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熱電偶溫度計(jì)在水電工程中的實(shí)際應(yīng)用

來(lái)源:江蘇信儀自動(dòng)化儀表有限公司   2012年08月15日 16:10  
  摘要:熱電偶溫度計(jì)屬于接觸式溫度測(cè)量?jī)x表。是根據(jù)熱電效應(yīng)即塞貝克效應(yīng)原理來(lái)測(cè)量溫度的,是溫度測(cè)量?jī)x表中常用的測(cè)溫元件。本文主要介紹了熱電偶溫度計(jì)在水電工程中的應(yīng)用,供讀者們參考。
  
  1、熱電偶的基本原理
  
  熱電偶溫度計(jì)屬于接觸式溫度測(cè)量?jī)x表。是根據(jù)熱電效應(yīng)即塞貝克效應(yīng)原理來(lái)測(cè)量溫度的,是溫度測(cè)量?jī)x表中常用的測(cè)溫元件。將不同材料的導(dǎo)體A、B接成閉合回路,接觸測(cè)溫點(diǎn)的一端稱為測(cè)量端(或工作端),另一端稱為參比端(或自由端)。若測(cè)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(shì)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(shí)際應(yīng)用中,將A、B的一端焊接在一起作為熱電偶的測(cè)量端放到被測(cè)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(diǎn)溫度t0穩(wěn)定。顯示儀表所測(cè)電勢(shì)只隨被測(cè)溫度而t變化。
  
  在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時(shí),只要該材料兩個(gè)接點(diǎn)的溫度相同,熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)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(cè)溫時(shí),可接入測(cè)量?jī)x表,測(cè)得熱電勢(shì)后,即可知道被測(cè)介質(zhì)的溫度。
  
  根據(jù)熱電勢(shì)與溫度函數(shù)關(guān)系??芍瞥蔁犭娕挤侄缺怼7侄缺硎窃谧杂啥藴囟萒o=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(shí)際上并不是所有材料都能制作熱電偶,故對(duì)熱電極材料必須滿足以下幾點(diǎn):
  
 ?。?)熱電偶材料受溫度作用后能產(chǎn)生較高的熱電勢(shì),熱電勢(shì)和溫度之間的關(guān)系呈線性或近似線性的單值函數(shù)關(guān)系;
  
 ?。?)能測(cè)量較高的溫度,并在較寬的溫度范國(guó)內(nèi)應(yīng)用,經(jīng)長(zhǎng)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(jī)械性能好,材質(zhì)均勻;
  
 ?。?)資源豐富,價(jià)格便宜。
  
  為了保證熱電偶可靠和穩(wěn)定地工作對(duì)熱電偶有如下要求:
  
 ?。?)組成熱電偶的兩個(gè)熱電極的焊接必須牢固;
  
 ?。?)兩個(gè)熱電極彼此之間應(yīng)很好地絕緣,以防短路;
  
 ?。?)補(bǔ)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(jì)的特點(diǎn)有:
  
 ?。?)測(cè)量精度高。因熱電偶直接與被測(cè)對(duì)象接觸,不受中間介質(zhì)的影響。
  
  (2)測(cè)量范圍廣。常用的熱電偶從-50~+1600℃均可連續(xù)測(cè)量,某些特殊熱電偶zui低可測(cè)到-269℃(如金鐵鎳鉻),zui高可達(dá)+2800℃(如鎢-錸)。
  
  (3)構(gòu)造簡(jiǎn)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(lái)非常方便。熱電偶是一種感溫元件,它能將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電勢(shì)信號(hào),通過(guò)與電氣測(cè)量?jī)x表的配合,就能測(cè)量出被測(cè)的溫度。
  
  2、熱電歐溫度計(jì)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢(shì)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(jí)上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶,一般也沒(méi)有統(tǒng)一的分度表,主要用于某些特殊場(chǎng)合的測(cè)量。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶,按IEC標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)。熱電偶的分度號(hào)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(hào)的特點(diǎn)是抗氧化性能強(qiáng),宜在氧化性、惰性氣氛中連續(xù)使用,長(zhǎng)期使用溫度1400℃,短期1600℃。在所有熱電偶中,S分度號(hào)的度等級(jí)zui高,通常用作標(biāo)準(zhǔn)熱電偶;
  
  R分度號(hào)與S分度號(hào)相比除熱電動(dòng)勢(shì)大15%左右,其它性能幾乎*相同;
  
  B分度號(hào)在室溫下熱電動(dòng)勢(shì)極小,故在測(cè)量時(shí)一般不用補(bǔ)償導(dǎo)線。它的長(zhǎng)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(hào)的特點(diǎn)是1300℃下高溫抗氧化能力強(qiáng),熱電動(dòng)勢(shì)的長(zhǎng)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(hào)熱電偶;
  
  K分度號(hào)的特點(diǎn)是抗氧化性能強(qiáng),宜在氧化性、惰性氣氛中連續(xù)使用,長(zhǎng)期使用溫度1000℃,短期1200℃。在所有熱電偶中使用zui廣泛;
  
