质有关 , 与热电偶两 端的温差有关 。对应一定材质 , 其两端的温度与热电势间有固定的函数关系 , 利用这个 关系就可以测出温度值来 。热电偶的热电势 随温度的升高而增大 , 其热电势的大小与热 电偶的材料和热电偶两端的温度值有关 , 而 与热电极的长度 、直径无关 。
1 . 热电偶的广义分类 热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类 。所为标准热电偶是指国家标准规 定了其热电势与温度的关系 、允许误差 、并有统一的标准分度表的热电偶 ,它有与其配套的显示仪表 。非标准热电偶在使用范围或数 量级上均不及标准热电偶 , 一般也没有统一的分度表 ,主要用于某些特殊场合的测量 。
为了保证热电偶可靠 、稳定地工作 ,对它 的结构要求是 : 组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固 ; 两个热电极彼此之间应很好地绝缘 ,以防短路 ;补偿导线与热电偶自由端 的连接要方便可靠 ; 保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离 。
2 . 热电偶冷端的温度补偿 由于热电偶的材料一般都比较贵重 (特别是采用贵金属时) ,而测温点到仪表的距离都 很远 ,为了节省热电偶材料 ,降低成本 ,通常采用补偿导线把热电偶的冷端 (自由端) 延伸到温度比较稳定的控制室内 ,连接到仪表端子 上 。必须指出 ,热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极 ,使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上 ,它本身并不能消除冷端温度变化对 测温的影响 ,不起补偿作用 。因此 ,还需采用其他修正方法来补偿冷端温度 t0 ≠0 ℃时对测 温的影响 。在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配 ,极性不能接错 ,补偿导线与热电 偶连接端的温度不能超过 100 ℃。
热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一 ,为接触式测温 ,其优点有 : 测量精度高 ,因热电偶直接与被测对象接触 , 不受中间介 质的 影 响 ; 测 量 范 围 广 , 常 用 的 热 电 偶 从- 50～ + 1600 ℃均可 连 续 测 量 , 某 些 特 殊 热 电偶最低可测到 - 269 ℃( 如金铁镍铬) ,最高可达 + 2800 ℃(如钨 - 铼) ; 构造简单 ,使用方 便 ,热电偶通常是由两种不同的金属丝组成 ,而且不受大小和开头的限制 ,外有保护套管 ,用起来非常方便 。
热电偶测温的缺点是 : 热电偶损耗比较 大 ,增大了维护量 , 备件费用消耗大 ; 热响应 有一定滞后 。
三 、热电偶的选型
我国从 1988 年 1 月 1 日起 ,热电偶和热 电阻全部按 I EC 国际标准生产 ,并指定 S 、B 、E 、K、R 、J 、T 七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶 。 工业用热电偶作为温度 测量仪表 , 通常用来和显示仪 、记录仪等配套使用 ,以直接测 量各种生产过程中从 0 ℃～ + 1800 ℃范围内的液体 、蒸汽和气体介质以及固体表面的温 度 。并可根据用户的要求做成铠装 、装配 、防爆等适 合 多 种 工 业 现 场 和 实 验 室 要 求 的 产 品 。
1 . 热电 偶 的 分 度 号 与 测 温 范 围 的 关 系(见表 1)
表 1 热电偶的分度号与测温范围关系表
名 称 分度号 测温范围 直径 ( mm) 允许误差 ℃
铂老 30 —铂老 6
B
0～1800 ℃ Ø12 、Ø16 、Ø20 、
Ø25 可选 ±1 . 5 ℃或 ±0 . 25 %
t
铂老 10 —铂
S
0～1600 ℃ Ø12 、Ø16 、Ø20 、
Ø25 可选 ±1 . 5 ℃或 ±0 . 25 %
t
铂老 13 —铂
R
0～1600 ℃ Ø12 、Ø16 、Ø20 、
Ø25 可选 ±1 . 5 ℃或 ±0 . 25 %
t
镍铬 —镍硅
K
- 200～1300 ℃ Ø12 、Ø16 、Ø20 、
Ø25 可选 ±2 . 5 ℃或 ±0 . 75 %
t
镍铬 —康铜
E
- 200～800 ℃ Ø12 、Ø16 、Ø20 、
Ø25 可选 ±2 . 5 ℃或 ±0 . 75 %
t
镍铬 —康铜
T
- 200～350 ℃ Ø12 、Ø16 、Ø20 、
Ø25 可选 ±2 . 5 ℃或 ±0 . 75 %
t
2 . 根据用途和结构形式进行选型 (1) 铠装热电偶 铠装热电偶具有体形细长 、热响应快 、耐震动 、使用寿命长以及便于弯曲等优点 ,广泛 应用于航空 、原子能 、石油 、化工 、冶金 、机械 、 电力等工业部门和科技领域 ,尤其适宜安装 在管线狭窄 、弯曲和要求快速反应 、微型化的 特殊测温场合 。铠装热电偶通常由铠装偶元 件 、安装固定装置和接线装置等主要部件组成 。
