熱電偶測溫原理及應用

       一 、溫度測量的基本概念

       溫度是度量物體冷 、熱程度的物理量 ,在 生產和科學中占有極其重要的地位 , 是國際單位制 ( SI) 中 7 個基本物理量之一 。從能量 角度來看 ,溫度是描述系統不同自由度間能量發布狀態的物理量 ;從微觀上看 ,溫度標志 著系統內部分子無規則運動的劇烈程度 , 溫度高 的 物 體 , 分 子 平 均 動 能 大 , 溫 度 低 的 物 體 ,分子平均動能小 ; 從熱平衡觀點來看 , 溫 度是描述熱平衡系統冷熱程度的物理量 。而用來度量物體溫度數值的標尺叫溫標 , 它規定了溫度的讀數起點 ( 低點) 和測量溫度的基 本單位 。目前用的較多的溫標有華氏溫標 、攝氏溫標 、熱力學溫標和國際實用溫標 。 溫度測量方式有接觸式和非接觸式兩大類 。

       接觸式測溫法是將傳感器置于與物體相 同的熱平衡狀態中 , 使傳感器與物體保持同 一溫度的測溫方法 。例如利用介質受熱膨脹 的原理制造的水銀溫度計 , 壓力式溫度計和 雙金屬溫度計等 ; 利用物體電氣參數隨溫度變化 的 特 性 來 檢 測 溫 度 , 如 熱 電 阻 、熱 敏 電 阻 、電子式溫度傳感器和熱電偶等 。

       接觸式測溫儀表比較簡單、可靠 ,測量精度較高 ;但因測溫元件與被測介質需要進行充分的熱交換 , 需要一定的時間才能達到熱 平衡 ,所以存在測溫的延遲現象 ,同時受耐高溫材料的限制 ,不能應用于很高的溫度測量 。 非接觸式儀表測溫是通過熱輻射原理來測量溫度的 , 測溫元件不需與被測物體的表 面介質接觸 , 實現這種測溫方法可利用物體的表面 熱 輻 射 強 度 與 溫 度 的 關 系 來 檢 測 溫 度 。有全輻射法 、部分輻射法 、單一波長輻射 功率的亮度法及比較兩個波長輻射功率的比 色法等 。非接觸式儀表測溫的范 圍廣 , 不受測溫 上限的限制 ,也不會破壞被測物體的溫度場 ,反映 速 度 快 ; 但 受 到 物 體 的 發 射 率 、測 量 距 離 、煙塵和水汽等外界因素的影響 ,其測量誤差較大 。

       二 、熱電偶測溫基本原理

       將兩種不同材料 (但符合一定要求) 的導 體或半導體 A 和 B 的任意 一端焊接在一起 就構成了熱電偶 。組成熱電偶的導體或半導 體稱為熱電極 ,被焊接的一端插入測溫場所 ,稱為工作端 , 另一端稱冷端 。當兩端溫度不 同時就會有熱電勢產生 , 它是測量溫度的感

溫元件 ,將溫度信號轉換為電信號再由儀表顯示出來 。

熱電偶 的 測 溫 原 理 就 是 利 用 了 熱 電 效 應 。任意兩種材質不同的金屬導體或半導體 A 和 B 首尾連接成閉合回路 ,只要兩接點 T1和 T2 的溫度不同 ,就會產生熱電勢 ,形成熱 電流 ,這就是熱電效應 。

       熱電偶原理圖

       熱電勢的大小與材質有關 , 與熱電偶兩 端的溫差有關 。對應一定材質 , 其兩端的溫度與熱電勢間有固定的函數關系 , 利用這個 關系就可以測出溫度值來 。熱電偶的熱電勢 隨溫度的升高而增大 , 其熱電勢的大小與熱 電偶的材料和熱電偶兩端的溫度值有關 , 而 與熱電極的長度 、直徑無關 。

       1 . 熱電偶的廣義分類 熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類 。所為標準熱電偶是指國家標準規 定了其熱電勢與溫度的關系 、允許誤差 、并有統一的標準分度表的熱電偶 ,它有與其配套的顯示儀表 。非標準熱電偶在使用范圍或數 量級上均不及標準熱電偶 , 一般也沒有統一的分度表 ,主要用于某些特殊場合的測量 。

       為了保證熱電偶可靠 、穩定地工作 ,對它 的結構要求是 : 組成熱電偶的兩個熱電極的焊接必須牢固 ; 兩個熱電極彼此之間應很好地絕緣 ,以防短路 ;補償導線與熱電偶自由端 的連接要方便可靠 ; 保護套管應能保證熱電極與有害介質充分隔離 。

       2 . 熱電偶冷端的溫度補償 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 ,為了節省熱電偶材料 ,降低成本 ,通常采用補償導線把熱電偶的冷端 (自由端) 延伸到溫度比較穩定的控制室內 ,連接到儀表端子 上 。必須指出 ,熱電偶補償導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線時必須注意型號相配 ,極性不能接錯 ,補償導線與熱電 偶連接端的溫度不能超過 100 ℃。

