|
來自：|熱電偶|http://m.trbfn79.cn
根據(jù)熱電偶的測溫原理，似乎任意兩種不同的導(dǎo)體材料都可以作為熱電極組成熱電偶用來測量溫度，但實際并非如此，因為對熱電偶熱電極材料有一定要求;
(1)熱電勢要足夠大，并且與溫度的關(guān)系最好呈線性或近線性;
(2)在使用溫度范圍內(nèi)，物理、化學(xué)性能穩(wěn)定;
(3)熱電性能穩(wěn)定，易于復(fù)現(xiàn)，同類熱電偶互換性好;
(4)電導(dǎo)率高，電阻溫度系數(shù)要小;
(5)加工方便，價格便宜。
但是，完全滿足上述要求的材料很難找到。因此只能根據(jù)被測溫度的高低，選擇適當(dāng)?shù)臒犭姌O材料。
金、銀和鉑族金屬共八個元家，稱為貴金屑。由這些金屬及其合金構(gòu)成的熱電偶稱為資金屬熱電偶，除此之外統(tǒng)稱賤金屬熱電偶。同貴金屬熱電偶相比，賤金屑熱電偶具有靈敏度高，熱電特性近似線性，可在還原性氣氛中使用.但抗氧化耐腐蝕性欠佳，熱電極均勻性差，高溫穩(wěn)定性差，壽命短。貴金屬的缺點和優(yōu)點正好與賤金屬相反。
熱電偶的材料、結(jié)構(gòu)
1．熱電偶的材料組成熱電偶的兩根導(dǎo)體稱為熱電極，根據(jù)熱電效應(yīng)的原理，任意兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體都可作為熱電極組成熱電偶。但作為實用的測溫元件，不是所有的材料都適用于作熱電偶，對它們必須經(jīng)過嚴(yán)格的選擇。對制作熱電偶材料的基本要求如下。
①能測量較高的溫度，并能在較寬的溫度范圍內(nèi)測量使用，經(jīng)長期使用后，其物理、化學(xué)性能及熱電特性穩(wěn)定。
②兩種材料組成的熱電偶應(yīng)輸出較大的熱電勢，以得到較高的靈敏度，且熱電勢與溫度之間呈線性或近似線性的單值函數(shù)關(guān)系，這樣易于測量，且可得到較高的精確度。
③電阻溫度系數(shù)和電阻率要小，否則熱電偶的電阻將隨工作端的溫度不同而有較大的變化，影響測量結(jié)果的精確性。
④較好的工藝性能，便于成批生產(chǎn)，且復(fù)現(xiàn)性好，便于制訂統(tǒng)一的分度表。
⑤材料資源豐富，價格低廉。
⑥材質(zhì)均勻，機械性能好。
通常情況下，純金屬的熱電極容易復(fù)制，但其熱電勢小，平均約為20r/V/℃，非金屬電極的熱電勢較大，可達1mV/℃，且熔點高，但復(fù)制性和穩(wěn)定性都較差。合金熱電極的熱電性能和工藝性介于前面兩者之間，歷以合金熱電極用得較多。
目前在國際上被公認(rèn)為有代表性的或比較普遍采用的熱電偶并不多，這些熱電偶的熱電極材料都是經(jīng)過大量實驗并分別被應(yīng)用在各溫度范圍內(nèi)，測量效果良好的材料。
2．熱電偶的結(jié)構(gòu)熱電偶的核心就是熱電極，將兩個熱電極的一個端點焊接在一起組成熱接點，就構(gòu)成了熱電偶。熱電極的兩個引出線用耐高溫絕緣材料進行保護絕緣，并根據(jù)不同的用途作適當(dāng)?shù)奶幚砭蜆?gòu)成了工作熱電偶。由于熱電偶廣泛地應(yīng)用于各種條件下的溫度測量，因而它的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的。工程上實際使用的熱電偶大多數(shù)是由接線盒、保護套管、絕緣套管和熱電極等部分組成的。
1)接線盒熱電偶的接線盒是熱電勢的輸出連接端口，補償導(dǎo)線一端接在接線盒內(nèi)，另一端接測量儀表。注意接線盒內(nèi)的兩個接線端有正負(fù)之分，已在接線端附近標(biāo)明，千萬不能接錯，否則適得其反。為防止灰塵及有害物質(zhì)進入內(nèi)部，接線盒應(yīng)具有良好的密封性能。
