熱電偶溫度計(jì)在水電工程中的使用方法研究

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1、熱電偶的基本原理

　　熱電偶溫度計(jì)屬于接觸式溫度測(cè)量?jī)x表。是根據(jù)熱電效應(yīng)即塞貝克效應(yīng)原理來(lái)測(cè)量溫度的，是溫度測(cè)量?jī)x表中常用的測(cè)溫元件。將不同材料的導(dǎo)體A、B接成閉合回路，接觸測(cè)溫點(diǎn)的一端稱(chēng)為測(cè)量端（或工作端），另一端稱(chēng)為參比端（或自由端）。若測(cè)量端和參比端所處溫度t和t0不同，則在回路的A、B之間就產(chǎn)生一熱電勢(shì)EAB（t，t0），這種現(xiàn)象稱(chēng)為塞貝克效應(yīng)，即熱電效應(yīng)。EAB大小隨導(dǎo)體A、B的材料和兩端溫度t和t0而變，這種回路稱(chēng)為原型熱電偶。在實(shí)際應(yīng)用中，將A、B的一端焊接在一起作為熱電偶的測(cè)量端放到被測(cè)溫度t處，而將參比端分開(kāi)，用導(dǎo)線接入顯示儀表，并保持參比端接點(diǎn)溫度t0穩(wěn)定。顯示儀表所測(cè)電勢(shì)只隨被測(cè)溫度而t變化。

　　在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時(shí)，只要該材料兩個(gè)接點(diǎn)的溫度相同，熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此，在熱電偶測(cè)溫時(shí)，可接入測(cè)量?jī)x表，測(cè)得熱電勢(shì)后，即可知道被測(cè)介質(zhì)的溫度。

　　根據(jù)熱電勢(shì)與溫度函數(shù)關(guān)系?？芍瞥蔁犭娕挤侄缺?。分度表是在自由端溫度To=0℃的條件下得到的。不同的熱電偶具有不同的分度表。

　　從理論上講，任何兩種導(dǎo)體都可以配制成熱電偶，但實(shí)際上并不是所有材料都能制作熱電偶，故對(duì)熱電極材料必須滿(mǎn)足以下幾點(diǎn)：

　?。?）熱電偶材料受溫度作用后能產(chǎn)生較高的熱電勢(shì)，熱電勢(shì)和溫度之間的關(guān)系最好呈線性或近似線性的單值函數(shù)關(guān)系；

　?。?）能測(cè)量較高的溫度，并在較寬的溫度范國(guó)內(nèi)應(yīng)用，經(jīng)長(zhǎng)期使用后，物理、化學(xué)性能及熱電特性保持穩(wěn)定；

　　（3）要求材料的電阻溫度系數(shù)要小，電阻率高，導(dǎo)電性能好，熱容量要??；復(fù)現(xiàn)性要好，便于大批生產(chǎn)和互換，便于制定統(tǒng)一的分度表；

　?。?）機(jī)械性能好，材質(zhì)均勻；

　?。?）資源豐富，價(jià)格便宜。

　　為了保證熱電偶可靠和穩(wěn)定地工作對(duì)熱電偶有如下要求：

　?。?）組成熱電偶的兩個(gè)熱電極的焊接必須牢固；

　?。?）兩個(gè)熱電極彼此之間應(yīng)很好地絕緣，以防短路；

　?。?）補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶自由端的連接要方便可靠；

　?。?）保護(hù)套管應(yīng)能保證熱電極與有害介質(zhì)充分隔離。

　　熱電偶溫度計(jì)的特點(diǎn)有：

　?。?）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，某些特殊熱電偶最低可測(cè)到-269℃（如金鐵鎳鉻），最高可達(dá)+2800℃（如鎢-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(kāi)頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來(lái)非常方便。熱電偶是一種感溫元件，它能將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電勢(shì)信號(hào)，通過(guò)與電氣測(cè)量?jī)x表的配合，就能測(cè)量出被測(cè)的溫度。

　　2、熱電歐溫度計(jì)的選擇

　　常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類(lèi)。標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級(jí)上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒(méi)有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場(chǎng)合的測(cè)量。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，按IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)。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(lái)測(cè)量300℃以下的溫度。

