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    热电偶传感器是目前接触式测温中应用广的热电式传感器,在工业用温度传感器中占有及其重要的地位。它结构简单、制造方便、测温范围宽、热惯性小、准确度高、输出信号便于远传。

K型热电偶

    市场应用多、测量范围广的是K型热电偶。
    K型热电偶概述:
    K型热电偶作为一种温度传感器,K型热电偶通常和显示仪表,记录仪表和电子调节器配套使用。K型热电偶可以直接测量各种生产中从0℃到1300℃范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。
    K型热电偶通常由感温元件、安装固定装置和接线盒等主要部件组成。
    镍铬-偶(K型热电偶是目前用量大的廉金属热电偶,其用量为其他热电偶的总和。K型热电偶丝直径一般为1.2~4.0mm。
    正极(KP)的名义化学成分为:Ni:Cr=92:12,负极(KN)的名义化学成分为:Ni:Si=99:3,其使用温度为-200~1300℃。
    K型热电偶具有线性度好,热电动势较大,灵敏度高,稳定性和均匀性较好,抗氧化性能强,价格便宜等优点,能用于氧化性惰性气氛中广泛为用户所采用。
    K型热电偶不能直接在高温下用于硫,还原性或还原,氧化交替的气氛中和真空中,也不推荐用于弱氧化气氛。
    K型热电偶热响应时间的测量
    测量K型热电偶的热响应时间实际上是比较复杂的,不同的试验条件会产生不同的测量结果,这是由于受周围介质的换热率影响,换热率高,则热响应时间就短。
    为了使热电偶的热响应时间具有可比性,国家标准规定:热响应时间应在专用水流试验装置上进行。该装置的水流速度应保持0.4±0.05m/s,初始温度在5-45℃的范围内,温度阶跃值为40-50℃。在试验过程中,水的温度变化应不大于温度阶跃值的±1%。被试热电偶的置入深度为150mm或设计的置入深度。
    由于热电偶在室温附近热电势很小,热响应时间不容易测出,因此国家标准规定可采用同规格的K型热电偶的热电极组件替换其自身的热电极组件,然后进行试验。
    试验时应记录热电偶的输出变化至相当于温度阶跃变化50%的时间T0.5,必要时可记录变化10%的热响应时间T0.1和变化90%的热响应时间T0.9。所记录的热响应时间,应是同一试验至少三次测试结果的平均值,每次测量结果对于平均值的偏离应在±10%以内。此外,形成温度阶跃变化所需的时间不应超过被测试热电偶的T0.5的十分之一。记录仪器或仪表的响应时间不应超过被试热电偶的T0.5的十分之一。

