熱電偶測(cè)溫測(cè)量?jī)x表綜述？
2017-07-20 20:48:15 點(diǎn)擊：
在工業(yè)生產(chǎn)中測(cè)溫儀器有很多，而熱電偶測(cè)溫儀表是其中的一種。它是由兩種導(dǎo)體或半導(dǎo)體的兩端分別焊接或絞接在一起，形成一個(gè)閉合回路，利用兩點(diǎn)的溫度差來產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)工作的。熱電偶的品種很多，各種分類方法也不盡相同，按照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的要求可以分為標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶兩種。熱電偶是熱電效應(yīng)理論的具體應(yīng)用之一，在溫度測(cè)量中有廣泛的應(yīng)用，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、容易構(gòu)造等優(yōu)點(diǎn)。熱電偶通過與顯示儀表配合使用，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量、自動(dòng)記錄、溫度自動(dòng)控制等。
1.測(cè)溫儀表及熱電偶測(cè)溫的種類
測(cè)溫儀表的種類有很多，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的需要，測(cè)溫技術(shù)也不斷地改進(jìn)和提高。由于測(cè)溫范圍越來越廣，根據(jù)不同的要求，又制造出不同需要的測(cè)溫儀器，主要有液晶溫度計(jì)、光測(cè)高溫計(jì)、半導(dǎo)體溫度計(jì)、轉(zhuǎn)動(dòng)式溫度計(jì)、壓力式溫度計(jì)、玻璃管溫度計(jì)、指針式溫度計(jì)、高溫溫度計(jì)、溫差電偶溫度計(jì)、電阻溫度計(jì)、氣體溫度計(jì)和熱電偶溫度計(jì)等。
根據(jù)熱電偶的用途、安裝方法和結(jié)構(gòu)形式的不同，熱電偶可以分為普通型熱電偶、鎧裝熱電偶兩大類。而常用熱電偶按熱電偶的分度號(hào)有主要有S、R、B、N、K、E、J、T等幾種。其中S、R、B屬于貴金屬熱電偶，N、K、E、J、T屬于廉金屬熱電偶。
S分度號(hào)的特點(diǎn)是抗氧化性能強(qiáng)，宜在氧化性、惰性氣氛中連續(xù)使用，長(zhǎng)期使用溫度1400℃，短期1600℃。在所有熱電偶中，S分度號(hào)的精確度等級(jí)最高，通常用作標(biāo)準(zhǔn)熱電偶；R分度號(hào)與S分度號(hào)相比除熱電動(dòng)勢(shì)大15%左右，其它性能幾乎完全相同；B分度號(hào)在室溫下熱電動(dòng)勢(shì)極小，故在測(cè)量時(shí)一般不用補(bǔ)償導(dǎo)線。它的長(zhǎng)期使用溫度為1600℃，短期1800℃。可在氧化性或中性氣氛中使用，也可在真空條件下短期使用。 N分度號(hào)的特點(diǎn)是1300℃下高溫抗氧化能力強(qiáng)，熱電動(dòng)勢(shì)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性及短期熱循環(huán)的復(fù)現(xiàn)性好，耐核輻照及耐低溫性能也好，可以部分代替S分度號(hào)熱電偶；K分度號(hào)的特點(diǎn)是抗氧化性能強(qiáng)，宜在氧化性、惰性氣氛中連續(xù)使用，長(zhǎng)期使用溫度1000℃，短期1200℃。在所有熱電偶中使用最廣泛；E分度號(hào)的特點(diǎn)是在常用熱電偶中，其熱電動(dòng)勢(shì)最大，即靈敏度最高。宜在氧化性、惰性氣氛中連續(xù)使用，使用溫度0-800℃；J分度號(hào)的特點(diǎn)是既可用于氧化性氣氛(使用溫度上限750℃)，也可用于還原性氣氛(使用溫度上限950℃)，并且耐H2及CO氣體腐蝕，多用于煉油及化工；T分度號(hào)的特點(diǎn)是在所有廉金屬熱電偶中精確度等級(jí)最高，通常用來測(cè)量300℃以下的溫度。
2.熱電偶測(cè)溫的基本原理
熱電偶之所以能夠用來測(cè)量溫度，那是因?yàn)樗褱囟刃盘?hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，通過電氣儀表轉(zhuǎn)換成被測(cè)介質(zhì)的溫度。熱電偶測(cè)溫的基本原理是兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路，當(dāng)兩端存在溫度梯度時(shí)，回路中就會(huì)有電流通過，此時(shí)兩端之間就存在熱電動(dòng)勢(shì)，其原理圖如圖1。