　　由于熱電偶的材料一般都比較貴重（特別是采用貴金屬時(shí)），而測(cè)溫點(diǎn)到儀表的距離都很遠(yuǎn)，為了節(jié)省熱電偶材料，降低成本，通常采用補(bǔ)償導(dǎo)線把熱電偶的冷端（自由端）延伸到溫度比較穩(wěn)定的控制室內(nèi)，連接到儀表端子上。必須指出，熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的作用只起延伸熱電極，使熱電偶的冷端移動(dòng)到控制室的儀表端子上，它本身并不能消除冷端溫度變化對(duì)測(cè)溫的影響，不起補(bǔ)償作用。因此，還需采用其他修正方法來(lái)補(bǔ)償冷端溫度t0≠0℃時(shí)對(duì)測(cè)溫的影響。

　　在使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)必須注意型號(hào)相配，極性不能接錯(cuò)，補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶連接端的溫度不能超過(guò)100℃。冷端溫度補(bǔ)償器的型號(hào)應(yīng)與熱電偶的型號(hào)相符，并在規(guī)定溫度范圍內(nèi)使用；冷端溫度補(bǔ)償器與熱電偶連接時(shí)極性不能接錯(cuò)；根據(jù)補(bǔ)償器的平衡點(diǎn)溫度調(diào)整儀表起始點(diǎn)，使指針批示在平衡點(diǎn)溫度；具有自動(dòng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的顯示儀表不安裝補(bǔ)償器；補(bǔ)償器必須定期檢查和檢定。

　　熱電偶溫度計(jì)在工業(yè)生產(chǎn)中有著非常廣泛的應(yīng)用，熱電偶的選擇首先應(yīng)根據(jù)被測(cè)溫度的上限，正確地選擇熱電偶的熱電極及保護(hù)套管；根據(jù)被測(cè)對(duì)象的結(jié)構(gòu)及安裝特點(diǎn)，選擇熱電偶的規(guī)格及尺寸。熱電偶按結(jié)構(gòu)形式可分為普通工業(yè)型、鎧裝型及特殊型等。

　　常用的普通工業(yè)型熱電偶有：

　　1.鉑銠10一鉑熱電偶：屬于貴重金屬熱電偶，正極為鉑銠合金，負(fù)極為鉑，短期工作溫度為1600℃，長(zhǎng)期工作溫度為1300℃，物理、化學(xué)穩(wěn)定性好，一般用于準(zhǔn)確度要求較高的高溫測(cè)量。但材料較貴，熱電勢(shì)較小，分度號(hào)為S。

　　2.鎳鉻一鎳硅熱電偶：它是非貴重金屬中性能最穩(wěn)定的一種，應(yīng)用很廣，正極為鎳鉻。短期工作溫度為1200℃，長(zhǎng)期工作溫度為900℃。此種熱電偶的熱電勢(shì)比上一種大4到5倍，而且線性度更好，誤差一般在（6－8）℃。但其熱電極不易做得很均勻，較易氧化，穩(wěn)定性差。分度號(hào)為K.

　　3.鎳鉻一康銅熱電偶：正極是鎳鉻，短期工作溫度為800℃，長(zhǎng)期工作溫度為60℃。它是熱電勢(shì)最大的一種熱電偶，測(cè)量準(zhǔn)確度較高，但極易氧化。分度號(hào)為E.

　　4.銅一康銅熱電偶：這是在低溫下應(yīng)用得很普遍的熱電偶，測(cè)量溫度范圍（-200－+200）℃，穩(wěn)定性好，低溫時(shí)靈敏度高并且價(jià)格低廉。分度號(hào)為T(mén)。

　　鎧裝熱電偶是由熱電極、絕緣材料和金屬套管三者組合加工而成，它可以做得很細(xì)很長(zhǎng)，在使用中可以隨測(cè)量需要進(jìn)行彎曲，其特點(diǎn)是：熱情性小、熱接點(diǎn)處的熱容量小、壽命較長(zhǎng)、適應(yīng)性強(qiáng)等，應(yīng)用廣泛。

