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熱電偶

2016-03-24 來源:買賣寶

熱電偶是溫度測量儀表中常用的測溫元件,它直接測量溫度,并把溫度信號轉換成熱電動勢信號,通過電氣儀表(二次儀表)轉換成被測介質的溫度。

熱電偶

熱電偶(thermocouple)是溫度測量儀表中常用的測溫元件,它直接測量溫度,并把溫度信號轉換成熱電動勢信號,通過電氣儀表(二次儀表)轉換成被測介質的溫度。各種熱電偶的外形常因需要而極不相同,但是它們的基本結構卻大致相同,通常由熱電極、絕緣套保護管和接線盒等主要部分組成,通常和顯示儀表、記錄儀表及電子調節器配套使用。

簡介

在工業生產過程中,溫度是需要測量和控制的重要參數之一。在溫度測量中,熱電偶的應用極為廣泛,它具有結構簡單、制造方便、測量范圍廣、精度高、慣性小和輸出信號便于遠傳等許多優點。另外,由于熱電偶是一種有源傳感器,測量時不需外加電源,使用十分方便,所以常被用作測量爐子、管道內的氣體或液體的溫度及固體的表面溫度

工作原理

當有兩種不同的導體或半導體A和B組成一個回路,其兩端相互連接時,只要兩結點處的溫度不同,一端溫度為T,稱為工作端或熱端,另一端溫度為T0 ,稱為自由端(也稱參考端)或冷端,回路中將產生一個電動勢,該電動勢的方向和大小與導體的材料及兩接點的溫度有關。這種現象稱為“熱電效應”,兩種導體組成的回路稱為“熱電偶”,這兩種導體稱為“熱電極”,產生的電動勢則稱為“熱電動勢” 。

熱電動勢由兩部分電動勢組成,一部分是兩種導體的接觸電動勢,另一部分是單一導體的溫差電動勢。

熱電偶回路中熱電動勢的大小,只與組成熱電偶的導體材料和兩接點的溫度有關,而與熱電偶的形狀尺寸無關。當熱電偶兩電極材料固定后,熱電動勢便是兩接點溫度t和t0。的函數差[1]  。即這一關系式在實際測溫中得到了廣泛應用。因為冷端t0恒定,熱電偶產生的熱電動勢只隨熱端(測量端)溫度的變化而變化,即一定的熱電動勢對應著一定的溫度。我們只要用測量熱電動勢的方法就可達到測溫的目的。

熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的材質導體組成閉合回路,當兩端存在溫度梯度時,回路中就會有電流通過,此時兩端之間就存在電動勢——熱電動勢,這就是所謂的塞貝克效應(Seebeck effect)。兩種不同成份的均質導體為熱電極,溫度較高的一端為工作端,溫度較低的一端為自由端,自由端通常處于某個恒定的溫度下。根據熱電動勢與溫度的函數關系,制成熱電偶分度表;分度表是自由端溫度在0℃時的條件下得到的,不同的熱電偶具有不同的分度表。

在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時,只要該材料兩個接點的溫度相同,熱電偶所產生的熱電勢將保持不變,即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此,在熱電偶測溫時,可接入測量儀表,測得熱電動勢后,即可知道被測介質的溫度。熱電偶測量溫度時要求其冷端(測量端為熱端,通過引線與測量電路連接的端稱為冷端)的溫度保持不變,其熱電勢大小才與測量溫度呈一定的比例關系。若測量時,冷端的(環境)溫度變化,將嚴重影響測量的準確性。在冷端采取一定措施補償由于冷端溫度變化造成的影響稱為熱電偶的冷端補償正常。與測量儀表連接用專用補償導線。

熱電偶冷端補償計算方法:

從毫伏到溫度:測量冷端溫度,換算為對應毫伏值,與熱電偶的毫伏值相加,換算出溫度;從溫度到毫伏:測量出實際溫度與冷端溫度,分別換算為毫伏值,相減後得出毫伏值,即得溫度。

測溫條件

是一種感溫元件,是一種一次儀表,熱電偶直接丈量溫度。由2種不同成分材質的導體組成的閉合回路,由于材質不同,不同的電子密度產生電子擴散,穩定均衡后就產生 了電勢。當兩端存在梯度溫度時,回路中就會有電流產生,產生熱電動勢,溫度差越大,電流就會越大。測得熱電動勢之后即可曉得溫度值。熱電偶實際上是一種能量轉換器,可將熱能轉換成電能。

熱電偶的技術優勢:熱電偶測溫范圍寬,性能比擬穩定;丈量精度高,熱電偶與被測對象直接接觸,不受中間介質的影響;熱響應時間快,熱電偶對溫度變化反響靈活;丈量范圍大,熱電偶從-40~+ 1600℃ 均可連續測溫;熱電偶性能牢靠, 機械強度好。運用壽命長,裝置便當。

電偶必需是由兩種性質不同但契合一定要求的導體(或半導體)材料構成回路。熱電偶丈量端和參考端之間必需有溫差。

將兩種不同資料的導體或半導體A和B焊接起來,構成一個閉合回路。當導體A和B的兩個執著點1和2之間存在溫差時,兩者之間便產生電動勢,因此在回路中構成一個大小的電流,這 種現象稱為熱電效應。熱電偶就是應用這一效應來工作的。

主要特點

1、裝配簡單,更換方便;

2、壓簧式感溫元件,抗震性能好;

3、測量精度高;

4、測量范圍大(-200℃~1300℃,特殊情況下-270℃~2800℃);

5、熱響應時間快;

6、機械強度高,耐壓性能好;

7、耐高溫可達2800度;

8、使用壽命長。

結構要求

熱電偶的結構形式為了保證熱電偶可靠、穩定地工作,對它的結構要求如下:

1、組成熱電偶的兩個熱電極的焊接必須牢固;

2、兩個熱電極彼此之間應很好地絕緣,以防短路;

3、補償導線與熱電偶自由端的連接要方便可靠;

4、保護套管應能保證熱電極與有害介質充分隔離。

安裝

在生產中由于被測對象不同,環境條件不同,測量要求不同,和熱電阻的安裝方法及采取的措施也不同,需要考慮的問題比較多,但原則上可以從測溫的準確性、安全性、維修方便三個方面來考慮。

為避免測溫元件損壞,應保證其有足夠的機械強度,為保護感溫元件不受磨損應加保護屏或保護管等,為確保安全、可靠,測溫元件的安裝方法應視具體情況(如待測介質的溫度、壓力、測溫元件的長度及其安裝位置、形式等)而定。下面僅舉幾例以引起注意:

凡安裝承受壓力的測溫元件,都必須保證其密封性。高溫下工作的熱電偶,為防止保護管在高溫下產生變形,一般應垂直安裝,若必須水平安裝則不宜過長,并用支架保護熱電偶。若測溫元件安裝于介質流速較大的管道中,則其應傾斜安裝。為防止測溫元件受到過大的沖蝕,最好安裝在管道的彎曲處。當介質壓力超過10MPa時,必須在測量元件上加保護外套。熱電偶/熱電阻的安裝部位還應考慮其拆裝、維修、校驗的足夠空間和場地,具有較長保護管的熱電偶、熱電阻應能方便地拆裝。

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