分类

    S型热电偶:铂铑10-铂热电偶 铂铑10-铂热电偶(S型热电偶)为贵金属热电偶。偶丝直径规定为0.5mm,允许偏差-0.015mm,其正极(SP)的名义化学成分为铂铑合金,其中含铑为10%,含铂为90%,负极(SN)为纯铂,故俗称单铂铑热电偶。该热电偶长期高使用温度为1300℃,短期高使用温度为1600℃。 S型热电偶在热电偶系列中具有准确度高,稳定性好,测温温区宽,使用寿命长等优点。它的物理,化学性能良好,热电势稳定性及在高温下抗氧化性能好,适用于氧化性和惰性气氛中。由于S型热电偶具有优良的综合性能,符合国际使用温标的S型热电偶,长期以来曾作为国际温标的内插仪器,“ITS-90”虽规定今后不再作为国际温标的内查仪器,但国际温度咨询委员会(CCT)认为S型热电偶仍可用于近似实现国际温标。 S型热电偶不足之处是热电势,热电势率较小,灵敏读低,高温下机械强度下降,对污染非常敏感,贵金属材料昂贵,因而一次性投资较大。 (R型热电偶)铂铑13-铂热电偶 铂铑13-铂热电偶
    R型热电偶:为贵金属热电偶。偶丝直径规定为0.5mm,允许偏差-0.015mm,其正极(RP)的名义化学成分为铂铑合金,其中含铑为13%,含铂为87%,负极(RN)为纯铂,长期高使用温度为1300℃,短期高使用温度为1600℃。 R型热电偶在热电偶系列中具有准确度高,稳定性好,测温温区宽,使用寿命长等优点。其物理,化学性能良好,热电势稳定性及在高温下抗氧化性能好,适用于氧化性和惰性气氛中。由于R型热电偶的综合性能与S型热电偶相当,在我国一直难于推广,除在进口设备上的测温有所应用外,国内测温很少采用。1967年至1971年间,英国NPL,美国NBS和加拿大NRC三大研究机构进行了一项合作研究,其结果表明,R型热电偶的稳定性和复现性比S型热电偶均好,我国目前尚未开展这方面的研究。 R型热电偶不足之处是热电势,热电势率较小,灵敏读低,高温下机械强度下降,对污染非常敏感,贵金属材料昂贵,因而一次性投资较大。 (B型热电偶)铂铑30-铂铑6热电偶 铂铑30-铂铑6热电偶
    B型热电偶:为贵金属热电偶。偶丝直径规定为0.5mm,允许偏差-0.015mm,其正极(BP)的名义化学成分为铂铑合金,其中含铑为30%,含铂为70%,负极(BN)为铂铑合金,含铑为量6%,故俗称双铂铑热电偶。该热电偶长期高使用温度为1600℃,短期高使用温度为1800℃。 B型热电偶在热电偶系列中具有准确度高,稳定性好,测温温区宽,使用寿命长,测温上限高等优点。适用于氧化性和惰性气氛中,也可短期用于真空中,但不适用于还原性气氛或含有金属或非金属蒸气气氛中。B型热电偶一个明显的优点是不需用补偿导线进行补偿,因为在0~50℃范围内热电势小于3μV。 B型热电偶不足之处是热电势,热电势率较小,灵敏读低,高温下机械强度下降,对污染非常敏感,贵金属材料昂贵,因而一次性投资较大。
    K型热电偶:镍铬-镍硅热电偶 镍铬-镍硅热电偶(K型热电偶)是目前用量大的廉金属热电偶,其用量为其他热电偶的总和。正极(KP)的名义化学成分为:Ni:Cr=90:10,负极(KN)的名义化学成分为:Ni:Si=97:3,其使用温度为-200~1300℃。 K型热电偶具有线性度好,热电动势较大,灵敏度高,稳定性和均匀性较好,抗氧化性能强,价格便宜等优点,能用于氧化性惰性气氛中。广泛为用户所采用。 K型热电偶不能直接在高温下用于硫,还原性或还原,氧化交替的气氛中和真空中,也不推荐用于弱氧化气氛中。
    N型热电偶:镍铬硅-镍硅热电偶 镍铬硅-镍硅热电偶(N型热电偶)为廉金属热电偶,是一种新国际标准化的热电偶,是在70年代初由澳大利亚国防部实验室研制成功的它克服了K型热电偶的两个重要缺点:K型热电偶在300~500℃间由于镍铬合金的晶格短程有序而引起的热电动势不稳定;在800℃左右由于镍铬合金发生择优氧化引起的热电动势不稳定。正极(NP)的名义化学成分为:Ni:Cr:Si=84.4:14.2:1.4,负极(NN)的名义化学成分为:Ni:Si:Mg=95.5:4.4:0.1,其使用温度为-200~1300℃。 N型热电偶具有线性度好,热电动势较大,灵敏度较高,稳定性和均匀性较好,抗氧化性能强,价格便宜,不受短程有序化影响等优点,其综合性能优于K型热电偶,是一种很有发展前途的热电偶. N型热电偶不能直接在高温下用于硫,还原性或还原,氧化交替的气氛中和真空中,也不推荐用于弱氧化气氛中。 (E型热电偶)镍铬-铜镍热电偶 镍铬-铜镍热电偶
    E型热电偶:又称镍铬-康铜热电偶,也是一种廉金属的热电偶,正极(EP)为:镍铬10合金,化学成分与KP相同,负极(EN)为铜镍合金,名义化学成分为:55%的铜,45%的镍以及少量的锰,钴,铁等元素。该热电偶的使用温度为-200~900℃。 E型热电偶热电动势之大,灵敏度之高属所有热电偶之,宜制成热电堆,测量微小的温度变化。对于高湿度气氛的腐蚀不甚灵敏,宜用于湿度较高的环境。E热电偶还具有稳定性好,抗氧化性能优于铜-康铜,铁-康铜热电偶,价格便宜等优点,能用于氧化性和惰性气氛中,广泛为用户采用。 E型热电偶不能直接在高温下用于硫,还原性气氛中,热电势均匀性较差。
    J型热电偶:铁-铜镍热电偶 铁-铜镍热电偶(J型热电偶)又称铁-康铜热电偶,也是一种价格低廉的廉金属的热电偶。它的正极(JP)的名义化学成分为纯铁,负极(JN)为铜镍合金,常被含糊地称之为康铜,其名义化学成分为:55%的铜和45%的镍以及少量却十分重要的锰,钴,铁等元素,尽管它叫康铜,但不同于镍铬-康铜和铜-康铜的康铜,故不能用EN和TN来替换。铁-康铜热电偶的覆盖测量温区为-200~1200℃,但通常使用的温度范围为0~750℃ J型热电偶具有线性度好,热电动势较大,灵敏度较高,稳定性和均匀性较好,价格便宜等优点,广为用户所采用。 J型热电偶可用于真空,氧化,还原和惰性气氛中,但正极铁在高温下氧化较快,故使用温度受到限制,也不能直接无保护地在高温下用于硫化气氛中。
    T型热电偶:铜-铜镍热电偶 铜-铜镍热电偶(T型热电偶)又称铜-康铜热电偶,也是一种佳的测量低温的廉金属的热电偶。它的正极(TP)是纯铜,负极(TN)为铜镍合金,常之为康铜,它与镍铬-康铜的康铜EN通用,与铁-康铜的康铜JN不能通用,尽管它们都叫康铜,铜-铜镍热电偶的盖测量温区为-200~350℃。 T型热电偶具有线性度好,热电动势较大,灵敏度较高,稳定性和均匀性较好,价格便宜等优点,特别在-200~0℃温区内使用,稳定性更好,年稳定性可小于±3μV,经低温检定可作为二等标准进行低温量值传递。 T型热电偶的正极铜在高温下抗氧化性能差,故使用温度上限受到限制。