　　實(shí)際使用時(shí)特別要注意補(bǔ)償導(dǎo)線的使用。通常接在儀表和接線盒之間的補(bǔ)償導(dǎo)線，其熱電性質(zhì)與所用熱電偶相同或相近，與熱電偶連接后不會(huì)產(chǎn)生大的附加熱電勢(shì)，不會(huì)影響熱電偶回路的總熱電勢(shì)。如果用普通導(dǎo)線來(lái)代替補(bǔ)償導(dǎo)線，就起不到補(bǔ)償作用，從而降低測(cè)溫的準(zhǔn)確性。所以，使用單位在安裝儀表敷線時(shí)應(yīng)注意：補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶連接時(shí)，極性切勿接反，否則測(cè)溫誤差反而增大。

　　實(shí)際測(cè)量中，如果測(cè)量值偏離實(shí)際值太多，除熱電偶安裝位置不當(dāng)外，還有可能是熱電偶偶絲被氧化、熱電偶測(cè)量端焊點(diǎn)出現(xiàn)砂眼等。

　　3、熱電偶溫度計(jì)的安裝

　　熱電偶和熱電阻溫度計(jì)屬于接觸式溫度計(jì)，由于其無(wú)法替代的優(yōu)點(diǎn)成為工礦企業(yè)和科研院所常用的溫度測(cè)量?jī)x表。正確的安裝熱電偶和熱電阻傳感器是保證其測(cè)量精度和使用壽命的重要因素。下面根據(jù)平時(shí)的使用情況以幾種常用的安裝方式作些介紹，希望能給大家的實(shí)際工作提供點(diǎn)參考。

　　首先熱電偶和熱電阻的安裝應(yīng)盡可能保持垂直，以防止保護(hù)套管在高溫下產(chǎn)生變形，但在有流速的情況下，則必須迎著被測(cè)介質(zhì)的流向插入，以保證測(cè)溫元件與流體的充分接觸以保證其測(cè)量精度。另外熱電偶和熱電阻應(yīng)盡量安裝在有保護(hù)層的管道內(nèi)，以防止熱量散失。其次當(dāng)熱電偶和熱電阻傳感器安裝在負(fù)壓管道中時(shí)，必須保證測(cè)量處具有良好的密封性，以防止外界冷空氣進(jìn)入，使讀數(shù)偏低。當(dāng)熱電偶和熱電阻傳感器安裝在戶(hù)外時(shí)，熱電偶和熱電阻傳感器的接線盒面蓋應(yīng)向上，入線口應(yīng)向下，以避免雨水或灰塵進(jìn)入接線盒，而損壞熱電偶和熱電阻接線盒內(nèi)的接線影響其測(cè)量精度。應(yīng)經(jīng)常檢查熱電偶和熱電阻溫度計(jì)各處的接線情況，特別是熱電偶溫度計(jì)由于其補(bǔ)償導(dǎo)線的材料硬度較高，非常容易從接線柱脫離造成斷路故障，因此要接線良好不要過(guò)多碰動(dòng)溫度計(jì)的接線并經(jīng)常檢查，以獲得正確的測(cè)量溫度。

　　熱電偶安裝時(shí)應(yīng)放置在盡可能靠近所要測(cè)的溫度控制點(diǎn)。為防止熱量沿?zé)犭娕紓髯呋蚍乐贡Ｗo(hù)管影響被測(cè)溫度，熱電偶應(yīng)浸入所測(cè)流體之中，深度至少為直徑的10倍。當(dāng)測(cè)量固體溫度時(shí)，熱電偶應(yīng)當(dāng)頂著該材料或與該材料緊密接觸。為了使導(dǎo)熱誤差減至最小，應(yīng)減小接點(diǎn)附近的溫度梯度。

　　當(dāng)用熱電偶測(cè)量管道中的氣體溫度時(shí)，如果管壁溫度明顯地較高或較低，則熱電偶將對(duì)之輻射或吸收熱量，從而顯著改變被測(cè)溫度。這時(shí)，可以用一輻射屏蔽罩來(lái)使其溫度接近氣體溫度，采用所謂的屏罩式熱電偶。

　　選擇測(cè)溫點(diǎn)時(shí)應(yīng)具有代表性，例如測(cè)量管道中流體溫度時(shí)，熱電偶的測(cè)量端應(yīng)處于管道中流速最大處。一般來(lái)說(shuō)，熱電偶的保護(hù)套管末端應(yīng)越過(guò)流速中心線。