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熱電阻與熱電偶
一、溫度測(cè)量的基本概念
溫度是表征物體冷熱程度的物理量。溫度只能通過物體隨溫度變化的某些特性來間接測(cè)量,而用來量度物體溫度數(shù)值的標(biāo)尺叫溫標(biāo)。它規(guī)定了溫度的讀數(shù)起點(diǎn)(零點(diǎn))和測(cè)量溫度的基本單位。目前上用得較多的溫標(biāo)有華氏溫標(biāo)、攝氏溫標(biāo)、熱力學(xué)溫標(biāo)和實(shí)用溫標(biāo)。
華氏溫標(biāo)(oF)規(guī)定:在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,冰的熔點(diǎn)為32度,水的沸點(diǎn)為212度,中間劃分180等分,每第分為報(bào)氏1度,符號(hào)為oF。
攝氏溫度(℃)規(guī)定:在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,冰的熔點(diǎn)為0度,水的沸點(diǎn)為100度,中間劃分100等分,每第分為報(bào)氏1度,符號(hào)為℃。
熱力學(xué)溫標(biāo)又稱開爾文溫標(biāo),或稱溫標(biāo),它規(guī)定分子運(yùn)動(dòng)停止時(shí)的溫度為零度,記符號(hào)為K。
實(shí)用溫標(biāo)是一個(gè)協(xié)議性溫標(biāo),它與熱力學(xué)溫標(biāo)相接近,而且復(fù)現(xiàn)精度高,使用方便。目前通用的溫標(biāo)是溫標(biāo)ITS-90。
溫標(biāo)(ITS-90)簡(jiǎn)介如下。
銀凝固點(diǎn)(961.78℃)以上的溫區(qū),T90是按普朗克輻射定律來定義的,復(fù)現(xiàn)儀器為光學(xué)高溫計(jì).
二、溫度測(cè)量?jī)x表的分類
溫度測(cè)量?jī)x表按測(cè)溫方式可分為接觸式和非接觸式兩大類。接觸式測(cè)溫儀表測(cè)溫儀表比較簡(jiǎn)單、可靠,測(cè)量精度較高;但因測(cè)溫元件與被測(cè)介質(zhì)需要進(jìn)行充分的熱交換,需要一定的時(shí)間才能達(dá)到熱平衡,所以存在測(cè)溫的延遲現(xiàn)象,同時(shí)受耐高溫材料的限制,不能應(yīng)用于很高的溫度測(cè)量。非接觸式儀表測(cè)溫是通過熱輻射原理來測(cè)量溫度的,測(cè)溫元件不需與被測(cè)介質(zhì)接觸,測(cè)溫范圍廣,不受測(cè)溫上限的限制,也不會(huì)破壞被測(cè)物體的溫度場(chǎng),反應(yīng)速度一般也比較快;但受到物體的發(fā)射率、測(cè)量距離、煙塵和水氣等外界因素的影響,其測(cè)量誤差較大。
三、熱電偶和熱電阻
在接觸式溫度測(cè)量?jī)x表熱電偶和熱電阻是工業(yè)上zui常用的溫度檢測(cè)元件。
(一)熱電偶
1、熱電偶特點(diǎn)是:
2、熱電偶測(cè)量原理
熱電偶是一種感溫元件, 它能將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電勢(shì)信號(hào), 通過電氣測(cè)量?jī)x表的配合, 就能測(cè)量出被測(cè)的溫度。熱電偶測(cè)溫的基本原理是熱電效應(yīng)。在由兩種不同材料的導(dǎo)體 A 和 B 所組成的閉合回路中 , 當(dāng) A 和 B 的兩個(gè)接點(diǎn)處于不同溫度 T 和 To時(shí), 在回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)。這就是所謂的塞貝克效應(yīng)。導(dǎo)體 A 和 B 稱為熱電極。溫度較高的一端 (T 〉叫工作端 ( 通常焊接在一起 );溫度較低的一端 (To 〉叫自由端 ( 通常處于某個(gè)恒定的溫度下〉。根據(jù)熱電勢(shì)與溫度函數(shù)關(guān)系??芍瞥蔁犭娕挤侄缺?。分度表是在自由端溫度 To=00C 的條件下得到的。不同的熱電偶具有不同的分度表。
