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温度仪表

热电偶

2018-09-13    浏览次数:    

热电偶
热电偶(thermocouple)是温度测量仪表中常用的测温元件,它直接测量温度,并把温度信号转换成热电动势信号,通过电气仪表(二次仪表)转换成被测介质的温度。各种热电偶的外形常因需要而极不相同,但是它们的基本结构却大致相同,通常由热电极、绝缘套保护管和接线盒等主要部分组成,通常和显示仪表、记录仪表及电子调节器配套使用。
简介
在工业生产过程中,温度是需要测量和控制的重要参数之一。在温度测量中,热电偶的应用极为广泛,它具有结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯性小和输出信号便于远传等许多优点。另外,由于热电偶是一种有源传感器,测量时不需外加电源,使用十分方便,所以常被用作测量炉子、管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度。
热电偶冷端补偿计算方法:
从毫伏到温度:测量冷端温度,换算为对应毫伏值,与热电偶的毫伏值相加,换算出温度;
从温度到毫伏:测量出实际温度与冷端温度,分别换算为毫伏值,相减後得出毫伏值,即得温度。
测温条件
是一种感温元件,是一种一次仪表,热电偶直接丈量温度。由2种不同成分材质的导体组成的闭合回路,由于材质不同,不同的电子密度产生电子扩散,稳定均衡后就产生 了电势。当两端存在梯度温度时,回路中就会有电流产生,产生热电动势,温度差越大,电流就会越大。测得热电动势之后即可晓得温度值。热电偶实际上是一种能量转换器,可将热能转换成电能。
热电偶的技术优势:热电偶测温范围宽,性能比拟稳定;丈量精度高,热电偶与被测对象直接接触,不受中间介质的影响;热响应时间快,热电偶对温度变化反响灵活;丈量范围 大,热电偶从-40~+ 1600℃ 均可连续测温;热电偶性能牢靠, 机械强度好。运用寿命长,装置便当。
电偶必需是由两种性质不同但契合一定要求的导体(或半导体)材料构成回路。热电偶丈量端和参考端之间必需有温差。
将两种不同资料的导体或半导体A和B焊接起来,构成一个闭合回路。当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时,两者之间便产生电动势,因此在回路中构成一个大小的电流,这 种现象称为热电效应。热电偶就是应用这一效应来工作的。
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差不能超过100℃。
主要特点
1、装配简单,更换方便;
2、压簧式感温元件,抗震性能好;
3、测量精度高;
4、测量范围大(-200℃~1300℃,特殊情况下-270℃~2800℃);
5、热响应时间快;
6、机械强度高,耐压性能好;
7、耐高温可达2800度;
8、使用寿命长。
结构要求
热电偶的结构形式为了保证热电偶可靠、稳定地工作,对它的结构要求如下:
1、组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固;
2、两个热电极彼此之间应很好地绝缘,以防短路;
3、补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠;
4、保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。
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,
当两个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工作端的两端温度函数的差,而不是热电偶冷端与工作端,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。将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来,构成一个闭合回路,如图所示。当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时,两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流。热电偶就是利用这一效应来工作的。
常见种类
常用可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所谓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可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶,一般也没有统一的分度表,主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶中国从1988年1月1日起,热电偶和热电阻全部按IEC生产,并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为中国统一设计型热电偶。

热电偶分度号 热电极材料
  正极 负极
S 铂铑 10 纯铂
R 铂铑 13 纯铂
B 铂铑 30 铂铑 6
K 镍铬 镍硅
T 纯铜 铜镍
J 铜镍
N 镍铬硅 镍硅
E 镍铬 铜镍
 
从理论上讲,任何两种不同导体(或半导体)都可以配制成热电偶,但是作为实用的测温元件,对它的要求是多方面的。为了保证工程技术中的可靠性,以及足够的测量精度,并不是所有材料都能组成热电偶,一般对热电偶的电极材料,基本要求是:
1、在测温范围内,热电性质稳定,不随时间而变化,有足够的物理化学稳定性,不易氧化或腐蚀;
2、小,导电率高,比热小;
3、测温中产生热电势要大,并且热电势与温度之间呈线性或接近线性的单值函数关系;
4、材料复制性好,机械强度高,制造工艺简单,价格便宜。测量方法

的热响应时间比较复杂,不同的试验条件会有不同的测量结果,这是因为它受热电偶与周围介质的换热率影响,换热率高,则热响应时间就短。为了使热电偶产品的热响应 时间具有可比性,国家标准规定:热响应时间应在专用水流试验装置上进行。该装置的水流速度应保持0.4±0.05m/s,初始温度在5-45℃的范围内,温度阶跃值为40-50℃。在试验 过程中,水的温度变化应不大于温度阶跃值的±1%。被试热电偶的置入深度为150mm或设计的置入深度(选其中较小值并在试验报告中注明)。
由于该装置比较复杂,目前只有极少数单位有这套设备,故国家标准中规定允许生产厂与用户协商,可采用其他试验方法,但所给数据必须注明试验条件。
由于B型热电偶在室温附近热电势很小,热响应时间不容易测出,因此国家标准规定可采用同规格的S型热电偶的热电极组件替换其自身的热电极组件,然后进行试验。
试验时应记录 热电偶 的输出变化至相当于温度阶跃变化50%的时间T0.5,必要时可记录变化10%的热响应时间T0.1和变化90%的热响应时间T0.9。所记录的热响应时间,应是同一 试验至少三次测试结果的平均值,每次测量结果对于平均值的偏离应在±10%以内。此外,形成温度阶跃变化所需的时间不应超过被测试 热电偶 的T0.5的十分之一。记录仪器或仪 表的响应时间不应超过被试热电偶的T0.5的十分之一。
安装要求
对热电偶与热电阻的安装,应注意有利于测温准确,
安全可考及维修方便,而且不影响设备运行和生产操作.要满足以上要求,在选择对热电偶和热电阻的安装部位和插入深度时要注意以下几点:
1、为了使热电偶和热电阻的测量端与被测介质之间有充分的热交换,应合理选择测点位置,尽量避免在阀门,弯头及管道和设备的死角附近装设热电偶或热电阻。
2、带有保护套管的热电偶和热电阻有传热和散热损失,为了减少测量误差,热电偶和热电阻应该有足够的插入深度:
(1)对于测量管道中心流体温度的热电偶,
一般都应将其测量端插入到管道中心处(垂直安装或倾斜安装).如被测流体的管道直径是200毫米,那热电偶或热电阻插入深度应选择100毫米;
(2)对于高温高压和高速流体的温度测量(如主蒸汽温度),为了减小保护套对流体的阻力和防止保护套在流体作用下发生断裂,可采取保护管浅插方式或采用热套式热电偶,浅插式的热电偶保护套管,其插入主蒸汽管道的深度应不小于75mm;热套式热电偶的标准插入深度为100mm;
(3)假如需要测量是烟道内烟气的温度,尽管烟道直径为4m,热电偶或热电阻插入深度1 m即可;
(4)当测量原件插入深度超过1m时,应尽可能垂直安装,或加装支撑架和保护套管。


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