引言
熱電偶作為一種重要的測溫傳感元件,在測溫系統中起著(zhù)重要作用。正確使用熱電偶能夠保證我們測得準確的溫度,反之,則容易對溫度的測量產(chǎn)生不良的影響。
1熱電偶的工作原理
熱電偶的結構如圖1所示,其工作原理是基于賽貝克效應,即:如果A、B是由兩種不同成分的均質(zhì)導體組成的閉合回路,當兩端存在溫度梯度(T,T0)時(shí),回路中就有電流通過(guò),那么兩端之間就存在賽貝克電勢———熱電勢,記為EAB(T,T0)。其值與組成熱電偶的金屬材料性質(zhì)、熱端與冷端的溫度差的大小有關(guān),而與熱電極的長(cháng)短、直徑大小無(wú)關(guān)。此不同導體的組合稱(chēng)熱電偶,T端稱(chēng)工作端(熱端);T0稱(chēng)為參考端(冷端)。
2熱電偶使用中的問(wèn)題及解決方法
熱電偶作為測溫的一次元件,因其結構簡(jiǎn)單、測量精度高、動(dòng)態(tài)響應快和測溫范圍廣以及可遠距離測量等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應用,但是在實(shí)際測溫工作中,熱電偶參考端的溫度常隨環(huán)境溫度的變化而變化,且熱電偶安裝位置是否得當,使用氣氛是否適應,都會(huì )直接影響測量數據的準確度。為達到精que測量溫度的目的,下面分幾個(gè)方面對正確使用熱電偶逐一進(jìn)行論述。
2.1熱電偶的選用
正確地選擇熱電偶是合理使用熱電偶的前提,不但可以準確地得到溫度數值、保證產(chǎn)品質(zhì)量和安全,而且還可以節省熱電偶材料的消耗。
熱電偶的選擇,shou先應根據被測溫度的上限和使用環(huán)境來(lái)選擇熱電偶的熱電極和保護套管,其次根據被測對象的結構和安裝特點(diǎn)來(lái)選擇熱電偶的規格尺寸。熱電偶按結構形式可分為:普通工業(yè)型、鎧裝型、高性能實(shí)體型和特種型熱電偶。常見(jiàn)的普通工業(yè)型熱電偶有鉑銠10-鉑熱電偶、鎳鉻-鎳硅熱電偶以及銅-康銅熱電偶等幾種。表1是一個(gè)生產(chǎn)選用的示例。
鎧裝型熱電偶是將熱電極絲裝在有絕緣材料的金屬套管中,經(jīng)組合加工成可彎曲的堅實(shí)的組合體,再依所需長(cháng)度截斷,對其測量端和參考端進(jìn)行加工即制成。該熱電偶可以做得很細很長(cháng),在使用中可隨測量需要而彎曲。其測量范圍寬、響應速度快、接熱點(diǎn)處的熱容量小、使用壽命長(cháng),同時(shí)機械強度高、耐壓性能高、適應性廣、繞性大、安裝使用方便,應用極其廣泛。
2.2補償導線(xiàn)的正確選用
補償導線(xiàn)是指連接熱電偶接線(xiàn)盒與溫度指示儀表的一對帶有絕緣層的導線(xiàn)。選用補償導線(xiàn)要特別注意:它的熱電特性只在一定的溫度范圍(0~100℃)與熱電偶近似,各種補償導線(xiàn)只能與相應的熱電偶配用,因為不同導線(xiàn)的熱電特性不同,在同一溫度下補償電勢的大小也不同。各種熱電偶都有相對應的補償導線(xiàn),如表2所示。正確使用補償導線(xiàn),不但可以將熱電偶的參考端延伸到院秒熱源或溫度較恒定的地方,改善其測量線(xiàn)路的機械物理性能,而且還能降低測量線(xiàn)路的成本,提高測溫準確性,起到補償溫度的作用,這一點(diǎn)是普通導線(xiàn)所不具備的。補償導線(xiàn)可以作為所配熱電偶的延長(cháng)線(xiàn),但應當指出,它并不能消除冷端溫度不為0℃的影響。補償導線(xiàn)的使用還應注意,其連接點(diǎn)的溫度應相同,且不能超過(guò)規定的使用范圍(普通型不大于100℃,耐熱性不大于200℃),同時(shí)保證其與熱電偶連接時(shí)極性不得接反,否則將產(chǎn)生附加熱電動(dòng)勢,對回路總熱電動(dòng)勢產(chǎn)生影響,從而增大測溫誤差。
2.3參考端溫度處理
為使熱電偶的熱電勢與測量端溫度(T)有單值的函數關(guān)系,必須進(jìn)行參考端溫度(T0)處理,即保持參考端溫度(T0)恒定,并消除T0≠0所產(chǎn)生的誤差。主要應用的方法有計算法、調零法、冰點(diǎn)法、補償導線(xiàn)法和橋路補償法。此處介紹計算法和能夠自動(dòng)補正的橋路補償法。
2.3.1計算法
