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工业用热电偶 （一）热电偶的测温原理和结构 1、原理 热电偶能用来测量温度，是基于热能和电能互相转换的原理，即热电现象。热电效应是热电偶测温的理论基础。热电势大小和温度具有一定的函数关系。若两种不同的导体组成闭合回路，由于两种导体内的电子密度不同，热电偶两端温度不同，在回路中产生电动势，形成热电流。接在回路中的电测仪表就会显示出被测热电偶的热电势值。若热电偶的参考端温度恒定或等于0，则热电偶的热电势仅是测量端温度的函数。即EAB（t，t0）= eAB+ 常数=f（t） 上式说明，热电偶参考端温度恒定，热电偶所产生的热电势仅随测量端温度变化而变化。一定的热电势对应着相应的温度值，通过测定热电势达到测量温度的目的。 图（用一小磁针放入回路中，两端温度相等，不偏转，不相等，偏转，偏转大小与两端差值及电极材料有关。说明当热电偶两端有温差时，回路中就有电流产生。产生的电流称热电流，电动势称热电动势。） 这一现象是由塞贝克发现的，称为热电效应，又名塞贝克效应。当热偶参考端温度保持恒定时，热电动势只与测量端温度的大小有关。 由一种均质导体组成的闭合回路，不会产生热电动势。 （热电偶工作端焊接方法形成的，其主要方法有乙炔焊接、电弧焊接、碳精隐弧焊接。） 2、结构 在常用的测温元件中，热电偶是用得最广泛的一种。它的结构是把两根不同材料的匀质（导体或半导体）热电偶A和B热电极构成的。将A和B电极的一端焊接在一起，称为测量端（工作端），另一端称为参考端（自由端）。使用时将热电偶A和B电极套上既绝缘又耐热的套管和，将测量端置于被测介质中（如过热蒸汽管道和锅炉烟道中），参考端接至电测仪器上，即可测介质的温度。图 为了增加测温元件的可靠性，用铠装。抗腐蚀，寿命长，还可制成很小直径（最小可达1mm），以满足需要（如汽轮机内缸壁温和隔板温度测量） 热电偶测温优、缺点各是什么？ 测温准确度较高；结构简单，便于修理；动态响应速度快；测温范围较宽；信号可远传，便于集中检测和自动控制；可测量局部温度甚至“点”温度。 （缺点：准确度难以超过0.2度，须参考端温度恒定，高温或长期使用易腐蚀变质，降低寿命。） （二） 定律 1、中间导体定律：在热电偶回路中（或参考端），串接入第三种导体（如显示仪表），只要该导体两端温度相同，则回路的总热电动势与这第三种导体无关。图 在热电偶回路中，接入中间导线，只要中间导线两端温度相同，则对回路总热电势无影响。 两种均质导体组成的热电偶，其热电势大小与热电极材料和两端温度有关，与热电极直径、长度及沿热电极长度上温度分布无关。 2、中间温度定律：热电偶在接点温度为t，t0时热电动势等于该偶在接点温度t，tn和 tn，t0时相应热电动势的代数和。图 3、连接导体定律：在热电偶回路中，如果两电极分别与另两电极相连接，接点温度分别为t，tn，t0，则回路中电势等于两种电极的代数和。图 若两种材料分别相同，则总电势等于E（t，0）= E（t，tn）+ E（tn，0） （三）补偿导线 补偿导线型号应与热电偶型号相配。铂铑10-铂热电偶配用铜-铜镍合金线、镍铬-镍硅热电偶配用铜-康铜，镍铬-考铜热电偶配用镍铬-考铜。 热电偶测量中应用补偿导线的理论基础是中间导体定律。 作用是将热电偶参考端移至离热源较远及环境温度较恒定的地方，节省偶材料，它并不能消除参考端温度不为0℃的影响。两个接点温度必须相同，正负极不能接错（接反了，反而会抵消一部分热电动势，使仪表指示温度偏低）。连接点处温度低于70度。 E（t，0）= E（t，tn）+ E（tn，0） 工作用的热电偶参考端补偿方法有计算法、仪表机械零点法、补偿器法。 （机械零点：将显示仪表指针从刻度零点调到事先已知的参考端温度上。） （参考端补偿器实质上是一产生直流信号的毫伏发生器，它的内部线路结构是一个不平衡电桥，它的电源电压是直流4V，其内阻为1Ω。直流输出电压随参考端温度变化而变化。它与热电偶串联连接） 例：热电偶测量端的实际温度t=960℃，参考端tn=20℃，则热电偶参考端t0=0℃时的热电动势E（960，0）= E（960，20）+ E（20，0）。 