熱電偶
一、簡介
熱電偶是溫度測量儀表中常用的測溫元件，它直接測量溫度，并把溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號，通過電氣儀表（二次儀表）轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)的溫度。各種熱電偶的外形常因需要而極不相同，但是它們的基本結(jié)構(gòu)卻大致相同，通常由熱電極、絕緣套保護管和接線盒等主要部分組成，通常和顯示儀表、記錄儀表及電子調(diào)節(jié)器配套使用。
在工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度是需要測量和控制的重要參數(shù)之一。在溫度測量中，熱電偶的應(yīng)用極為廣泛，它具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、測量范圍廣、精度高、慣性小和輸出信號便于遠傳等許多優(yōu)點。另外，由于熱電偶是一種有源傳感器，測量時不需外加電源，使用十分方便，所以常被用作測量爐子、管道內(nèi)的氣體或液體的溫度及固體的表面溫度。
二、工作原理
1、熱電動勢由兩部分電動勢組成，一部分是兩種導(dǎo)體的接觸電動勢，另一部分是單一導(dǎo)體的溫差電動勢。
2、熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路，當兩端存在溫度梯度時，回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在電動勢——熱電動勢，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)(Seebeck effect）。兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體為熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為自由端，自由端通常處于某個恒定的溫度下。根據(jù)熱電動勢與溫度的函數(shù)關(guān)系，制成熱電偶分度表；分度表是自由端溫度在0℃時的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。
3、熱電偶冷端補償計算方法：
（1）從毫伏到溫度：測量冷端溫度，換算為對應(yīng)毫伏值，與熱電偶的毫伏值相加，換算出溫度；
（2）從溫度到毫伏：測量出實際溫度與冷端溫度，分別換算為毫伏值，相減後得出毫伏值，即得溫度。
三、測溫條件
1、熱電偶是一種感溫元件，是一種一次儀表，熱電偶直接丈量溫度。由2種不同成分材質(zhì)的導(dǎo)體組成的閉合回路，由于材質(zhì)不同，不同的電子密度產(chǎn)生電子擴散，穩(wěn)定均衡后就產(chǎn)生 了電勢。當兩端存在梯度溫度時，回路中就會有電流產(chǎn)生，產(chǎn)生熱電動勢，溫度差越大，電流就會越大。測得熱電動勢之后即可曉得溫度值。熱電偶實際上是一種能量轉(zhuǎn)換器，可將熱能轉(zhuǎn)換成電能。
2、熱電偶的技術(shù)優(yōu)勢：熱電偶測溫范圍寬，性能比擬穩(wěn)定；丈量精度高，熱電偶與被測對象直接接觸，不受中間介質(zhì)的影響；熱響應(yīng)時間快，熱電偶對溫度變化反響靈活；丈量范圍 大，熱電偶從-40~+ 1600℃ 均可連續(xù)測溫；熱電偶性能牢靠， 機械強度好。運用壽命長，裝置便當。
3、電偶必需是由兩種性質(zhì)不同但契合一定要求的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）材料構(gòu)成回路。熱電偶丈量端和參考端之間必需有溫差。
四、主要特點
1、裝配簡單，更換方便；
2、壓簧式感溫元件，抗震性能好；
3、測量精度高；
4、測量范圍大（－200℃～1300℃，特殊情況下－270℃～2800℃）；
5、熱響應(yīng)時間快；
6、機械強度高，耐壓性能好；
7、耐高溫可達2800度；
8、使用壽命長。
五、結(jié)構(gòu)要求
熱電偶的結(jié)構(gòu)形式為了保證熱電偶可靠、穩(wěn)定地工作，對它的結(jié)構(gòu)要求如下：
1、組成熱電偶的兩個熱電極的焊接須***牢固；
2、兩個熱電極彼此之間應(yīng)很好地絕緣，以防短路；
3、補償導(dǎo)線與熱電偶自由端的連接要方便可靠；
4、保護套管應(yīng)能保證熱電極與有害介質(zhì)充分隔離。
六、工作原理
