熱電偶及其補償導線(xiàn)的實(shí)際應用

        圖中 t 稱(chēng)為熱端或測溫端;接儀表端子處的 t0,系冷端或稱(chēng)為參比端。由于熱電偶長(cháng)度有限,距離熱源很近,該處的環(huán)境溫度很不穩定。所以在實(shí)際時(shí)用時(shí),都毫不例外地接上一段導線(xiàn),"把冷端移至溫度較低且比較恒定的地方"。(見(jiàn)圖 2)。

        而對導線(xiàn)的要求是,這二根導線(xiàn)必須分別和二根熱電偶絲的材料相同、或者熱電特性和熱電偶絲相接近,接了此導線(xiàn)后,其末端處的環(huán)境溫度(室溫)就比較低而相對恒定。測溫準確度就可以提高。所以稱(chēng)它為補償導線(xiàn)。

 

        某些場(chǎng)合,對測溫的準確度有很高的要求時(shí)(例如用標準熱電偶檢定下一級熱電偶),往往把冷端置于 0℃的油中。這時(shí)因為 t0==0,所以熱電偶的輸出 mV 值可簡(jiǎn)寫(xiě)成

        EAB(t,t0)=f(t)

        就變?yōu)樵摕犭娕嫉膯我缓瘮盗�。這樣,只要查一次溫度一毫伏對照表便可得知被測對象的確切溫度。

        采用上述的"冷端零度恒溫法"測溫時(shí),從熱電偶冷端的接線(xiàn)端子(0℃)上再用導線(xiàn)和 mV 表連接。這種導線(xiàn)應該是本身不產(chǎn)生電動(dòng)勢的銅線(xiàn)。如果還是用補償導線(xiàn)的話(huà),則冷端就仍然被延伸到 mV表的接線(xiàn)端子處。根據熱電偶"中間溫度定律",這零度恒溫就形同虛設了。

        有些特種熱電偶也可以用來(lái)測量固體的溫度。但這種熱電偶的熱端大都焊有一塊面積較大的"平板",借以增大接觸面,從而獲得較多熱量以提高測量準確度。同時(shí)還要求被測面盡可能平滑,否則也將產(chǎn)生很大負誤差。

        目前shijie各國使用的熱電偶有二十余種之多。我國#常用的有三種。它們的部份參數、特點(diǎn)見(jiàn)

下列 1 表。鉑銠 10—鉑為貴金屬熱電偶;其余二類(lèi)為廉金屬熱電偶。

        從表 2 可知,三種熱電偶各有特點(diǎn)。即鉑銠 10—鉑的使用溫#度高;鎳鉻一銅鎳的熱電勢變化率大即靈敏度高(每變化 1℃時(shí)電壓變化將近 80μV);鎳絡(luò )一鎳硅的使用溫度較高,靈敏度也不錯。如何根據被測(控)溫對象,正確選擇和用好熱電偶,真還有些"學(xué)問(wèn)"。大致歸納如下:

        如果被測(控)溫對象超過(guò) 1300℃時(shí),當然得選用鉑銠 10—鉑熱電偶無(wú)疑。但這種熱電偶只適宜在強氧化性氣氛中工作,而且十分"嬌氣",萬(wàn)一在高溫時(shí)遇到還原性氣體或其它腐蝕性介質(zhì),就會(huì )立即改變其成份,產(chǎn)生誤差。同時(shí)因鉑、銠材料價(jià)格昂貴,為了節約起見(jiàn),#大直徑只做到 0.5mm(每米約重8 克)。這么小的直徑,必然比大直徑的更容易變質(zhì)。這一道理不難理解。尤其是它的熱電勢小,1300℃時(shí)也只有 13.155mV。只要變值±1%(13.020mV 或 13.287mV),就變成"1289℃"或"1311℃",誤差達到了±11℃之多。這么大的誤差顯然是無(wú)法容忍的。而有時(shí)甚至變值可多達幾十℃。

 

關(guān)于保護管的問(wèn)題,大約有如下幾點(diǎn)需要注意:

        1.對于鉑銠 10—鉑熱電偶,覺(jué)對不能像鎳絡(luò )一鎳硅或鎳鉻一銅鎳一樣直接套上金屬材料的保護管。因為金屬在高溫下,分子比較活躍,有金屬"蒸汽"逸出,附著(zhù)于偶絲上,改變其材質(zhì)成份,于是產(chǎn)生誤差。

