熱電偶探針的原理及應(yīng)用知識(shí)

1、熱電偶

利用不同金屬的熱效應(yīng)產(chǎn)生電位差，其溫度范圍廣，一般測(cè)量數(shù)百度的溫度。

熱電偶是工業(yè)上zui常用的溫度檢測(cè)元件之一。 優(yōu)勢(shì)包括:

①測(cè)量精度高。 由于熱電偶直接與被測(cè)對(duì)象接觸，因此不受中間介質(zhì)的影響。

②測(cè)量范圍廣。 通常的熱電偶可以從-50~+1600℃連續(xù)測(cè)量，特定的特殊熱電偶zui可以測(cè)量到-269℃(例如鐵鎳鉻合金)，zui可以測(cè)量到+2800℃(例如鎢-錸)。

③結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。 熱電偶通常由兩種不同的電線組成，且不受大小和開(kāi)頭限制，外面有保護(hù)套，使用方便。

(1)熱電偶測(cè)溫的基本原理

兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體在某一點(diǎn)相互連接時(shí)，如果加熱該連接點(diǎn)，則在它們沒(méi)有加熱的地方會(huì)產(chǎn)生電位差。 該電位差的數(shù)值與未加熱部位的測(cè)量點(diǎn)的溫度有關(guān)，與這兩個(gè)導(dǎo)體的材質(zhì)有關(guān)。 這種現(xiàn)象可以在很寬的溫度范圍內(nèi)發(fā)生，通過(guò)測(cè)量這個(gè)電位差，再測(cè)量不加熱場(chǎng)所的周圍溫度，就可以正確地知道熱點(diǎn)的溫度。 因?yàn)樾枰獌煞N不同材質(zhì)的導(dǎo)體，所以被稱為“熱電偶”。 根據(jù)材質(zhì)制作的熱電偶根據(jù)溫度范圍的不同，靈敏度也不同。 熱電偶的靈敏度是指熱點(diǎn)溫度變化1℃時(shí)的輸出電位差的變化量。 在許多金屬材料支撐的熱電偶中，該數(shù)值在約5~40mV/℃之間。

熱電偶傳感器有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，靈敏度低，易受干擾信號(hào)的影響，也易受前置放大器的溫度漂移的影響，因此不適于測(cè)量微小的溫度變化。 熱電偶的靈敏度與材料的粗細(xì)無(wú)關(guān)，即使是非常細(xì)的材料也能制作溫度傳感器。 由于制作熱電偶的金屬材料伸長(zhǎng)率也很好，因此這種微細(xì)的測(cè)溫元件具有非常高的響應(yīng)速度，可以測(cè)量快速變化的過(guò)程。

(2)熱電偶的種類

常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩類。 調(diào)用的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系、允許誤差、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)尺度的熱電偶，有與其配套的顯示器。 未標(biāo)準(zhǔn)化的熱電偶不及使用范圍或數(shù)量級(jí)標(biāo)準(zhǔn)化的熱電偶，一般也沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)度表，主要用于特殊情況下的測(cè)量。 標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶我國(guó)自1988年1月1日起，熱電偶和熱阻均按IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，將s、b、e、k、r、j、t 7種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶指定為中國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。 各種熱電偶的測(cè)量范圍、優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn):

s型熱電偶:鉑銠10-鉑熱電偶，溫度范圍0~1600℃，舊索引號(hào)LB-3。 優(yōu)點(diǎn):耐熱性、穩(wěn)定性、重現(xiàn)性良好，優(yōu)良的耐氧化性、耐濁性良好，可以標(biāo)準(zhǔn)使用。 缺點(diǎn):熱電動(dòng)勢(shì)值小，還原性氣體環(huán)境弱(特別是氫、金屬蒸汽)補(bǔ)償導(dǎo)線誤差大，價(jià)格高。

r型熱電偶:鉑銠13-鉑熱電偶，溫度范圍為0~1600℃。 優(yōu)點(diǎn):耐熱性、穩(wěn)定性、重現(xiàn)性良好，優(yōu)良的耐氧化性、耐濁性良好，可以標(biāo)準(zhǔn)使用。 缺點(diǎn):熱電動(dòng)勢(shì)值小，還原性氣體環(huán)境弱(特別是氫、金屬蒸汽)補(bǔ)償導(dǎo)線誤差大，價(jià)格高。