例：用K型测蒸汽温度t，参考端温度为tn（大于0），则E（t，0）= E（t，tn）+ E（tn，0）查分度表即可得出t 。 （四）工业热电偶的检定 依据的规程是JJG351-96《工作用廉金属热电偶检定规程》 适用于长度不小于750mm，分度号为K的镍铬-镍硅热电偶，分度号为N的镍铬硅-镍硅热电偶，分度号为E的镍铬-铜镍热电偶，分度号为J的铁-康铜热电偶，在-40℃-1300℃范围内检定。 1、技术要求 外观：电极应平直，无裂纹，无严重腐蚀等缺陷。测量端焊接牢固，表面光滑。 允许误差见表2。 2、检定条件 检定器：一等、二等标准铂铑10-铂热电偶各一支；—30℃～300℃二等标准水银温度计一组，也可用二等标准铂电阻温度计。 配套设备：0.02级低电势电位差计,或其他同等级的电测设备.（热电偶产生的热电势仅为几毫伏到几十毫伏） 多点转换开关，寄生电势不大于1μV。 冰点槽恒温器，内温度为（0±0.1）℃。 油恒温槽在有效工作区域内的温差不大于0.2℃。 管式炉：其长度为600 mm，加热管内径为40 mm。管式炉常用温度为1200℃，最高均匀温场中心与炉子几何中心沿轴线上偏离不大于10 mm，；在均匀温场长度不小于60 mm，半径为14 mm范围内，任意两点间温差不大于1℃。 为什么在检定热电偶时要对炉温变化进行规定？ 因为标准热电偶和被检热电偶不是在同一时间内进行测量的，虽然炉温稳定，但随着时间的延长，炉温有微量变化就会给测量结果带来误差，为了保证测量的准确度，在检定热电偶时，必须对炉温进行严格规定。 3、检定项目 A、外观检查 B、示值检定 检300℃以下，在油槽中进行。将热电偶置入玻璃或石英试管中，用脱脂棉塞紧管口，插入介质中。插入深度一般不少于300mm，检定时油槽温度变化不超过±0.1℃。 热电偶参考端的引线，应使用同材质的铜导线连接。插入装有变压器同或酒精的玻璃管中。 检300℃以上，在管式炉中进行。将标准偶与被检偶用细镍铬丝捆扎成圆形一束，将被检的测量端围绕标准测量端均匀分布一周，并处于垂直标偶同一截面上。测量端应处于炉最高温区中心。 检定顺序，由低温向高温逐点升温检定，炉温偏离检定点温度不应超过±5℃。 当炉温升到检定点时，炉温变化小于0.2℃/min时，按如下顺序测量：标准—被检1—被检2--被检n---- --被检n—被检2--被检1--标准 读数应迅速，测量读数不应少于4次，测量时管式炉温度变化不大于±0.25℃。 4、检定方法 比较法检定热电偶，比较法是利用高一等级的标准热电偶和被检热电偶在检定炉中直接比较的一种分度方法。简单方便，一次能检多支。 根据标与被的连接方法不同，分双极法（标准偶与被检偶型号可以不相同）、同名极法和微差法（同型号）。 什么是双极法？ 将标准热电偶与被检热电偶捆扎在一起，将测量端置于检定炉内均匀的高温区域中，用电测装置分别测出标准与被检的热电势，以确定被检偶的误差。 （优点：简单方便，标准偶与被检偶型号可不同，测量端捆或不捆均可，但须在同一等温面上。 缺点：对炉温控制要求严0.5度，参考端应为零，否则应修正。） （微差法将同型号的。。。将标与被的负极在参考端短接，被的正极接测量仪器的正端子，标正极接负端子，反向串联直接测出热电势差值。 优点：简便快速，计算简便，直接读出差值，炉温要求不严5度，测量端不需捆扎。 缺点：标与被须同型号，测量值是微小电势，对设备要求高。） （同名极法：适用于同型号，分度时，被的电极接测量仪器的正端子，标准接负端子 优点：读数快速，直接读出差值，计算简便，炉温要求不严5度。 缺点：标与被须同型号，测量端捆扎特严，对设备要求较严。） 5、被检偶热电动势的计算 6、检定结果处理和周期 检定周期一般为半年，特殊情况下可根据使用条件来确定。 热电偶为什么要进行周期检定？ 热电偶在出厂前厂家进行了检定。经过一段时间的使用后，热电偶的热端被氧化、腐蚀、污染，加之在高温条件下热电极材料的再结晶使热电特性发生了变化，会增加测量误差。为了保证热电偶的准确度，所以要对热电偶进行周期检定。 |
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