在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時(shí), 只要該材料兩個(gè)接點(diǎn)的溫度相同, 熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)將保持不變,即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此, 在熱電偶測(cè)溫時(shí), 可接入測(cè)量?jī)x表, 測(cè)得熱電勢(shì)后, 即可知道被測(cè)介質(zhì)的溫度。
3、熱電偶的種類及結(jié)構(gòu)形成
(1)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)熱電偶兩大類。標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢(shì)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)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級(jí)上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶,一般也沒有統(tǒng)一的分度表,主要用于某些特殊場(chǎng)合的測(cè)量。
(2)熱電偶的材料
從理論上講, 任何兩種導(dǎo)體都可以配制成熱電偶, 但實(shí)際上并不是所有材料都能制作熱電偶, 故對(duì)熱電極材料必須滿足以下幾點(diǎn):
(3)為了保證熱電偶可靠、穩(wěn)定地工作,對(duì)熱電偶的結(jié)構(gòu)要求如下:
① 組成熱電偶的兩個(gè)熱電極的焊接必須牢固;
② 兩個(gè)熱電極彼此之間應(yīng)很好地絕緣,以防短路;
③ 補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶自由端的連接要方便可靠;
④ 保護(hù)套管應(yīng)能保證熱電極與有害介質(zhì)充分隔離。
4、熱電偶的分度號(hào)
標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶,按IEC標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)。熱電偶的分度號(hào)有主要有S、R、B、N、K、E、J、T等幾種。其中S、R、B屬于貴金屬熱電偶,N、K、E、J、T屬于廉金屬熱電偶。
S分度號(hào)的特點(diǎn)是抗氧化性能強(qiáng),宜在氧化性、惰性氣氛中連續(xù)使用,長(zhǎng)期使用溫度1400℃,短期1600℃。在所有熱電偶中,S分度號(hào)的度等級(jí)zui高,通常用作標(biāo)準(zhǔn)熱電偶;
R分度號(hào)與S分度號(hào)相比除熱電動(dòng)勢(shì)大15%左右,其它性能幾乎*相同;
B分度號(hào)在室溫下熱電動(dòng)勢(shì)極小,故在測(cè)量時(shí)一般不用補(bǔ)償導(dǎo)線。它的長(zhǎng)期使用溫度為1600℃,短期1800℃??稍谘趸曰蛑行詺夥罩惺褂?,也可在真空條件下短期使用。
N分度號(hào)的特點(diǎn)是1300℃下高溫抗氧化能力強(qiáng),熱電動(dòng)勢(shì)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性及短期熱循環(huán)的復(fù)現(xiàn)性好,耐核輻照及耐低溫性能也好,可以部分代替S分度號(hào)熱電偶;
K分度號(hào)的特點(diǎn)是抗氧化性能強(qiáng),宜在氧化性、惰性氣氛中連續(xù)使用,長(zhǎng)期使用溫度1000℃,短期1200℃。在所有熱電偶中使用zui廣泛;
E分度號(hào)的特點(diǎn)是在常用熱電偶中,其熱電動(dòng)勢(shì)zui大,即靈敏度zui高。宜在氧化性、惰性氣氛中連續(xù)使用,使用溫度0-800℃;$vme
J分度號(hào)的特點(diǎn)是既可用于氧化性氣氛(使用溫度上限750℃),也可用于還原性氣氛(使用溫度上限950℃),并且耐H2及CO氣體腐蝕,多用于煉油及化工;
T分度號(hào)的特點(diǎn)是在所有廉金屬熱電偶中度等級(jí)zui高,通常用來測(cè)量300℃以下的溫度。
5、熱電偶冷端的溫度補(bǔ)償