兩種不同成份的導(dǎo)體（稱為熱電偶絲材或熱電極）兩端接合成回路，當兩個接合點的溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，而這種電動勢稱為熱電勢。熱電偶就是利用這種原理進行溫度測量的，其中，直接用作測量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端（也稱為測量端），另一端叫做冷端（也稱為補償端）；冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢。
熱電偶實際上是一種能量轉(zhuǎn)換器，它將熱能轉(zhuǎn)換為電能，用所產(chǎn)生的熱電勢測量溫度，對于熱電偶的熱電勢，應(yīng)注意如下幾個問題：
1、熱電偶的熱電勢是熱電偶工作端的兩端溫度函數(shù)的差，而不是熱電偶冷端與工作端，兩端溫度差的函數(shù)；
2、熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢的大小，當熱電偶的材料是均勻時，與熱電偶的長度和直徑無關(guān)，只與熱電偶材料的成份和兩端的溫差有關(guān)；
3、當熱電偶的兩個熱電偶絲材料成份確定后，熱電偶熱電勢的大小，只與熱電偶的溫度差有關(guān)；若熱電偶冷端的溫度保持一定，這進熱電偶的熱電勢僅是工作端溫度的單值函數(shù)。將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B焊接起來，構(gòu)成一個閉合回路，如圖所示。當導(dǎo)體A和B的兩個執(zhí)著點1和2之間存在溫差時，兩者之間便產(chǎn)生電動勢，因而在回路中形成一個大小的電流。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來工作的。
七、安裝
在生產(chǎn)中由于被測對象不同，環(huán)境條件不同，測量要求不同，和熱電阻的安裝方法及采取的措施也不同，需要考慮的問題比較多，但原則上可以從測溫的準確性、安全性、維修方便三個方面來考慮。
為避免測溫元件損壞，應(yīng)保證其有足夠的機械強度，為保護感溫元件不受磨損應(yīng)加保護屏或保護管等，為確保安全、可靠，測溫元件的安裝方法應(yīng)視具體情況（如待測介質(zhì)的溫度、壓力、測溫元件的長度及其安裝位置、形式等）而定。下面僅舉幾例以引起注意：
凡安裝承受壓力的測溫元件，都須***保證其密封性。高溫下工作的熱電偶，為防止保護管在高溫下產(chǎn)生變形，一般應(yīng)垂直安裝，若須***水平安裝則不宜過長，并用支架保護熱電偶。若測溫元件安裝于介質(zhì)流速較大的管道中，則其應(yīng)傾斜安裝。為防止測溫元件受到過大的沖蝕，***好安裝在管道的彎曲處。當介質(zhì)壓力超過10MPa時，須***在測量元件上加保護外套。熱電偶/熱電阻的安裝部位還應(yīng)考慮其拆裝、維修、校驗的足夠空間和場地，具有較長保護管的熱電偶、熱電阻應(yīng)能方便地拆裝。
安裝要求：
1、為了使熱電偶和熱電阻的測量端與被測介質(zhì)之間有充分的熱交換，應(yīng)合理選擇測點位置，盡量避免在閥門，彎頭及管道和設(shè)備的死角附近裝設(shè)熱電偶或熱電阻。
2、帶有保護套管的熱電偶和熱電阻有傳熱和散熱損失，為了減少測量誤差，熱電偶和熱電阻應(yīng)該有足夠的插入深度：
（1）對于測量管道中心流體溫度的熱電偶，
熱電偶（圖7）
一般都應(yīng)將其測量端插入到管道中心處（垂直安裝或傾斜安裝）.如被測流體的管道直徑是200毫米，那熱電偶或熱電阻插入深度應(yīng)選擇100毫米；
（2）對于高溫高壓和高速流體的溫度測量（如主蒸汽溫度），為了減小保護套對流體的阻力和防止保護套在流體作用下發(fā)生斷裂，可采取保護管淺插方式或采用熱套式熱電偶，淺插式的熱電偶保護套管，其插入主蒸汽管道的深度應(yīng)不小于75mm；熱套式熱電偶的標準插入深度為100mm；
（3）假如需要測量是煙道內(nèi)煙氣的溫度，盡管煙道直徑為4m，熱電偶或熱電阻插入深度1 m即可；
（4）當測量原件插入深度超過1m時，應(yīng)盡可能垂直安裝，或加裝支撐架和保護套管。
正確使用：
1、安裝不當引入的誤差