b型熱電偶:鉑銠30-鉑銠6熱電偶，溫度范圍600~1800℃，舊索引號(hào)LL-2，自由端不需要在0~50℃下補(bǔ)償引線。 優(yōu)點(diǎn): 1000℃以上1800℃； 常溫環(huán)境下熱電動(dòng)勢(shì)非常小，無(wú)需補(bǔ)償導(dǎo)線的耐氧化性、耐濁性良好，耐熱性和機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)于r型。 缺點(diǎn):中低溫區(qū)熱電動(dòng)勢(shì)極小，600℃以下的測(cè)定溫度不正確，熱電動(dòng)勢(shì)值小，熱電動(dòng)勢(shì)線性差的價(jià)格高。

k型熱電偶:鎳鉻合金熱電偶、鎳鉻合金熱電偶、溫度范圍-200~1300℃。 優(yōu)點(diǎn):熱電動(dòng)勢(shì)線性良好，1000℃以下的耐氧化性良好； 金屬熱電偶的穩(wěn)定性很好。 缺點(diǎn):還原性氣體環(huán)境，特別是一氧化碳、二氧化硫、硫化氫等氣體不適用的熱電動(dòng)勢(shì)，與貴金屬熱電偶相比，由于經(jīng)時(shí)變化大的短范圍的排序的影響而產(chǎn)生誤差。

n型熱電偶:鎳鉻-鎳硅熱電偶，溫度范圍-270~1300℃。 優(yōu)點(diǎn):熱電動(dòng)勢(shì)線性良好，1200℃以下的耐氧化性良好； k型的改良型，GreenRot的影響小，耐熱溫度高于k型。 缺點(diǎn):不適用于還原性氣體環(huán)境的熱電動(dòng)勢(shì)與貴金屬熱電偶相比，經(jīng)時(shí)變化較大。

e型熱電偶:鎳鉻-康銅熱電偶，溫度范圍-270~1000℃。 優(yōu)點(diǎn):與以往熱電偶的靈敏度zui佳者j熱電偶相比，耐熱性良好，適合雙腳無(wú)磁性氧化性氣體的環(huán)境價(jià)格便宜。 缺點(diǎn):存在一些不適用于還原性氣體環(huán)境的歷史現(xiàn)象。

j型熱電偶:鐵-康銅熱電偶，溫度范圍-210~1200℃。 優(yōu)點(diǎn):還原性氣體環(huán)境中可使用的熱電動(dòng)勢(shì)比k熱電偶便宜20%，適合中溫地區(qū)使用。 缺點(diǎn): ( + )腳容易生銹，重現(xiàn)性差。

t型熱電偶:銅-康銅熱電偶，溫度范圍-270~400℃。 優(yōu)點(diǎn):熱電動(dòng)勢(shì)線性良好，低溫特性良好，重現(xiàn)性好，可用于高精度的還原性氣體環(huán)境。 缺點(diǎn):使用溫度極限低( + )腳的銅容易氧化，導(dǎo)熱誤差大。

(3)熱電偶的結(jié)構(gòu)形成

為了確保熱電偶可靠穩(wěn)定地工作，熱電偶的結(jié)構(gòu)形式要求如下

①構(gòu)成熱電偶的兩個(gè)熱電極的焊接必須牢固

②兩個(gè)熱電極必須相互絕緣，防止短路

③補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶自由端的連接應(yīng)簡(jiǎn)單可靠

④保護(hù)套必須保證熱電極與有害介質(zhì)充分隔離。

(4)熱電偶冷端的溫度補(bǔ)償

熱電偶的自由端溫度為0℃，由熱電偶的測(cè)溫原理可知，只有在熱電偶的冷端溫度沒(méi)有變化的情況下，熱電動(dòng)勢(shì)才是被測(cè)定溫度的單位函數(shù)。 在實(shí)際應(yīng)用中，由于熱電偶的冷端接近熱端，冷瑞露出空間，易受周圍環(huán)境溫度變化的影響，難以保持沖端溫度恒定。 因此需要進(jìn)行冷溫度補(bǔ)償處理。