式中:EAB(T,T0)為工作端溫度T、參考端溫度T0=0時(shí)的熱電動(dòng)勢;EAB(T,T′0)為工作端溫度T、參考端溫度T′0≠0時(shí)的熱電動(dòng)勢;EAB(T′0,T0)為工作端溫度T′0、參考溫度T≠0時(shí)的熱電勢值。只要有該種熱電偶的分度表,則從分度表上查得EAB(T′0,0)值,將此值與測量值EAB(T,T′0)求和,即可計算出EAB(T,0),再查該種熱電偶的分度表,即可求得工作端溫度為T(mén)。
2.3.2橋路補償法
在熱電偶測量電路中,串接一個(gè)不平衡電橋,當熱電偶隨參考端溫度升高而下降某個(gè)毫伏值時(shí),串聯(lián)在電路中的橋路輸出毫伏值正好上升某一值,從而保證熱電偶在參考端溫度變化時(shí),其輸出總值不變,補償電路如圖2所示。橋路中R1、R2、R3是錳銅繞制的電阻,Rj是用銅或鎳線(xiàn)繞制的電阻,后者的溫度系數大于錳銅電阻溫度系數。
當橋路處溫度為0℃時(shí),調整橋路Eab=0,此時(shí)有
R1R2=R3Rj
當橋路處溫度不為0℃時(shí)(高于0℃),由于溫度變化使四個(gè)橋臂電阻發(fā)生變化ΔRj>ΔR1、ΔR2、ΔR3,此時(shí)a點(diǎn)電位高于b點(diǎn)電位,因橋路串聯(lián)在熱電偶電路中,則:
故EAB(T,T0)=EAB(T),即輸出總值不變。目前橋路補償器基準溫度為20℃,在使用時(shí),所配顯示儀表要進(jìn)行機械零點(diǎn)調整,即毫伏表指針應從0℃調至20℃的位置,否則指示值會(huì )比實(shí)際值產(chǎn)生20℃偏差。
2.4熱電偶的定期檢查與檢定
熱電偶經(jīng)一段時(shí)間使用后,由于熱電極的高溫揮發(fā)、晶粒組織變化、氧化腐蝕等原因,常出現老化變質(zhì),稱(chēng)為熱電偶的劣化,這會(huì )使熱電偶的熱電特性改變,造成測溫誤差。常用熱電偶變質(zhì)程度如表3所示。為此必須準確推斷劣化程度以便維修更換,同時(shí)要做定期檢定,以保證精que測量。
為避免浪費,宜對劣化程度不嚴重的熱電偶進(jìn)行維修。維修時(shí)shou先金行清洗,分為酸洗和硼酸鈉清洗,目的是除去表面污物,改善其熱電偶特性,延長(cháng)熱電偶壽命。然后進(jìn)行退火處理,目的是清除電極中內應力,改善熱電偶晶相,提高熱電偶穩定性。通常退火有通電退火、爐內退火兩種方法。經(jīng)過(guò)上述方法處理,鑒定合格后,可重新投入使用。
針對劣化這種不可避免的量化過(guò)程,可采取以下對策:①用耐熱鋼管替代不銹鋼保護管;②防止還原性氣體深入,可采用復合管型實(shí)體熱電偶。
另外,熱電偶存在零點(diǎn)漂移的問(wèn)題,而且漂移方向均為負偏差。在工業(yè)生產(chǎn)中,稍不注意就會(huì )發(fā)生工件過(guò)燒的質(zhì)量事故,所以熱電偶要嚴格按照檢定周期進(jìn)行周期檢定。熱電偶檢定應嚴格按照guojia檢定規程進(jìn)行。
2.5正確的安裝
熱電偶的安裝一般在產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中均有介紹。因為熱電偶測溫的感溫部分是“感溫點(diǎn)”,為了保證測量結果的真實(shí)可靠,在實(shí)際應用中應多注意以下幾方面:
①熱電偶安裝的位置應盡可能靠近預測的溫度控制點(diǎn),使其測量端與被測介質(zhì)充分接觸,院秒強磁場(chǎng)和強電場(chǎng)。
②熱電偶應有足夠的插入深度,#少不小于熱電偶保護套管的外徑的10倍。接線(xiàn)盒不可與被測介質(zhì)容器壁或管壁接觸。
③當被測介質(zhì)具有負壓時(shí),熱電偶安裝必須密封,以免影響測量的準確性。
④熱電偶的安裝位置應盡量保持垂直,防止保護管在高溫下產(chǎn)生變形。但在有流速的情況下,熱電偶必須傾斜安裝,傾斜45°為佳,且與介質(zhì)流動(dòng)方向相逆,并盡量安裝在管道的彎曲處。需要水平安裝的熱電偶,應有耐火磚或耐熱金屬支架支撐,防止保護套管受熱變形或受碰撞而折斷。
3結束語(yǔ)
綜上所述,通過(guò)介紹熱電偶使用中的問(wèn)題和解決辦法,初步探討了熱電偶的正確使用,為獲得精que的測量溫度提供了可靠的保證。而使用熱電偶進(jìn)行測溫和控溫時(shí)會(huì )遇到很多問(wèn)題,涉及多方面,需要引起注意。
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