2)保護套管保護套管是熱電偶的外殼，可以防止熱電偶直接與被測介質(zhì)接觸，避免有害物質(zhì)的入侵腐蝕，同時還可以避免火焰或氣體的直接沖擊。
對保護套管的材料的要求是：良好的導(dǎo)熱性能，物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；有足夠的強度和剛度，耐熱、耐沖擊。保護套管采用的材料有金屬和非金屬兩種。
3)絕緣套管絕緣套管用來防止熱電偶的兩個電極之間發(fā)生短路或漏電現(xiàn)象。絕緣材料的種類很多，分為有機絕緣材料和無機絕緣材料，具體應(yīng)用應(yīng)根據(jù)熱電偶的測溫范圍來選擇。
4)熱電極熱電極是熱電偶的核心部件，熱電偶就是根據(jù)熱電極的材料來分類的。
3．熱電偶的結(jié)構(gòu)分類熱電偶按其結(jié)構(gòu)又可分為普通型熱電偶、鎧裝熱電偶和薄膜熱電偶。
1)普通型熱電偶普通型熱電偶主要用于測量氣體、蒸氣和液體等介質(zhì)的溫度。可根據(jù)測量條件和測量范圍來選用，為了防止有害介質(zhì)對熱電極的侵蝕，工業(yè)用的熱電偶一般都有保護套。熱電偶的外形有棒形、三角形、錐形等，它和外部設(shè)備的安裝方式有螺紋固定、法蘭盤固定等。其結(jié)構(gòu)如圖8-7所示。
2)鎧裝熱電偶鎧裝熱電偶是將熱電極、絕緣材料和金屬保護管組合在一起，經(jīng)拉伸加工而成的一個堅實的組合體，所以又稱套管熱電偶，如圖8-8所示。它具有很大的呵撓性，其最小彎曲半徑通常是熱電偶直徑的5倍。此外它還具有測溫端熱容量小、動態(tài)響應(yīng)快、強度高、壽命長及適應(yīng)性強等優(yōu)點，是新近發(fā)展起來的具有很多優(yōu)點的特殊結(jié)構(gòu)的熱電偶，適用于位置狹小部位的溫度測量。
3)薄膜熱電偶薄膜熱電偶的結(jié)構(gòu)如圖8-9所示，薄膜熱電偶有片狀、針狀等，其主要特點是熱容量小、動態(tài)響應(yīng)快，適宜測量面積或體積小，溫度變化快的物體。
4．常用熱電偶常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。所謂標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差，并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。
國際電工委員會(IEC)推薦了8種類型的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，我國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定S、B、E、K、N、R、J、T八種標(biāo)準(zhǔn)熱電偶為我國統(tǒng)一沒計型熱電偶。
1)鉑銠10-鉑熱電偶鉑銠10-鉑熱電偶（S型熱電偶）為貴金屬熱電偶。偶絲直徑規(guī)定為0.5mm，其正極(SP)為鉑銠合金，其中含銠為10%，含鉑為90%，負(fù)極(SN)為純鉑，故俗稱單鉑銠熱電偶。該熱電偶可用于較高的溫度測量，長期最高測量溫度為1300℃，短期最高測量溫度為1600℃。
S型熱電偶在熱電偶系列中具有準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好、測溫范圍寬、使用壽命長等優(yōu)點。
它的物理、化學(xué)穩(wěn)定性能良好，熱電勢穩(wěn)定性及在高溫下抗氧化性能好，適用于氧化性和惰性氣氛中，一般用于較為精密的測量。此外，鉑銠10-鉑熱電偶還用于工業(yè)測溫。
