熱電偶探針的原理及應(yīng)用知識

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，一般測量數(shù)百度的溫度。

熱電偶是工業(yè)上zui常用的溫度檢測元件之一。 優(yōu)勢包括:

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

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

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

(1)熱電偶測溫的基本原理

兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體在某一點相互連接時，如果加熱該連接點，則在它們沒有加熱的地方會產(chǎn)生電位差。 該電位差的數(shù)值與未加熱部位的測量點的溫度有關(guān)，與這兩個導(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，通過測量這個電位差，再測量不加熱場所的周圍溫度，就可以正確地知道熱點的溫度。 因為需要兩種不同材質(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溫度變化1℃時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)點和缺點，靈敏度低，易受干擾信號的影響，也易受前置放大器的溫度漂移的影響，因此不適于測量微小的溫度變化。 熱電偶的靈敏度與材料的粗細(xì)無關(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率也很好，因此這種微細(xì)的測溫元件具有非常高的響應(yīng)速度，可以測量快速變化的過程。

(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)熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了熱電勢與溫度的關(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)量級標(biāo)準(zhǔn)化的熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的標(biāo)度表，主要用于特殊情況下的測量。 標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶我國自1988年1月1日起，熱電偶和熱阻均按IEC國際標(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統(tǒng)一設(shè)計型熱電偶。 各種熱電偶的測量范圍、優(yōu)點和缺點:

s型熱電偶:鉑銠10-鉑熱電偶，溫度范圍0~1600℃，舊索引號LB-3。 優(yōu)點: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:熱電動勢值小，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，價格高。

r型熱電偶:鉑銠13-鉑熱電偶，溫度范圍為0~1600℃。 優(yōu)點: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:熱電動勢值小，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LL-2，自由端不需要在0~50℃下補(bǔ)償引線。 優(yōu)點: 1000℃以上1800℃； 常溫環(huán)境下熱電動勢非常小，無需補(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:中低溫區(qū)熱電動勢極小，600℃以下的測定溫度不正確，熱電動勢值小，熱電動勢線性差的價格高。

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:熱電動勢線性良好，1000℃以下的耐氧化性良好； 金屬熱電偶的穩(wěn)定性很好。 缺點: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勢，與貴金屬熱電偶相比，由于經(jīng)時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:熱電動勢線性良好，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:不適用于還原性氣體環(huán)境的熱電動勢與貴金屬熱電偶相比，經(jīng)時變化較大。

e型熱電偶:鎳鉻-康銅熱電偶，溫度范圍-270~1000℃。 優(yōu)點:與以往熱電偶的靈敏度zui佳者j熱電偶相比，耐熱性良好，適合雙腳無磁性氧化性氣體的環(huán)境價格便宜。 缺點: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:還原性氣體環(huán)境中可使用的熱電動勢比k熱電偶便宜20%，適合中溫地區(qū)使用。 缺點: ( + )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:熱電動勢線性良好，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: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)成熱電偶的兩個熱電極的焊接必須牢固

②兩個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℃，由熱電偶的測溫原理可知，只有在熱電偶的冷端溫度沒有變化的情況下，熱電動勢才是被測定溫度的單位函數(shù)。 在實際應(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)，從測溫點到儀表的距離較遠(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到控制室的儀表端子，不能消除冷端子的溫度變化對測溫的影響，不能進(jìn)行補(bǔ)償。 因此，為了補(bǔ)償冷端溫度t0≠0℃時對測溫的影響，需要采用其他的修正方法。

使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線時，要注意形式一致，不能搞錯極性，補(bǔ)償導(dǎo)線和熱電偶連接端的溫度不得超過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、數(shù)據(jù)。

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

二、非接觸式溫度傳感器的傳感器與被測量者相互不接觸，也稱為非接觸式測溫計。

該儀器可用于測量運(yùn)動物體、小目標(biāo)和熱容量或溫度變化快(瞬變)的目標(biāo)表面溫度，也可用于測量溫度場的溫度分布。 zui中常用的非接觸式測溫計根據(jù)黑體輻射的基本規(guī)律，被稱為輻射測溫計。 輻射測溫法有亮度法(參照光學(xué)溫度計)、輻射法(參照輻射溫度計)、比色溫度計(參照比色溫度計)。 各種輻射測溫方法只能測定相應(yīng)的光度溫度、輻射溫度或比色溫度。 只有測量黑體(即使吸收了輻射全體也不會反射光的物體)的溫度才是真正的溫度。 測量物體的實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，還取決于表面狀態(tài)、涂膜和顯微組織等，因此難以測定。 在自動生產(chǎn)中，有必要利用放射測溫法測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定非常困難。 在固體表面溫度的自動測定和控制中，可以使用附加的反射鏡與被測定表面一起構(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)。 通過利用有效輻射系數(shù)用儀表校正實測溫度，zui較終能夠得到被測表面的真實溫度。 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)實際溫度的輻射測量，有將耐熱材料管插入一定深度形成黑體空洞的方法。 通過計算求出與介質(zhì)達(dá)到熱平衡后圓筒空洞的有效放射系數(shù)。 自動測量和控制可以修改使用此值測量的模腔底部溫度(介質(zhì)溫度)，以獲得介質(zhì)的實際溫度。

非接觸測溫的優(yōu)點:由于測定上限不受溫感元件的耐溫度限制，因此zui高測溫溫度原則上沒有限制。 對于1800℃以上的高溫，主要采用非接觸測溫方法。 隨著紅外技術(shù)的發(fā)展，輻射測溫逐漸從可見光擴(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： 測量  測溫 

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