而之所以會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)是由于不同的導(dǎo)體材料的電子密度不同，即使相同的導(dǎo)體材料，溫度不同，其電子密度也不相同，當(dāng)異質(zhì)金屬Ａ、Ｂ組成閉合回路，由于接點(diǎn)a、b的溫度不同，則同一導(dǎo)體溫度高的地方自由電子密度大，溫度低的地方自由電子密度小，所以在閉合回路中，自由電子密度大的要向自由電子密度小的區(qū)域擴(kuò)散，這樣在回路中就產(chǎn)生了“凈”電荷流動(dòng)，即回路中有電動(dòng)勢(shì)eＡB，這就是產(chǎn)生塞貝克電動(dòng)勢(shì)原因。當(dāng)熱電極材料一定后，則熱電動(dòng)勢(shì)僅與兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)。一對(duì)異質(zhì)金屬A、B組成的閉合回路中，如果對(duì)接點(diǎn)a加熱，那么，a、b兩接點(diǎn)的溫度就會(huì)不同，溫度不同，就會(huì)有電流產(chǎn)生，使得接在電路中的電流表發(fā)生偏轉(zhuǎn)，它在熱電偶回路中產(chǎn)生的電流稱為熱電流。Ａ、Ｂ稱為熱電極，接點(diǎn)a是用焊接的方法連接一起的，測(cè)溫時(shí)，將它置于被測(cè)溫度場(chǎng)中，稱為測(cè)量端或者工作端，接點(diǎn)b一般要求恒定在某一溫度稱為參考端或自由端。
熱電勢(shì)的大小與t和t0之差的大小有關(guān).當(dāng)熱電偶的兩個(gè)熱電極材料已知時(shí),由熱電偶回路熱電勢(shì)的分布理論知熱電偶兩端的熱電勢(shì)差可以用下式表示：
EAB(t,t0)＝EAB(t)－EAB(t0)
式中 EAB(t,t0)——熱電偶的熱電勢(shì)
EAB(t)——溫度為t時(shí)工作端的熱電勢(shì)；
EAB(t0)——溫度為t0時(shí)冷端的熱電勢(shì)。
從上式可看出當(dāng)工作端的被測(cè)介質(zhì)溫度發(fā)生變化時(shí)，熱電勢(shì)隨之發(fā)生變化，因此，只要測(cè)出EAB(t,t0)和知道EAB(t0)就可得到EAB(t)，將熱電勢(shì)送入顯示儀表進(jìn)行指示或記錄，或送入 微機(jī)進(jìn)行處理，即可獲得測(cè)量端溫度t值。
3.熱電偶測(cè)溫的主要優(yōu)缺點(diǎn)
熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測(cè)元件之一，其優(yōu)點(diǎn)有：
① 測(cè)量精度高。因熱電偶直接與被測(cè)對(duì)象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。
② 測(cè)量范圍廣。常用的熱電偶從-50~ 1600℃均可連續(xù)測(cè)量，某些特殊電偶
最低可測(cè)到-271-- 2800℃如金鐵鎳鉻和鎢-錸。
③構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來非常方便。
但是熱電偶也存在著不足的地方，如使用的參考端溫度必須恒定，否則將歪曲測(cè)量結(jié)果；在高溫或長(zhǎng)期使用中，因受被測(cè)介質(zhì)或氣氛的作用（如氧化、還原等）而發(fā)生劣化，降低使用壽命。
4.熱電偶測(cè)溫國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
熱電偶主要用于測(cè)量較高溫度，關(guān)于我國(guó)高溫?zé)犭娕及l(fā)展現(xiàn)狀，高溫?zé)犭娕家话阒?300度以上的，有鉑銠10-鉑熱電偶，鉑銠13-鉑熱電偶，鉑銠30-鉑銠6熱電偶，鎢錸5-鎢錸25熱電偶，鉑銠40-鉑銠20熱電偶，銥銠熱電偶、碳化硅-石墨等等。 目前來講，接觸式測(cè)溫?zé)犭娕际亲羁煽康臏y(cè)溫方式，除了真空、中頻、高頻區(qū)域不適合熱電偶測(cè)溫量而采用光學(xué)高溫計(jì)、紅外線測(cè)溫儀外，基本上沒有其他什么材料、技術(shù)可以替代它。
從現(xiàn)在的情況來看，主要的發(fā)展趨勢(shì)是通過技術(shù)手段增強(qiáng)抗腐蝕抗氧化性能提高使用壽命。
5.我的觀點(diǎn)
熱電偶雖然廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，但是也有它的不足，如果使用不當(dāng)會(huì)帶來較大的誤差，因此如何正確使用熱電偶和最大程度的減小其誤差成為了關(guān)鍵問題。由于熱電偶的分度值隨使用時(shí)間和使用條件的不同而起的變化，因此熱電偶測(cè)溫具有不穩(wěn)定性，這時(shí)經(jīng)常進(jìn)行監(jiān)督性校驗(yàn)或根據(jù)實(shí)際使用情況安排周期檢定，這樣可以減少不穩(wěn)定性引入的誤差。在實(shí)際使用熱電偶時(shí),其冷端溫度(參考端) 不但不為0 ℃,而且往往是變化的,測(cè)溫儀表所測(cè)得的溫度值就會(huì)產(chǎn)生較大誤差,在這種情況下,我們通常采用熱電勢(shì)補(bǔ)正法、調(diào)儀表起始點(diǎn)法、補(bǔ)償導(dǎo)線、參考端溫度補(bǔ)償器來減小誤差。又由于傳熱及熱電偶安裝的影響熱電偶有熱輻射誤差和導(dǎo)熱誤差，這都是我們使用時(shí)不能夠忽略的。除此之外熱電偶還受測(cè)量系統(tǒng)漏電影響、動(dòng)態(tài)響應(yīng)誤差的影響和
短程有序結(jié)構(gòu)變化（K狀態(tài)）的影響。
因此，使用好熱電偶時(shí)注意各個(gè)方面的影響并把它的主要誤差減小到最低程度，才能比較準(zhǔn)確地測(cè)出符合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的量值。
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