由于S型熱電偶具有優(yōu)良的綜合性能，符合國際使用溫標(biāo)的S型熱電偶，長期以來作為國際溫標(biāo)的內(nèi)插儀器，“ITS-90”雖規(guī)定今后不再作為國際溫標(biāo)基準(zhǔn)，但國際溫度咨詢委員會(CCT)認(rèn)為S型熱電偶仍可用于近似實現(xiàn)國際溫標(biāo)。
S型熱電偶不足之處是熱電勢較小，炅敏度低，高溫下機械強度下降，對污染非常敏感，材料昂貴，因而一次性投資較大。在高溫還原介質(zhì)中容易被侵蝕和污染，而失去測量精確度。
2)鉑銠13-鉑熱電偶鉑銠13-鉑熱電偶（R型熱電偶）為貴金屬熱電偶。偶絲直徑規(guī)定為0.5mm，其正極(RP)為鉑銠合金，其中含銠為13%，含鉑為87%，負(fù)極(RN)為純鉑，長期最高使用溫度為1300℃，短期最高使用溫度為1600℃。
R型熱電偶在熱電偶系列中具有準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好、測溫溫區(qū)寬、使用壽命長等優(yōu)點。
其物理、化學(xué)性能良好，熱電勢穩(wěn)定性及在高溫下抗氧化性能好，適用于氧化性和惰性氣氛中。由于R型熱電偶的綜合性能與s型熱電偶的相當(dāng)，所以在我國一直難于推廣，除在進口設(shè)備上的測溫有所應(yīng)用外，國內(nèi)測溫很少采用。
研究表明，R型熱電偶的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性均比S型熱電偶的好。但R型熱電偶不足之處是熱電勢率較小，靈敏度低，高溫下機械強度下降，對污染非常敏感，材料昂貴，因而一次性投資較大。
3)鉑銠30-鉑銠6熱電偶鉑銠30-鉑銠6熱電偶（B型熱電偶）為貴金屬熱電偶。偶絲直徑規(guī)定為o-5mm．其正極(BP)為鉑銠合金，其中含銠為30%，含鉑為70%，負(fù)極(BN)為鉑銠合金，含銠為量6%，故俗稱雙鉑銠熱電偶。該熱電偶長期最高使用溫度為1600℃，短期最高使用溫度為1800℃。
B型熱電偶在熱電偶系列中具有準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好、測溫溫區(qū)寬、使用壽命長、測溫上限高等優(yōu)點。它適用于氧化性和惰性氣氛中，也可短期用于真空中，但不適用于還原性氣氛或含有金屬或非金屬蒸氣氣氛中。B型熱電偶一個明顯的優(yōu)點是無須使用補償導(dǎo)線進行補償，因為在O～50℃范圍內(nèi)熟電勢小于3riV。
B型熱電偶不足之處是熱電勢率較小，靈敏度低，高溫下機械強度下降，對污染非常敏感，材料價格昂貴，因而一次性投資較大。
4)鎳鉻一鎳硅熱電偶鎳鉻一鎳硅熱電偶（K型熱電偶）是目前用量最大的廉金屬熱電偶，其用量為其他熱電偶的總和。正極(KP)成分為Ni：Cr一90：10，負(fù)極(KN)成分為Ni：Si一97：3。該熱電偶可以在1000℃環(huán)境下長時間工作，短時間可到1300℃。
K型熱電偶與S型熱電偶相比具有線性度好，熱電勢較大，靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性較好，在高溫下抗氧化及抗腐蝕性能強，價格便宜等優(yōu)點，能用于氧化性惰性氣氛中。但K型熱電偶易受還原性氣體的有害影響。
5)鎳鉻硅一鎳硅熱電偶鎳鉻硅一鎳硅熱電偶(N型熱電偶)為廉金屬熱電偶，是一種最新國際標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，正極(NP)成分為Ni：Cr：Si一84.4：14.2：1.4，負(fù)極(NN)成分為Ni：Si：Mg一95.5：4.4：0.1，其使用溫度為-200～1300℃。