  E分度號(hào)的特點(diǎn)是在常用熱電偶中,其熱電動(dòng)勢(shì)zui大,即靈敏度zui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(hào)的特點(diǎn)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(hào)的特點(diǎn)是在所有廉金屬熱電偶中度等級(jí)zui高,通常用來(lái)測(cè)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(shí)),而測(cè)溫點(diǎn)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(bǔ)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(bǔ)償導(dǎo)線的作用只起延伸熱電極,使熱電偶的冷端移動(dòng)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(duì)測(cè)溫的影響,不起補(bǔ)償作用。因此,還需采用其他修正方法來(lái)補(bǔ)償冷端溫度t0≠0℃時(shí)對(duì)測(cè)溫的影響。
  
  在使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)必須注意型號(hào)相配,極性不能接錯(cuò),補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶連接端的溫度不能超過(guò)100℃。冷端溫度補(bǔ)償器的型號(hào)應(yīng)與熱電偶的型號(hào)相符,并在規(guī)定溫度范圍內(nèi)使用;冷端溫度補(bǔ)償器與熱電偶連接時(shí)極性不能接錯(cuò);根據(jù)補(bǔ)償器的平衡點(diǎn)溫度調(diào)整儀表起始點(diǎn),使指針批示在平衡點(diǎn)溫度;具有自動(dòng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的顯示儀表不安裝補(bǔ)償器;補(bǔ)償器必須定期檢查和檢定。
  
  熱電偶溫度計(jì)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(cè)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(cè)對(duì)象的結(jié)構(gòu)及安裝特點(diǎn),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(zhǎng)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(cè)量。但材料較貴,熱電勢(shì)較小,分度號(hào)為S。
  
  2.鎳鉻一鎳硅熱電偶:它是非貴重金屬中性能zui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(zhǎng)期工作溫度為900℃。此種熱電偶的熱電勢(shì)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(hào)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(zhǎng)期工作溫度為60℃。它是熱電勢(shì)zui大的一種熱電偶,測(cè)量準(zhǔn)確度較高,但極易氧化。分度號(hào)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(cè)量溫度范圍(-200-+200)℃,穩(wěn)定性好,低溫時(shí)靈敏度高并且價(jià)格低廉。分度號(hào)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(zhǎng),在使用中可以隨測(cè)量需要進(jìn)行彎曲,其特點(diǎn)是:熱情性小、熱接點(diǎn)處的熱容量小、壽命較長(zhǎng)、適應(yīng)性強(qiáng)等,應(yīng)用廣泛。
  
  實(shí)際使用時(shí)特別要注意補(bǔ)償導(dǎo)線的使用。通常接在儀表和接線盒之間的補(bǔ)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(huì)產(chǎn)生大的附加熱電勢(shì),不會(huì)影響熱電偶回路的總熱電勢(shì)。如果用普通導(dǎo)線來(lái)代替補(bǔ)償導(dǎo)線,就起不到補(bǔ)償作用,從而降低測(cè)溫的準(zhǔn)確性。所以,使用單位在安裝儀表敷線時(shí)應(yīng)注意:補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶連接時(shí),極性切勿接反,否則測(cè)溫誤差反而增大。
  
  實(shí)際測(cè)量中,如果測(cè)量值偏離實(shí)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(cè)量端焊點(diǎn)出現(xiàn)砂眼等。
  
  3、熱電偶溫度計(jì)的安裝
  
  熱電偶和熱電阻溫度計(jì)屬于接觸式溫度計(jì),由于其無(wú)法替代的優(yōu)點(diǎn)成為工礦企業(yè)和科研院所常用的溫度測(cè)量?jī)x表。正確的安裝熱電偶和熱電阻傳感器是保證其測(cè)量精度和使用壽命的重要因素。下面根據(jù)平時(shí)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(shí)際工作提供點(diǎn)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(cè)介質(zhì)的流向插入,以保證測(cè)溫元件與流體的充分接觸以保證其測(cè)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(shí),必須保證測(cè)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(shí),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(cè)量精度。應(yīng)經(jīng)常檢查熱電偶和熱電阻溫度計(jì)各處的接線情況,特別是熱電偶溫度計(jì)由于其補(bǔ)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(guò)多碰動(dòng)溫度計(jì)的接線并經(jīng)常檢查,以獲得正確的測(cè)量溫度。
  
  熱電偶安裝時(shí)應(yīng)放置在盡可能靠近所要測(cè)的溫度控制點(diǎn)。為防止熱量沿?zé)犭娕紓髯呋蚍乐贡Wo(hù)管影響被測(cè)溫度,熱電偶應(yīng)浸入所測(cè)流體之中,深度至少為直徑的10倍。當(dāng)測(cè)量固體溫度時(shí),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zui小,應(yīng)減小接點(diǎn)附近的溫度梯度。
  
  當(dāng)用熱電偶測(cè)量管道中的氣體溫度時(shí),如果管壁溫度明顯地較高或較低,則熱電偶將對(duì)之輻射或吸收熱量,從而顯著改變被測(cè)溫度。這時(shí),可以用一輻射屏蔽罩來(lái)使其溫度接近氣體溫度,采用所謂的屏罩式熱電偶。
  
  選擇測(cè)溫點(diǎn)時(shí)應(yīng)具有代表性,例如測(cè)量管道中流體溫度時(shí),熱電偶的測(cè)量端應(yīng)處于管道中流速zui大處。一般來(lái)說(shuō),熱電偶的保護(hù)套管末端應(yīng)越過(guò)流速中心線。

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