工作原理

    热电偶是利用物理学中的赛贝克效应制成的温敏传感器。当两种不同的导体A和B组成闭合回路时,就构成了一个热电偶。
    温度T端为感温部分,称为热端;温度T0为连接仪表部分,称为冷端。当热端温度T和冷端温度T0不同时,在回路中就产生热电势EAB(T, T0 ),这种显现称为热电效应,这个电动势通常称为热电势。热电式的大小与T和T0之差(称为温差)的大小有关。由热电偶回路热电势的分布理论可知,热电偶的热电势仅仅是热电偶两端温度T和T0的函数之差,即:
    EAB (T, T0)= EAB(T)- EAB(T0) 式(1.1)
    也就是说,热电偶的热电势等于热端与冷端温度T和T0所引起的电势差。
    实际测温中,冷端所对应的热电势要随冷端温度(环境温度)的变化而变化。要保证冷端温度恒定是十分困难的,在一定程度上,测量精度取决于冷端温度的影响。只有当热电偶冷端温度保持不变,热电动势才是被测温度的但只函数。标准中规定结点的热电动势为0℃时的热电动势。
    由式(1.1)可知,如果当T=0时可得:
    EAB(T0) = EAB(0)- EAB (0, T0) 式(1.2)
    又当T0=0时可得:
    EAB(T) = EAB(T,0)- EAB (0) 式(1.3)
    把式(1.2)和式(1.3)带入式(1.1)式得:
    EAB(T,0)= EAB(T,T0)+EAB (T0,0) 式(1.4)
    在式(1.4)中,EAB(T,0)是冷端温度为0℃,热端温度为T时的热电势,此值就是成品热电偶给定的分度表值;EAB(T,T0)是热端温度为T,冷端温度为T0时的热电势,也就是实际测量到的热电势值;EAB (T0,0)是假定冷端温度为0℃,和实际冷端温度为T0时得到的热电势,在实测中,用集成测温传感器AD590测量T0,然后从对应热电偶的分度表中自动查出所对应的热电势EAB (T0,0),这是次查表求出的值,也就是冷端温度补偿所对应的热电势值。通过单片机把实测到的EAB(T,T0)值与冷端温度补偿EAB (T0,0)值代数相加,就可得到冷端温度为0℃,热端温度为T时的热电势EAB (T0,0)值,再从分度表中自动查得对应于EAB (T0,0)的温度值,这既是第二次查表求出的值,这个值就是热锻偶热端所得的实际温度。
    在实际生产中,热电偶热端(测量端)与冷端相距很远,冷端又暴露于空气当中,易受环境温度的影响,因而冷端温度很难保持恒定。为此需要把冷端延伸并进行温度补偿。

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