它克服了K型熱電偶的兩個重要缺點：K型熱電偶在300～500℃間會由于鎳鉻合金的晶格短程有序而引起的熱電勢不穩(wěn)定；在800℃左右會由于鎳鉻合金發(fā)生擇優(yōu)氧化引起的熱電勢不穗定。
N型熱電偶具有線性度好，熱電勢較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和均勻性較好，抗氧化性能強，價格便宜，不受短程有序化影響等優(yōu)點，其綜合性能優(yōu)于K型熱電偶的，是一種很有發(fā)展前途的熱電偶。
N型熱電偶不能直接在高溫下用于硫、還原性或還原、氧化交替的氣氛中和真空中，也不推薦用于弱氧化氣氛中。
6)鎳鉻一銅鎳熱電偶鎳鉻一銅鎳熱電偶（E型熱電偶）又稱鎳鉻一康銅熱電偶，也是一種廉金屬的熱電偶，正極(EP)為鎳鉻10合金，成分為Ni：Cr-90：10，負(fù)極(EN)為銅鎳合金，成分為55%的銅、45%的鎳，以及少量的錳、鉆、鐵等元素。該熱電偶的使用溫度為-200～900℃。
E型熱電偶熱電勢之大，靈敏度之高屬所有熱電偶之最，能測量微小的溫度變化。對于高濕度氣氛的腐蝕不甚靈敏，宜用于濕度較高的環(huán)境。E型熱電偶還具有穩(wěn)定性好，抗氧化性能優(yōu)于銅一康銅、鐵一康銅熱電偶，價格便宜等優(yōu)點，能用于氧化性和惰性氣氛中，廣泛為用戶采用。
E型熱電偶不能直接在高溫下用于硫、還原性氣氛中，熱電勢均勻性較差。
7)鐵一銅鎳熱電偶鐵一銅鎳熱電偶（J型熱電偶）又稱鐵一康銅熱電偶，也是一種廉金屬的熱電偶。它的正極(JP)為純鐵，負(fù)極(JN)為銅鎳合金，常被含糊地稱為康銅，其成分為55%的銅、45%的鎳，以及少量卻十分重要的錳、鈷、鐵等元素，盡管稱為康銅，但不同于鎳鉻一康銅和銅一康銅的康銅，故不能用EN和TN來替換。鐵一康銅熱電偶的覆蓋測量溫區(qū)為-200～1200℃，但通常使用的溫度范圍為0～750℃。
J型熱電偶具有線性度好，熱電勢較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和均勻性較好，價格便宜等優(yōu)點，廣為用戶所采用。
J型熱電偶可用于真空、氧化、還原和惰性氣氛中，但正極鐵在高溫下氧化較快，故使用溫度受到限制，也不能直接無保護地在離溫下用于硫化氣氛中。
8)銅一銅鎳熱電偶銅一銅鎳熱電偶（T型熱電偶）又稱銅一康銅熱電偶，也是一種最佳的測量低溫的廉金屬的熱電偶。它的正極(TP)是純銅，負(fù)極(TN)為銅鎳合金，常稱之為康銅，它與鎳鉻一康銅的康銅EN通用，與鐵一康銅的康銅JN不能通用，盡管它們都稱為康銅，銅一銅鎳熱電偶的覆蓋測量溫區(qū)為-200～350℃。
T型熱電偶具有線性度好，熱電勢較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和均勻性較好，價格便宜等優(yōu)點，特別在-200～O℃溫區(qū)內(nèi)使用，穩(wěn)定性更好，穩(wěn)定性可小于±3)uV，經(jīng)低溫檢定可作為二等標(biāo)準(zhǔn)進行低溫量值傳遞。
T型熱電偶的正極銅在高溫下抗氧化性能差，故使用溫度上限受到限制。
目前，工業(yè)上常用的五種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，即鉑銠10-鉑、鉑銠30-鉑銠6、鎳鉻一鎳硅、鎳鉻硅一鎳硅、鎳鉻一銅鎳熱電偶，測量端溫度每10℃間隔的分度表如表8-1～表8-5所示，更為詳細(xì)的每1℃問隔的分度表可在國標(biāo)等資料中查找。
|
.png)