熱電偶溫度計在水電工程中的使用方法研究

申請免費試用、咨詢電話：400-8352-114

1、熱電偶的基本原理

　　熱電偶溫度計屬于接觸式溫度測量儀表。是根據(jù)熱電效應(yīng)即塞貝克效應(yīng)原理來測量溫度的，是溫度測量儀表中常用的測溫元件。將不同材料的導(dǎo)體A、B接成閉合回路，接觸測溫點的一端稱為測量端（或工作端），另一端稱為參比端（或自由端）。若測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EAB（t，t0），這種現(xiàn)象稱為塞貝克效應(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，這種回路稱為原型熱電偶。在實際應(yīng)用中，將A、B的一端焊接在一起作為熱電偶的測量端放到被測溫度t處，而將參比端分開，用導(dǎo)線接入顯示儀表，并保持參比端接點溫度t0穩(wěn)定。顯示儀表所測電勢只隨被測溫度而t變化。

　　在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時，只要該材料兩個接點的溫度相同，熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此，在熱電偶測溫時，可接入測量儀表，測得熱電勢后，即可知道被測介質(zhì)的溫度。

　　根據(jù)熱電勢與溫度函數(shù)關(guān)系。可制成熱電偶分度表。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，但實際上并不是所有材料都能制作熱電偶，故對熱電極材料必須滿足以下幾點：

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

　　（2）能測量較高的溫度，并在較寬的溫度范國內(nèi)應(yīng)用，經(jīng)長期使用后，物理、化學(xué)性能及熱電特性保持穩(wěn)定；

　?。?）要求材料的電阻溫度系數(shù)要小，電阻率高，導(dǎo)電性能好，熱容量要小；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；

　?。?）機械性能好，材質(zhì)均勻；

　?。?）資源豐富，價格便宜。

　　為了保證熱電偶可靠和穩(wěn)定地工作對熱電偶有如下要求：

　　（1）組成熱電偶的兩個熱電極的焊接必須牢固；

　　（2）兩個熱電極彼此之間應(yīng)很好地絕緣，以防短路；

　?。?）補償導(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。

　　熱電偶溫度計的特點有：

　?。?）測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。

　?。?）測量范圍廣。常用的熱電偶從-50～+1600℃均可連續(xù)測量，某些特殊熱電偶最低可測到-269℃（如金鐵鎳鉻），最高可達(dá)+2800℃（如鎢-錸）。

　?。?）構(gòu)造簡單，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。熱電偶是一種感溫元件，它能將溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電勢信號，通過與電氣測量儀表的配合，就能測量出被測的溫度。

　　2、熱電歐溫度計的選擇

　　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。標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(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)量級上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，按IEC國際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)。熱電偶的分度號有主要有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分度號的特點是抗氧化性能強，宜在氧化性、惰性氣氛中連續(xù)使用，長期使用溫度1400℃，短期1600℃。在所有熱電偶中，S分度號的精確度等級最高，通常用作標(biāo)準(zhǔn)熱電偶；

　　R分度號與S分度號相比除熱電動勢大15%左右，其它性能幾乎完全相同；

　　B分度號在室溫下熱電動勢極小，故在測量時一般不用補償導(dǎo)線。它的長期使用溫度為1600℃，短期1800℃?？稍谘趸曰蛑行詺夥罩惺褂?，也可在真空條件下短期使用。

　　N分度號的特點是1300℃下高溫抗氧化能力強，熱電動勢的長期穩(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分度號熱電偶；

　　K分度號的特點是抗氧化性能強，宜在氧化性、惰性氣氛中連續(xù)使用，長期使用溫度1000℃，短期1200℃。在所有熱電偶中使用最廣泛；

　　E分度號的特點是在常用熱電偶中，其熱電動勢最大，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分度號的特點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分度號的特點是在所有廉金屬熱電偶中精確度等級最高，通常用來測量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），而測溫點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，熱電偶補償導(dǎo)線的作用只起延伸熱電極，使熱電偶的冷端移動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測溫的影響，不起補償作用。因此，還需采用其他修正方法來補償冷端溫度t0≠0℃時對測溫的影響。

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

　　熱電偶溫度計在工業(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)被測對象的結(jié)構(gòu)及安裝特點，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量。但材料較貴，熱電勢較小，分度號為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℃，長期工作溫度為900℃。此種熱電偶的熱電勢比上一種大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℃，長期工作溫度為60℃。它是熱電勢最大的一種熱電偶，測量準(zhǔn)確度較高，但極易氧化。分度號為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，測量溫度范圍（-200－+200）℃，穩(wěn)定性好，低溫時靈敏度高并且價格低廉。分度號為T。

　　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，在使用中可以隨測量需要進(jìn)行彎曲，其特點是：熱情性小、熱接點處的熱容量小、壽命較長、適應(yīng)性強等，應(yīng)用廣泛。

　　實際使用時特別要注意補償導(dǎo)線的使用。通常接在儀表和接線盒之間的補償導(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產(chǎn)生大的附加熱電勢，不會影響熱電偶回路的總熱電勢。如果用普通導(dǎo)線來代替補償導(dǎo)線，就起不到補償作用，從而降低測溫的準(zhǔn)確性。所以，使用單位在安裝儀表敷線時應(yīng)注意：補償導(dǎo)線與熱電偶連接時，極性切勿接反，否則測溫誤差反而增大。

　　實際測量中，如果測量值偏離實際值太多，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、熱電偶測量端焊點出現(xiàn)砂眼等。

　　3、熱電偶溫度計的安裝

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

　　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，則必須迎著被測介質(zhì)的流向插入，以保證測溫元件與流體的充分接觸以保證其測量精度。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，必須保證測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外時，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)的接線影響其測量精度。應(yīng)經(jīng)常檢查熱電偶和熱電阻溫度計各處的接線情況，特別是熱電偶溫度計由于其補償導(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多碰動溫度計的接線并經(jīng)常檢查，以獲得正確的測量溫度。

　　熱電偶安裝時應(yīng)放置在盡可能靠近所要測的溫度控制點。為防止熱量沿?zé)犭娕紓髯呋蚍乐贡Ｗo(hù)管影響被測溫度，熱電偶應(yīng)浸入所測流體之中，深度至少為直徑的10倍。當(dāng)測量固體溫度時，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)減小接點附近的溫度梯度。

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

　　選擇測溫點時應(yīng)具有代表性，例如測量管道中流體溫度時，熱電偶的測量端應(yīng)處于管道中流速最大處。一般來說，熱電偶的保護(hù)套管末端應(yīng)越過流速中心線。