        2.鉑銠 10—鉑熱電偶即使采用瓷保護管,也要求瓷材料的氧化鋁成份純度極高,至少達 95%以上。否則,氧化鋁中的雜質(zhì)在高溫下也會(huì )玷污偶絲。

        3.使用鉑銠 10—鉑熱電偶,還要求測(控)溫場(chǎng)所的空氣相對純凈,不含還原性以及酸、堿、油、鹽等腐蝕性氣體。這是由于偶絲雖然被保護管封閉,但封閉的管子有"呼吸作用"。這是筆者從事溫度測控工作三十年積累的實(shí)踐經(jīng)驗,絕非憑空憶想。

        4.上面已經(jīng)述及,鎳鉻一銅鎳熱電偶的主要特點(diǎn)是熱電勢大即靈敏度高,故在上世紀 80 年代前,多數單位遇有 600℃以下的測、控溫對象時(shí),往往shou先考慮采用它,以期獲得較好的分辨率和靈敏度。但這一優(yōu)點(diǎn),隨著(zhù)電子技術(shù)的進(jìn)步、溫度儀表各項性能的不斷提高而喪失了。筆者在此建議:凡是1100℃以下的對象(例如一個(gè)對象是 1000℃另一對象是 500℃),一律采用鎳絡(luò )一鎳硅熱電偶,以避免搞錯等管理上的麻煩。同時(shí),還只須使用一種測控溫儀表(備品減少了),節約了資金。

        5.那么,對于 1100℃以上的場(chǎng)合是否必須采用鉑銠 10—鉑熱電偶呢?回答是否定的。在 1200℃至1100℃左右,完全可以采用鎳絡(luò )一鎳硅熱電偶。如果在保護管中充填氧化鎂粉以隔絕空氣,則使用壽命還可以大幅提高。又如測量液體(例如鹽浴),則因有腐蝕作用,#好采用高耐熱鋼的外保護管。

        6.鎳鉻一鎳硅熱電偶的#高使用溫度可達 1300℃,但壽命較短。因此,若溫度雖高但工作的時(shí)間不太長(cháng),也可以不用鉑銠 10—鉑熱電偶。想想看,一支鉑銠 10—鉑熱電偶的代價(jià)足以購買(mǎi)三、四十支鎳鉻一鎳硅熱電偶,為了經(jīng)濟效益,你將作何選擇?

        7.在此還需提醒讀者朋友,guojia規定一般廉金屬熱電偶絲的的直徑是 2.5mm,但現在有些商家為了降低成本,仍在用 1.5mm(截面減少近 2/3)。壽命大打折扣。購買(mǎi)時(shí)務(wù)必注意。

 

下面再簡(jiǎn)單地談一下補償導線(xiàn);

        補償導線(xiàn)按材料分,可分為補償型(即材料雖和熱電偶不同但在室溫范圍的熱電特性和熱電偶相近),和延長(cháng)型(即材料完全和熱電偶相同)兩類(lèi)。其中鉑銠 10—鉑熱電偶因價(jià)格昂貴不可能采用同種材料,所以只有一種補償型的;鎳鉻一鎳硅熱電偶的補償導線(xiàn),則既有補償型又有延長(cháng)型(原因是:延長(cháng)型材料是鎳和鉻,價(jià)格比較貴一些;補償型材料以銅為主,價(jià)廉且電阻值小)。而鎳鉻一銅鎳因本身就屬于廉金屬,故就不必再生產(chǎn)補償型了。

        補償型補償導線(xiàn)的型號表述,是以與其配用熱電偶的分度號后面加上C字(例如鉑銠10—鉑熱電偶的補償導線(xiàn)以SC表示);延長(cháng)型補償導線(xiàn)的型號,則是以與其配用熱電偶的分度號再上X(例如鎳鉻一鎳硅熱電偶的延長(cháng)型補償導線(xiàn)用 KX 表示)。

        補償導線(xiàn)有單股(硬)和多股(軟)兩類(lèi)。其截面積有 0.5～2.5mm 2 之間共四種規格。另外,它還有"一般用"和"耐熱用"之分,耐熱用補償導線(xiàn)用聚四氟乙烯或玻璃纖維作絕緣層,適宜用于環(huán)境溫度較高的場(chǎng)合。表 3 為"一般用"補償導線(xiàn)部份數據:

 

        同樣,對于補償導線(xiàn)的應用,筆者也有幾點(diǎn)經(jīng)驗,供朋友們參考。

        如前所述,補償導線(xiàn)(室溫附近)的熱電特性必須和與之配套的熱電偶相接近,被測溫度才能得到完善的補償。因而對補償導線(xiàn)的成份同樣有一定的要求。但近二十年來(lái),市場(chǎng)上的補償導線(xiàn)魚(yú)龍混雜,一些小作坊和不法商人用鐵絲冒充鎳鉻絲、用銅絲冒充銅鎳絲等等。在我匱子內收集有不少于 20個(gè)"品牌"的各類(lèi)假補償導線(xiàn)。這些"補償導線(xiàn)"的補償量有補償不足的;有補償過(guò)度的;也有補償量等于零的;甚至還有"反補償"(即是產(chǎn)生負電勢,抵消一部份總電壓)的。形形色色,不一而足。因此,請注意下列幾點(diǎn)。

