热电偶测温线

一、测温的基本概念温度是代表物体冷热程度的物理量。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量,用来测量物体温度值的刻度称为温标。它规定了温度的读数起点(零点)和测量温度的基本单位。目前国际上使用的温标有华氏温标、摄氏温标、热力学温标和国际实用温标。

华氏温标(oF)规定,在标准大气压下,冰的熔点是32度,水的沸点是212度。中间部分分为180等份,每份分为1度,符号为。

摄氏温度(℃)规定在标准大气压下,冰的熔点为0度,水的沸点为100度,中间分成100等份,每份分为1度,符号为℃。

热力学温标也叫开尔文温标,或绝对温标,规定分子运动停止时的温度为绝对零度,符号为k。

二、温度测量仪表的分类

温度测量仪表根据测量温度的方式可分为接触式和非接触式。接触式温度测量仪该温度测量仪简单可靠,测量精度高。但由于测温元件与被测介质之间需要进行充分的热交换,达到热平衡需要一定的时间,所以测温存在延迟,同时由于耐高温材料的限制,不能应用于非常高的温度测量。非接触式仪表测温是基于热辐射原理,测温元件不需要与被测介质接触,所以测温范围广,不受测温上限限制,不会破坏被测对象的温度场,反应速度一般较快;但由于发射率、测量距离、烟雾、水汽等外界因素的影响,测量误差较大。

三、热电偶和热电阻

热电偶和热电阻是接触式测温仪表中工业上最常用的温度检测元件。

(1)热电偶

热电偶测温线插图

1、热电偶的特点是:

测量精度高。由于热电偶与被测对象直接接触,所以不受中间介质的影响。

宽测量范围。普通热电偶可连续测量-50至+1600℃,某些特殊热电偶可测量低至-269℃(如Au-Fe-Ni-Cr),高至+2800℃(如W-Re)。

结构简单,使用方便。热电偶通常由两种不同的导线组成,而且不受尺寸和开头的限制,外面还有保护套,使用起来非常方便。

2、热电偶测量原理

热电偶是一种温度传感元件,它可以将温度信号转换成热电势信号,通过电测仪表的配合可以测量出被测温度。热电偶测温的基本原理是热电效应。在由两种不同材料的导体A和B组成的闭合回路中,当A和B的两个触点处于不同的温度T和To时,回路中就会产生热电势。这就是所谓的塞贝克效应。导体a和b被称为热电极。温度较高的一端(T >)称为工作端(通常焊接在一起);温度较低的一端(to)称为自由端(通常在恒温下)。根据热电势与温度之间函数关系,计算热电势。可制成热电偶分度表。该刻度表是在自由端温度To=00C的条件下获得的。不同的热电偶有不同的分度表。

当第三金属材料接入热电偶电路时,只要材料的两个触点温度相同,热电偶产生的热电势就保持不变,即不受第三金属接入电路的影响。因此,用热电偶测量温度时,可以连接测量仪器,测得热电势后就可以知道被测介质的温度。

3.热电偶的类型和结构形式

(1)热电偶的类型

常用的热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶。标准热电偶是指热电势与温度的关系和允许误差在国家标准中有规定,有统一的标准分度表,并有其配套的显示仪表可供选择的热电偶。非标准化热电偶在应用范围或数量级上都不如标准化热电偶,一般也没有统一的分度表,主要用于一些特殊场合的测量。

(2)热电偶的材料

理论上任何两个导体都可以做成热电偶,但实际上并不是所有的材料都可以做成热电偶,所以热电极材料必须满足以下几点:

热电偶材料受温度作用后能产生较高的热电势,热电势与温度的关系最好是线性或近似线性的单值函数;

它可以测量高温,在中国使用的温度范围很宽。长期使用后,其理化性能和热电特性保持稳定。

要求材料的电阻温度系数要小,电阻率要高,导电性要好,热容量要小;

重现性好,便于批量生产和交换,便于制作统一的分度表;

良好的机械性能和均匀的材料;

资源丰富,价格便宜。

(3)为保证热电偶可靠稳定地工作,热电偶的结构要求如下:

①热电偶的两个热电极焊接必须牢固;

②两个热电极应绝缘良好,防止短路;

③补偿线与热电偶自由端的连接应方便可靠;

(4)保护套应能保证热电极与有害介质完全隔离。

4.热电偶的刻度数

标准化热电偶是根据IEC国际标准生产的。热电偶的分度号主要有S,R,B,N,K,E,J,T等。其中S、R、B属于贵金属热电偶,N、K、E、J、T属于廉价金属热电偶。

s分度号的特点是抗氧化性强,适合在氧化性和惰性气氛中连续使用,长期使用温度1400℃,短期使用温度1600℃。在所有热电偶中,S刻度数具有最高的精度水平,通常用作标准热电偶。