熱電偶是工業上很常用的溫度檢測元件之一 ,為接觸式測溫 ,其優點有 : 測量精度高 ,因熱電偶直接與被測對象接觸 , 不受中間介 質的 影 響 ; 測 量 范 圍 廣 , 常 用 的 熱 電 偶 從- 50～ + 1600 ℃均可 連 續 測 量 , 某 些 特 殊 熱 電偶很低可測到 - 269 ℃( 如金鐵鎳鉻) ,很高可達 + 2800 ℃(如鎢 - 錸) ; 構造簡單 ,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 ,外有保護套管 ,用起來非常方便 。

       熱電偶測溫的缺點是 : 熱電偶損耗比較 大 ,增大了維護量 , 備件費用消耗大 ; 熱響應 有一定滯后 。

       三 、熱電偶的選型

       我國從 1988 年 1 月 1 日起 ,熱電偶和熱 電阻全部按 I EC 國際標準生產 ,并指定 S 、B 、E 、K、R 、J 、T 七種標準化熱電偶為我國統一設計型熱電偶 。 工業用熱電偶作為溫度 測量儀表 , 通常用來和顯示儀 、記錄儀等配套使用 ,以直接測 量各種生產過程中從 0 ℃～ + 1800 ℃范圍內的液體 、蒸汽和氣體介質以及固體表面的溫 度 。并可根據用戶的要求做成鎧裝 、裝配 、防爆等適 合 多 種 工 業 現 場 和 實 驗 室 要 求 的 產 品 。

       1 . 熱電 偶 的 分 度 號 與 測 溫 范 圍 的 關 系(見表 1)

       表 1 熱電偶的分度號與測溫范圍關系表

       名 稱 分度號 測溫范圍 直徑 ( mm) 允許誤差 ℃

鉑老 30 —鉑老 6

B

0～1800 ℃ Ø12 、Ø16 、Ø20 、

Ø25 可選 ±1 . 5 ℃或 ±0 . 25 %

t

鉑老 10 —鉑

S

0～1600 ℃ Ø12 、Ø16 、Ø20 、

Ø25 可選 ±1 . 5 ℃或 ±0 . 25 %

t

鉑老 13 —鉑

R

0～1600 ℃ Ø12 、Ø16 、Ø20 、

Ø25 可選 ±1 . 5 ℃或 ±0 . 25 %

t

鎳鉻 —鎳硅

K

- 200～1300 ℃ Ø12 、Ø16 、Ø20 、

Ø25 可選 ±2 . 5 ℃或 ±0 . 75 %

t

鎳鉻 —康銅

E

- 200～800 ℃ Ø12 、Ø16 、Ø20 、

Ø25 可選 ±2 . 5 ℃或 ±0 . 75 %

t

鎳鉻 —康銅

T

- 200～350 ℃ Ø12 、Ø16 、Ø20 、

Ø25 可選 ±2 . 5 ℃或 ±0 . 75 %

t

       2 . 根據用途和結構形式進行選型 (1) 鎧裝熱電偶 鎧裝熱電偶具有體形細長 、熱響應快 、耐震動 、使用壽命長以及便于彎曲等優點 ,廣泛 應用于航空 、原子能 、石油 、化工 、冶金 、機械 、 電力等工業部門和科技領域 ,尤其適宜安裝 在管線狹窄 、彎曲和要求快速反應 、微型化的 特殊測溫場合 。鎧裝熱電偶通常由鎧裝偶元 件 、安裝固定裝置和接線裝置等主要部件組成 。

吹氣型鎧裝熱電偶是一種專用鎧裝熱電 偶 。吹氣型鎧裝熱電偶結構原理是在鎧裝熱 電偶感溫元件和外保護管之間構成一定的氣 路 ,在氣路中 ,通入大于 1 . 03 ×105 Pa 的惰性 氣體 ,以排除或減少熱電偶在高溫 、高壓條件 下 ,還原氣體的滲入從而延長了鎧裝熱電偶 的使用壽命 。鎧裝熱電偶測溫范圍大 ,反應速度快 ,外 徑小 、溫度變化反應迅速 , 安裝方便 、使用壽 命長 ,氣密性好 ,機械強度好 。可在有震動 、 低溫 、高溫條件下使用 。

       (2) 裝配熱電偶裝配熱電偶與顯示儀表配套 ,在 - 200～1600 ℃范圍內對氣體 、液體介 質以及固體表 面溫度進行檢測 , 廣泛應用于航空 、原子能 、石油 、化工 、冶金 、機械等工業部門和科技領域 。裝配熱電偶通常由感溫元件 、保護管 、接 線盒及安裝固定裝置等主要部件組成 。