 

        1.補償導線(xiàn)要直接到生產(chǎn)單位購買(mǎi)。千萬(wàn)不要去小商鋪買(mǎi)。因為真假補償導線(xiàn)的價(jià)格可相差二至三倍之多。商家為了利潤,自然更趨向于選擇廉價(jià)的品種。我收集的二十種假補償線(xiàn),多半是來(lái)自上海某知名五金街的商鋪。另有一部份是直接向江蘇某縣幾家生產(chǎn)單位索取(而他們也供應真品,但價(jià)格貴二、三倍)。

        2.對在用的或新購的補償導線(xiàn)�？梢杂脺y熱電勢的方法來(lái)鑒別其真偽和優(yōu)劣。方法是截取一段(例如 300～500mm)補償導線(xiàn),將其兩端的絕緣層剝去。一端用鋼絲鉗等工具將兩根偶絲緊緊絞合起來(lái),這樣就做成了一支臨時(shí)"熱電偶"。把絞合的一端(熱端)放入沸騰的熱水(或熱水瓶)中,另一端(冷端)接有"冷端溫度自動(dòng)補償"的便攜式測溫儀表(注意正、負極)。測溫儀如顯示 97～103℃范圍內就系真品;如誤差在±6℃左右則為劣質(zhì)品,但免強可用;又如測溫儀顯示零度或只有幾十度甚至是負值,則系假貨。就千萬(wàn)不可繼續使用,否則將產(chǎn)生極大的誤差,影響產(chǎn)品質(zhì)量甚至使之成為廢品。相關(guān)tuijian：雙金屬溫度計

        3.補償導線(xiàn)的線(xiàn)徑,和熱電偶絲一樣,也有多種規格。市場(chǎng)供應#粗的一種為 2.5mm 2 (見(jiàn)表 3)。這種導線(xiàn)的負極既粗又硬,與熱電偶、儀表的連接都十分困難。那么,導線(xiàn)制造廠(chǎng)為什么要生產(chǎn)這么粗的導線(xiàn)呢?因為導線(xiàn)單位長(cháng)度的電阻值,因線(xiàn)徑的不同而大相徑庭。當然導線(xiàn)越粗,電阻值就越小。用于上世紀六、七十年代的低輸入電阻的動(dòng)圈式儀表上,可以使儀表的輸入端分得盡可能多的電壓(見(jiàn)圖 3)。

        設熱電偶的熱電勢為 E,儀表分得的電壓為 U,則

        U=[R1/(R1+R2)]E

 

        當然 R1 越小儀表實(shí)際得到的電壓就越高,誤差也就越小。但如今動(dòng)圈式儀表早已淘汰,取而代之的是各類(lèi)電子儀表,其輸入阻抗都在幾十千歐姆以上。對補償導線(xiàn)不大于幾十歐姆的電阻值已是微不足道了。所以,宜選用較細的 1.5mm 2 的補償導線(xiàn)為好。

        4.對于鎳鉻一鎳硅熱電偶的補償導線(xiàn),筆者曾從價(jià)格及使用效果等各方面作過(guò)一些研究,結論是1.5mm 2 延長(cháng)導線(xiàn)的成本反而比 2.5mm 2 補償導線(xiàn)(正極銅線(xiàn)負極銅鎳合金線(xiàn))為低。而機械強度、溫度補償準確度、穿管和接線(xiàn)的方便度以及使用壽命等等更是大大優(yōu)于后者。筆者曾就此在中國自動(dòng)化學(xué)會(huì )上海地區發(fā)表過(guò)論文一篇(后由《自動(dòng)化儀表》雜志轉載),得到大型國企上海石化等多家單位采納。又因鎳鉻絲和鎳硅絲強度高,即使采用了 1.0mm 2 的導線(xiàn),也不易折斷。由此,筆者建議,今后不要再去購買(mǎi)補償型的了。

        筆者曾在上世紀80年代建議上海質(zhì)監局領(lǐng)導,請求停止生產(chǎn)鎳鉻一鎳硅的補償型導線(xiàn),負責同志準備在召開(kāi)標準研討會(huì )議時(shí)提請修訂,后因企業(yè)轉制,不了了之。

        以上所談只是我個(gè)人認為的所謂"經(jīng)驗",不足之處,還請廣大讀者和作者朋友補充完善。