熱電偶的材料一般是貴重的(特別是采用貴金屬時(shí))，從測(cè)溫點(diǎn)到儀表的距離較遠(yuǎn)，為了節(jié)約熱電偶的材料，降低成本，通常使用補(bǔ)償導(dǎo)線將熱電偶的冷端(自由端)延長(zhǎng)到溫度比較穩(wěn)定的控制室，并與儀表端子連接。 必須指出，熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的作用只是將熱電偶的冷端子移動(dòng)到控制室的儀表端子，不能消除冷端子的溫度變化對(duì)測(cè)溫的影響，不能進(jìn)行補(bǔ)償。 因此，為了補(bǔ)償冷端溫度t0≠0℃時(shí)對(duì)測(cè)溫的影響，需要采用其他的修正方法。

使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)，要注意形式一致，不能搞錯(cuò)極性，補(bǔ)償導(dǎo)線和熱電偶連接端的溫度不得超過(guò)100℃。

3.ic內(nèi)置溫度傳感器

所有數(shù)字讀取必須與單片機(jī)協(xié)同使用，能夠連接網(wǎng)絡(luò)使用，能夠用三線讀取溫度、電源、地點(diǎn)、數(shù)據(jù)。

4、晶體管在要求不高時(shí)也可作為溫度傳感器使用，但其線性不太好，價(jià)格低，因此常被采用。

二、非接觸式溫度傳感器的傳感器與被測(cè)量者相互不接觸，也稱為非接觸式測(cè)溫計(jì)。

該儀器可用于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體、小目標(biāo)和熱容量或溫度變化快(瞬變)的目標(biāo)表面溫度，也可用于測(cè)量溫度場(chǎng)的溫度分布。 zui中常用的非接觸式測(cè)溫計(jì)根據(jù)黑體輻射的基本規(guī)律，被稱為輻射測(cè)溫計(jì)。 輻射測(cè)溫法有亮度法(參照光學(xué)溫度計(jì))、輻射法(參照輻射溫度計(jì))、比色溫度計(jì)(參照比色溫度計(jì))。 各種輻射測(cè)溫方法只能測(cè)定相應(yīng)的光度溫度、輻射溫度或比色溫度。 只有測(cè)量黑體(即使吸收了輻射全體也不會(huì)反射光的物體)的溫度才是真正的溫度。 測(cè)量物體的實(shí)際溫度需要修正材料表面的放射率。 材料的表面放射率不僅取決于溫度和波長(zhǎng)，還取決于表面狀態(tài)、涂膜和顯微組織等，因此難以測(cè)定。 在自動(dòng)生產(chǎn)中，有必要利用放射測(cè)溫法測(cè)量或控制特定物體的表面溫度，如冶金中的鋼帶軋制溫度、軋輥溫度、鍛件溫度、各種熔融金屬在冶煉爐或坩堝中的溫度等。 在這些具體情況下，物體表面的放射率的測(cè)定非常困難。 在固體表面溫度的自動(dòng)測(cè)定和控制中，可以使用附加的反射鏡與被測(cè)定表面一起構(gòu)成黑體空洞。 附加輻射的影響提高了受檢表面的有效輻射和有效輻射系數(shù)。 通過(guò)利用有效輻射系數(shù)用儀表校正實(shí)測(cè)溫度，zui較終能夠得到被測(cè)表面的真實(shí)溫度。 zui是典型的附加反射鏡是半球反射鏡。 球中心附近的被測(cè)面的擴(kuò)散放射能被半球反射鏡反射，返回表面形成追加放射，提高有效放射系數(shù)。 關(guān)于氣體和液體介質(zhì)實(shí)際溫度的輻射測(cè)量，有將耐熱材料管插入一定深度形成黑體空洞的方法。 通過(guò)計(jì)算求出與介質(zhì)達(dá)到熱平衡后圓筒空洞的有效放射系數(shù)。 自動(dòng)測(cè)量和控制可以修改使用此值測(cè)量的模腔底部溫度(介質(zhì)溫度)，以獲得介質(zhì)的實(shí)際溫度。

非接觸測(cè)溫的優(yōu)點(diǎn):由于測(cè)定上限不受溫感元件的耐溫度限制，因此zui高測(cè)溫溫度原則上沒(méi)有限制。 對(duì)于1800℃以上的高溫，主要采用非接觸測(cè)溫方法。 隨著紅外技術(shù)的發(fā)展，輻射測(cè)溫逐漸從可見(jiàn)光擴(kuò)散到紅外線，從700℃以下到常溫，分辨率高。

本文熱電偶高頻詞： 測(cè)量  測(cè)溫 

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