与S标度相比,R标度数具有几乎相同的性能,除了热电动势大约大15%。

B刻度数的热电动势在常温下很小,测量时一般不需要补偿导线。其长期使用温度为1600℃,短期使用温度为1800℃。可在氧化性或中性气氛下使用,也可在real 空条件下短时间使用。

n标度数的特点是1300℃高温抗氧化能力强,热电动势长期稳定性和短期热循环再现性好,耐核辐射和耐低温性能好,可以部分替代S标度热电偶;

k分度号的特点是抗氧化性强,适合在氧化性和惰性气氛中连续使用,长期使用温度1000℃,短期使用温度1200℃。它广泛应用于所有热电偶中;

E标度数的特点是,在常用的热电偶中,其热电动势最大,即灵敏度最高。它适合在0-800℃的氧化和惰性气氛中连续使用;

J分度号的特点是既可用于氧化气氛(温度上限为750℃),又可用于还原气氛(温度上限为950℃),耐H2和一氧化碳气体腐蚀,多用于炼油和化工行业。

t型刻度数的特点是在所有廉价金属热电偶中精度最高,通常用于测量300℃以下的温度。

5.热电偶冷端的温度补偿

由于热电偶的材料一般比较昂贵(特别是使用贵金属时),而且测温点与仪表的距离很远,为了节省热电偶材料,降低成本,通常采用补偿线将热电偶的冷端(自由端)延伸到温度相对稳定的控制室,连接到仪表端子上。必须指出的是,热电偶补偿线的作用只是延长热电极,使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子。它不能消除冷端温度变化对测温的影响,没有补偿作用。因此,需要其他校正方法来补偿冷端温度t0≠0℃对温度测量的影响。

使用热电偶补偿线时,一定要注意型号的匹配,极性不能错,补偿线与热电偶连接端的温度不能超过100℃。

冷端温度补偿器的型号应与热电偶的型号一致,并在规定的温度范围内使用;

冷端温度补偿器接热电偶时,极性不应有误;

根据补偿器的平衡温度调整仪器的起点,使指针指示平衡温度;

具有自动补偿机构的显示仪表没有配备补偿器;

必须定期检查和验证补偿器。

(2)热阻

热电阻是中低温地区最常用的温度探测器之一。其主要特点是测量精度高,性能稳定。其中铂电阻的测量精度最高,不仅广泛应用于工业测温,还被制成标准参考仪表。

1.热电阻测温原理及材料。

热电阻是利用金属导体或半导体的电阻随温度变化的特性来测量温度的。热电阻的受热部分(感温元件)均匀地缠绕在由绝缘材料制成的骨架上或通过激光溅射工艺形成在基片上。当被测介质存在温度梯度时,被测温度为感温元件范围内介质层的平均温度。热电阻大多由纯金属材料制成。目前,铂和铜是应用最广泛的材料。此外,诸如铂、镍、锰和铑的材料已经被用于制造热电阻。

2.热阻结构

(1)铠装热电阻铠装热电阻是由感温元件(电阻)、引线、绝缘材料和不锈钢套管组成的实心体,外径一般为φ 2 ~ φ 8 mm..与普通热电阻相比,它具有以下优点:

尺寸小,内部无空气隙,热惯量测量滞后小;

良好的机械性能、抗振动和抗冲击能力;

灵活性和易于安装

使用寿命长。

(2)端面热电阻端面热电阻感温元件由经过特殊处理的电阻丝缠绕而成,紧贴温度计的端面。与一般的轴向热电阻相比,它能更准确、快速地反映被测端面的实际温度,适用于测量轴瓦等零件的端面温度。

(3)防爆热电电阻可用于区域内有爆炸危险场所的温度测量。隔爆热电阻通过特殊结构的接线盒限制了其壳体内爆炸性混合气体因接线盒内火花或电弧的影响而发生的爆炸,不会导致生产现场的超爆。

3.热电阻测温系统的组成

热电阻测温系统一般由热电阻、连接线和显示仪表组成。根据热电阻测温原理,被测温度的变化是通过热电阻阻值的变化直接测量的。因此,热电阻引出线等各种线路电阻的变化都会影响温度测量,主要引起连接线电阻的变化,如导线长度的变化、导线接头处接触电阻的变化、重新布线引起的电阻变化、环境温度的变化、测量线路中的寄生电位等。

热电阻引出有三种方式:两线制、三线制、四线制。

2.丝加热电阻的接线简单,但会引入引线电阻的附加误差。所以不适合制造A级精密热电阻,使用时引线和导线不宜过长。

3线制可以消除引线电阻的影响,测量精度高于2线制。作为过程检测元件,被广泛使用。

4线制不仅可以消除引线电阻的影响,而且在连接线电阻相同的情况下,也可以消除该电阻的影响。高精度测量应采用四线制。

(3)如何选择热电偶和热电阻

热电偶和热电阻的选择应从以下几个方面考虑。

根据测温范围选择:热电偶一般选在500℃以上,热电阻一般选在500℃以下;

根据测量精度选择:高精度选择热电阻,低精度选择热电偶;

根据量程选择:热电偶一般指“点”的温度,热电阻一般指空之间的平均温度。

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