高爐熱風爐熱電偶是一種專用的裝配熱電偶 。高爐熱風爐熱電偶采用抗高溫 、耐腐 蝕材料制造 , 測溫范圍大 , 精度和承壓高 , 且 耐大氣流沖刷 , 適用于熱風爐等工業爐窖等高溫 、高壓和腐蝕環境場合中的溫度測量 。裝配熱電偶測量范圍大 、使用壽命長 、安 裝使用方便 。

       (3) 熱套式電偶

       熱套式電偶主要用于測量蒸汽管道及鍋 爐溫度 。熱電偶采用熱套保護管與鎧裝熱電

偶 (均為絕緣型) 可分離方式 ,使用時 ,用戶可 將熱套焊接或機械固定在設備上 , 然后裝上 電偶就可工作 , 它的優點是提高了保護管的工作壓力和使用壽命 , 又便于電偶的維修或更換 ,目前這種結構形式被國外廣泛采用 。 熱套式電偶還包括煙道 、風道熱電偶 、高溫高壓熱電偶 、中溫中壓熱電偶 、低溫低壓熱電偶 。

       (4) 防爆熱電偶

       防爆熱電偶利用間隙隔 爆原理 , 設計具 有足夠強度的接線盒等部件 , 將所有會產生 火花 、電弧和危險溫度的低部件都密封在接線盒腔內 ,當腔內發生爆炸時 ,能通過接合面間隙熄火和冷卻 , 使爆炸后的火焰和溫度傳不到腔外 ,從而進行測溫 。

       防爆熱電偶可直接測量生產現場存在碳 氫化合物 等 爆 炸 的 0 ～ 1300 ℃范 圍 內 液 體 、 蒸汽和氣體介質以及固體表面溫度 。防爆熱電偶的特點是多種 防爆形式 , 防爆性能好 ; 壓簧式感溫元件 , 抗振性能好 ; 測 量范圍大 ;機械強度高 ,耐壓性能好 。

       3 . 熱電偶的主要技術指標

       (1) 溫度測量范圍和允差

       熱電偶可測量溫度的范圍和允許誤差與 熱電偶的分度號密切相關 , 表 1 已列出了常用的幾種熱電偶溫度測量范圍和允許誤差 。

       (2) 熱響應時間

       在溫度出現階躍變化時 , 熱電偶的輸出 變化至相當 于該階躍變化的 50 %所需要 的時間稱為熱響應時間 ,用τ0 . 5 表示 。

       (3) 公稱壓力

       一般是指在工作溫度下保護管所能承受 的靜態外壓而不破裂 。實際上 , 允許工作壓力不僅與保護管材料 、直徑 、壁厚有關 , 還與 其結構形式 、安裝方法 、置入深度以及被測介質的流速和種類等有關 。

       (4) 很小置入深度

       很小置入深度應不小于其保護管外徑的8～10 倍 (特殊產品例外) 。 

       (5) 絕緣電阻 (常溫) 常溫絕緣電阻的試驗電壓為直流 500 ±50 V ,測量 常 溫 絕 緣 電 阻 的 大 氣 條 件 為 溫 度15～ 35 ℃, 相 對 濕 度 80 % , 大 氣 壓 力 86 ～106 KPa 。

       (6) 防爆等級 (隔爆熱電偶)

       隔爆熱電偶的防爆等級適用于爆炸性氣 體混合物很大安全間隙分為 A 、B 、C 三級 。

       4 . 熱電偶的選型原則 首先應根據實際測溫范圍選擇采用哪種分度號的熱電偶 ; 其次根據實際工藝情況要 求選擇采用何種結構形式的熱電偶 (鎧裝 、裝配 、防爆熱電偶等) ; 很后根據熱電偶的技術指標選擇熱電偶的長度 、保護管材料 、直徑 、安裝固定形式等 。

       四 、結束語

       接觸式測溫儀表 (熱電偶) 測量溫度比較簡單、可靠 , 測量精度較高 ; 但因測溫元件與 被測介質需要充分進行熱交換 , 需要一定的時間才能到達熱平衡 ,存在測溫延遲現象 ,同時受耐高溫材料的限制 , 不能應用于很高的 溫度測量 。非接觸式儀表測溫 (紅外測溫) 是 通過熱輻射原理來測量溫度 , 測溫元件不需與被測介質接觸 ,測溫范圍廣 ,不受測溫上限的限制 ,也不會破壞被測物體的溫度場 ,反應 速度快 , 壽命長 ; 但由于受靈敏度限制 、測量光譜帶寬的影響及物體的發射率 、測量距離、粉塵和水氣等外界因素的影響 , 其測量誤差較大 。

       綜上所述 , 接觸式測溫方法無法準確進 行測量的測量點 , 紅外測溫儀的出現解決了 這一 大 難 題 , 它 不 僅 可 以 進 行 定 點 、移動 測量 ,還可以進行連續測量 ,并且能將測量結果送入計算機 。隨著自動化程度的提高 , 紅外 測量儀器的應用會越來越廣泛 。