上一篇介绍了热电阻的相关知识,本文介绍一下热电偶的相关知识。热电偶相比热电阻来说,我们生活中遇到的不多,在一些家用电器内部会内置一些温度传感器,他们有的采用的就是热电偶。
一、测量原理
两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过,此时两端之间就存在电动势——热电动势,这种现象称为热电效应。
闭合回路中的热电势由两种电势组成,温差电势和接触电势。
温差电动势:两种不同导体组成一个闭合回路,当两个接触点处于不同温度时, 接触点间将产生电动势,回路中会出现电流,此现象称为温差电现象,产生的电动势称为温差电动势。
接触电动势:由于不同的金属材料所具有的自由电子密度不同,当两种不同的金属导体接触时,在接触面上就会发生电子扩散。电子的扩散速率与两导体的电子密度有关,并和接触区的温度成正比。
二、热电偶定义
由两种不同导体或半导体的组合,将温度转化为热电动势的传感器称为热电偶。
每根单独的导体或是半导体称为热电极。
放置于热源中的一端称为工作端,或称测量端及热端;另一端为自由端或称冷端。
热电偶温度计测量范围广,能测量从-270 ℃~1800 ℃介质温度。还记得热电阻的测量范围吗?请查看上一篇文章。
三、计算
对于分体热电偶,在实际的使用过程中,热电偶长度有限,参考端温度(假设为t0’)往往不能维持在0度,且受现场环境影响较大,因而存在一个电势误差E(to’,0),需对参考端温度进行处理。
四、温度补偿
在实际的使用过程中,自由端温度(假设为to)往往不能维持在0度,且受环境影响较大,因而存在一个电势误差E(to,0),需对自由端温度进行处理。
解决方法:
补偿导线法、计算修正法、自由端恒温法、自动补偿法(补偿电桥法)
我们常用的补偿方法是补偿导线法,为什么呢?
热电极长度有限,冷端受到被测量对象温度变化的影响,因而需要把热电偶的冷端延伸到温度恒定或温度波动较小的场所,这时就要选用一种具有和所连接的热电偶相同的热电性能,实现了冷端的迁移,使测量准确,同时也降低了成本。
五、热电极材质
根据热电偶芯材质不同,可以分为如下8种分度号热电偶,分别为B, R, S,K,N, E, J , T。各类热电偶温度计特点及应用场合如下表:
其中B,R,S属于铂材质的热电偶,由于铂属于贵金属,所有又称为贵金属热电偶,剩余的称为廉价金属热电偶。常用的为K型和S型热电偶。
材质不同测量的温度范围也有不同,每一种材质的特点和应用场合如图所示。K型热电偶的分度表
各种材质中间的区别
K型热电偶分度表
六、热电偶分类
热电偶分为普通型和铠装型。
普通型热电偶:一般由热电极,绝缘套管,保护套管,接线盒等部分组成。
绝缘材料通常采用带孔的耐高温陶瓷管,热电极从孔中穿过,防止两电极发生短路;保护套管的材料应具有耐高温、耐腐蚀、气密性好、机械强度高等性能,用于保护热电极不受化学腐蚀和机械损伤,不锈钢保护套管是常用的一种,可用于温度在900度以上的场合。
铠装热电偶:主要由热电极、绝缘材料和金属管套三者经过拉伸加工成型制得。套管材料一般为铜、不锈钢或镍基高温合金等;热电极与套管之间填充绝缘材料粉末。铠装型热电偶芯可以做的很细,一般为1-8mm,可根据工况测量需求随意弯曲。
防爆型热电偶:是利用间隙隔爆的原理,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,是爆炸后的火焰和温度传不到腔外,从而进行隔爆。
七、一体化热电偶
一体化热电偶由表壳、变送器、热电偶芯、保护套管组成。
八、热电偶的特点
安装简单,维护更换方便、测量精度高,耐震型可以适合振动场合、耐高温,测温范围广,能测1000度以上高温,甚至可达到1800度、耐用性比较好,寿命比较长、相对其他热电阻等测温仪表价格较贵。
九、安装
为了使热电偶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安装。
插入深度要求:测量端应有足够的插入深度。在设备内安装热电偶时,如果条件允许,应使保护管末端尽可能靠近其中心位置;在管道上安装热电偶时,应使保护管末端超过管道中心线约(5~10)mm。
插入方向要求:保证测温元件与介质有充分的接触,最好是迎着被测介质流向插入或者垂直管线插入安装。
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