由于熱電偶的材料一般都比較貴重(特別是采用貴金屬時(shí)),而測(cè)溫點(diǎn)到儀表的距離都很遠(yuǎn),為了節(jié)省熱 電偶材料,降低成本,通常采用補(bǔ)償導(dǎo)線把熱電偶的冷 端(自由端)延伸到溫度比較穩(wěn)定的控制室內(nèi),連接到 儀表端子上。必須指出,熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的作用只起延伸熱電極,使熱電偶的冷端移動(dòng)到控制室的儀表端子上,它本身并不能消除冷端溫度變化對(duì)測(cè)溫的影響,不起補(bǔ)償作用。因此,還需采用其他修正方法來補(bǔ)償冷端溫度t0≠0℃時(shí)對(duì)測(cè)溫的影響。
在使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)必須注意型號(hào)相配,極性不能接錯(cuò),補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶連接端的溫度不能超過100℃。
(二)熱電阻
熱電阻是中低溫區(qū)zui常用的一種溫度檢測(cè)器。它的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高,性能穩(wěn)定。其中鉑熱是阻的測(cè)量度是zui高的,它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫,而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀。
1.熱電阻測(cè)溫原理及材料
熱電阻是利用金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體有溫度變化時(shí)本身電阻也隨著發(fā)生變化的特性來測(cè)量溫度的,熱電阻的受熱部分(感溫元件)是用細(xì)金屬絲均勻地繞在絕緣材料作成的骨架上或通過激光濺射工藝在基片形成。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)有溫度梯度時(shí),則所測(cè)得的溫度是感溫元件所在范圍內(nèi)介質(zhì)層的平均溫度。熱電阻大都由純金屬材料制成,目前應(yīng)用zui多的是鉑和銅,此外,現(xiàn)在已開始采用甸、鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。
2.熱電阻的結(jié)構(gòu)
(1)鎧裝熱電阻 鎧裝熱電阻是由感溫元件(電阻體)、引線、絕緣材料、不銹鋼套管組合而成的堅(jiān)實(shí)體,它的外徑一般為φ2~φ8mm。 與普通型熱電阻相比,它有下列優(yōu)點(diǎn):
(2)端面熱電阻 端面熱電阻感溫元件由特殊處理的電阻絲材繞制,緊貼在溫度計(jì)端面。它與一般軸向熱電阻相比,能更正確和快速地反映被測(cè)端面的實(shí)際溫度,適用于測(cè)量軸瓦和其他機(jī)件的端面溫度。
(3)隔爆型熱電阻隔爆型熱電阻可用于區(qū)內(nèi)具有爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所的溫度測(cè)量。 隔爆型熱電阻通過特殊結(jié)構(gòu)的接線盒,把其外殼內(nèi)部爆炸性混合氣體因受到火花或電弧等影響而發(fā)生的爆炸局限在接線盒內(nèi),生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)不會(huì)引超爆炸。
3.熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)的組成
熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)一般由熱電阻、連接導(dǎo)線和顯示儀表等組成。從熱電阻的測(cè)溫原理可知,被測(cè)溫度的變化是直接通過熱電阻阻值的變化來測(cè)量的,因此,熱電阻體的引出線等各種線電阻的變化會(huì)給溫度測(cè)量帶來影響,引起連接導(dǎo)線電阻的變化主要有:導(dǎo)線長(zhǎng)度的變化,導(dǎo)線接頭處接觸電阻的變化,重接線引起的電阻變化,還有環(huán)境溫度的變化以及測(cè)量線路中寄生電勢(shì)等。
熱電阻的引出線方式有3種:即2線制、3線制、4線制。
(三)如何選擇熱電偶和熱電阻
選擇熱電偶和熱電阻,應(yīng)從以下幾方面考慮
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