如熱電偶安裝的位置及插入深度不能反映爐膛的真實溫度等，換句話說，熱電偶不應(yīng)裝在太靠近門和加熱的地方，插入的深度至少應(yīng)為保護管直徑的8～10倍；熱電偶的保護套管與壁間的間隔未填絕熱物質(zhì)致使爐內(nèi)熱溢出或冷空氣侵入，因此熱電偶保護管和爐壁孔之間的空隙應(yīng)用耐火泥或石棉繩等絕熱物質(zhì)堵塞以免冷熱空氣對流而影響測溫的準確性；熱電偶冷端太靠近爐體使溫度超過100℃；熱電偶的安裝應(yīng)盡可能避開強磁場和強電場，所以不應(yīng)把熱電偶和動力電纜線裝在同一根導(dǎo)管內(nèi)以免引入干擾造成誤差；熱電偶不能安裝在被測介質(zhì)很少流動的區(qū)域內(nèi)，當用熱電偶測量管內(nèi)氣體溫度時，須***使熱電偶逆著流速方向安裝，而且充分與氣體接觸。
2、絕緣變差而引入的誤差
如熱電偶絕緣了，保護管和拉線板污垢或鹽渣過多致使熱電偶極間與爐壁間絕緣不良，在高溫下更為嚴重，這不僅會引起熱電勢的損耗而且還會引入干擾，由此引起的誤差有時可達上百度。
3、熱惰性引入的誤差
由于熱電偶的熱惰性使儀表的指示值落后于被測溫度的變化，在進行快速測量時這種影響尤為突出。所以應(yīng)盡可能采用熱電極較細、保護管直徑較小的熱電偶。測溫環(huán)境許可時，甚至可將保護管取去。由于存在測量滯后，用熱電偶檢測出的溫度波動的振幅較爐溫波動的振幅小。測量滯后越大，熱電偶波動的振幅就越小，與實際爐溫的差別也就越大。當用時間常數(shù)大的熱電偶測溫或控溫時，儀表顯示的溫度雖然波動很小，但實際爐溫的波動可能很大。為了準確的測量溫度，應(yīng)當選擇時間常數(shù)小的熱電偶。時間常數(shù)與傳熱系數(shù)成反比，與熱電偶熱端的直徑、材料的密度及比熱成正比，如要減小時間常數(shù)，除增加傳熱系數(shù)以外，***有效的辦法是盡量減小熱端的尺寸。使用中，通常采用導(dǎo)熱性能好的材料，管壁薄、內(nèi)徑小的保護套管。在較精密的溫度測量中，使用無保護套管的裸絲熱電偶，但熱電偶容易損壞，應(yīng)及時校正及更換。
4、熱阻誤差
高溫時，如保護管上有一層煤灰，塵埃附在上面，則熱阻增加，阻礙熱的傳導(dǎo)，這時溫度示值比被測溫度的真值低。因此，應(yīng)保持熱電偶保護管外部的清潔，以減小誤差。
常見故障分析及處理：
故障現(xiàn)象 | 可能原因 | 處理方法 |
熱電勢比實際值小（顯示儀表指示值偏低） | 熱電極短路 | 如潮濕所致，則進行干燥；如絕緣子損壞，則更換絕緣子 |
熱電偶的接線柱處積灰，造成短路 | 清掃積灰 | |
補償導(dǎo)線線間短路 | 找出短路點，加強絕緣或更換補償導(dǎo)線 | |
熱電偶熱電極變質(zhì) | 在長度允許的發(fā)問下，剪去變質(zhì)段重新焊接，或更換新熱電偶 | |
補償導(dǎo)線與熱電偶極性接反 | 重新接正確 | |
補償導(dǎo)線與熱電偶不配套 | 更換相配套的補償導(dǎo)線 | |
熱電偶安裝位置不錄或插入深度不符合要求 | 重新按規(guī)定安裝 | |
熱電偶冷端溫度補償不符合要求 | 調(diào)整冷端補償器 | |
熱電偶與顯示儀表不配套 | 更換熱電偶或顯示儀表使之相配套 | |
熱電勢比實際值大（顯示儀表指示值偏高） | 顯示儀表與熱電偶不配套 | 更換熱電偶使之相配套 |
熱電偶與補償導(dǎo)線不配套 | 更換補償導(dǎo)線使之相配套 | |
有直流干擾信號進入 | 排除直流干擾 | |
熱電勢輸出不穩(wěn)定 | 熱電偶接線柱與熱電極接觸不良 | 將接線柱螺絲擰緊 |
熱電偶測量線路絕緣破損，引起斷續(xù)短路或接地 | 找出故障點，修復(fù)絕緣 | |
熱電偶安裝不牢或外部震動 | 緊固熱電偶，消除震動或采取減震措施 | |
熱電極將斷未斷 | 修復(fù)或更換熱電偶 | |
外界干擾（交流漏電，電磁場感應(yīng)等） | 查出干擾源，采用屏蔽措施 | |
熱電偶熱電勢誤差大 | 熱電極變質(zhì) | 更換熱電極 |
熱電偶安裝位置不當 | 改變安裝位置 | |
保護管表面積灰 | 清除積灰 |
八、主要優(yōu)點
1、測量精度高。因直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。
2、測量范圍廣。常用的熱電偶從零下50度——1600度均可連續(xù)測量，某些特殊熱電偶***低可測到-269度（如金鐵鎳鉻），***高可達2800度（如鎢、錸）。
3、構(gòu)造簡單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護套管，用起來非常方便。
選擇熱電偶選擇熱電偶時需考慮下列因素：
1、被測溫度范圍；
2、所需響應(yīng)時間；
3、連接點類型；
4、熱電偶或護套材料的抗化學腐蝕能力；
5、抗磨損或抗振動能力；
6、安裝及限制要求等。
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