吹气型铠装热电偶是一种专用铠装热电 偶 。吹气型铠装热电偶结构原理是在铠装热 电偶感温元件和外保护管之间构成一定的气 路 ,在气路中 ,通入大于 1 . 03 ×105 Pa 的惰性 气体 ,以排除或减少热电偶在高温 、高压条件 下 ,还原气体的渗入从而延长了铠装热电偶 的使用寿命 。铠装热电偶测温范围大 ,反应速度快 ,外 径小 、温度变化反应迅速 , 安装方便 、使用寿 命长 ,气密性好 ,机械强度好 。可在有震动 、 低温 、高温条件下使用 。
(2) 装配热电偶装配热电偶与显示仪表配套 ,在 - 200～1600 ℃范围内对气体 、液体介 质以及固体表 面温度进行检测 , 广泛应用于航空 、原子能 、石油 、化工 、冶金 、机械等工业部门和科技领域 。装配热电偶通常由感温元件 、保护管 、接 线盒及安装固定装置等主要部件组成 。
高炉热风炉热电偶是一种专用的装配热电偶 。高炉热风炉热电偶采用抗高温 、耐腐 蚀材料制造 , 测温范围大 , 精度和承压高 , 且 耐大气流冲刷 , 适用于热风炉等工业炉窖等高温 、高压和腐蚀环境场合中的温度测量 。装配热电偶测量范围大 、使用寿命长 、安 装使用方便 。
(3) 热套式电偶
热套式电偶主要用于测量蒸汽管道及锅 炉温度 。热电偶采用热套保护管与铠装热电
偶 (均为绝缘型) 可分离方式 ,使用时 ,用户可 将热套焊接或机械固定在设备上 , 然后装上 电偶就可工作 , 它的优点是提高了保护管的工作压力和使用寿命 , 又便于电偶的维修或更换 ,目前这种结构形式被国外广泛采用 。 热套式电偶还包括烟道 、风道热电偶 、高
温高压热电偶 、中温中压热电偶 、低温低压热电偶 。
(4) 防爆热电偶
防爆热电偶利用间隙隔 爆原理 , 设计具 有足够强度的接线盒等部件 , 将所有会产生 火花 、电弧和危险温度的零部件都密封在接线盒腔内 ,当腔内发生爆炸时 ,能通过接合面间隙熄火和冷却 , 使爆炸后的火焰和温度传不到腔外 ,从而进行测温 。
防爆热电偶可直接测量生产现场存在碳 氢化合物 等 爆 炸 的 0 ～ 1300 ℃范 围 内 液 体 、 蒸汽和气体介质以及固体表面温度 。防爆热电偶的特点是多种 防爆形式 , 防爆性能好 ; 压簧式感温元件 , 抗振性能好 ; 测 量范围大 ;机械强度高 ,耐压性能好 。
3 . 热电偶的主要技术指标
(1) 温度测量范围和允差
热电偶可测量温度的范围和允许误差与 热电偶的分度号密切相关 , 表 1 已列出了常用的几种热电偶温度测量范围和允许误差 。
(2) 热响应时间
在温度出现阶跃变化时 , 热电偶的输出 变化至相当 于该阶跃变化的 50 %所需要 的时间称为热响应时间 ,用τ0 . 5 表示 。
(3) 公称压力
一般是指在工作温度下保护管所能承受 的静态外压而不破裂 。实际上 , 允许工作压
力不仅与保护管材料 、直径 、壁厚有关 , 还与 其结构形式 、安装方法 、置入深度以及被测介质的流速和种类等有关 。
(4) 最小置入深度
最小置入深度应不小于其保护管外径的8～10 倍 (特殊产品例外) 。
(5) 绝缘电阻 (常温) 常温绝缘电阻的试验电压为直流 500 ±50 V ,测量 常 温 绝 缘 电 阻 的 大 气 条 件 为 温 度15～ 35 ℃, 相 对 湿 度 80 % , 大 气 压 力 86 ～106 KPa 。
(6) 防爆等级 (隔爆热电偶)
隔爆热电偶的防爆等级适用于爆炸性气 体混合物最大安全间隙分为 A 、B 、C 三级 。
4 . 热电偶的选型原则 首先应根据实际测温范围选择采用哪种分度号的热电偶 ; 其次根据实际工艺情况要 求选择采用何种结构形式的热电偶 (铠装 、装配 、防爆热电偶等) ; 最后根据热电偶的技术指标选择热电偶的长度 、保护管材料 、直径 、安装固定形式等 。
四 、结束语
接触式测温仪表 (热电偶) 测量温度比较简单、可靠 , 测量精度较高 ; 但因测温元件与 被测介质需要充分进行热交换 , 需要一定的时间才能到达热平衡 ,存在测温延迟现象 ,同时受耐高温材料的限制 , 不能应用于很高的 温度测量 。非接触式仪表测温 (红外测温) 是 通过热辐射原理来测量温度 , 测温元件不需与被测介质接触 ,测温范围广 ,不受测温上限的限制 ,也不会破坏被测物体的温度场 ,反应 速度快 , 寿命长 ; 但由于受灵敏度限制 、测量光谱带宽的影响及物体的发射率 、测量距离、粉尘和水气等外界因素的影响 , 其测量误差较大 。
综上所述 , 接触式测温方法无法准确进 行测量的测量点 , 红外测温仪的出现解决了 这一 大 难 题 , 它 不 仅 可 以 进 行 定 点 、移动 测量 ,还可以进行连续测量 ,并且能将测量结果送入计算机 。随着自动化程度的提高 , 红外 测量仪器的应用会越来越广泛 。
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