引言
       熱電偶作為一種重要的測溫傳感元件,在測溫系統(tǒng)中起著重要作用。正確使用熱電偶能夠保證我們測得準(zhǔn)確的溫度,反之,則容易對溫度的測量產(chǎn)生不良的影響。

1熱電偶的工作原理

       熱電偶的結(jié)構(gòu)如圖1所示,其工作原理是基于賽貝克效應(yīng),即:如果A、B是由兩種不同成分的均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路,當(dāng)兩端存在溫度梯度(T,T0)時(shí),回路中就有電流通過,那么兩端之間就存在賽貝克電勢———熱電勢,記為EAB(T,T0)。其值與組成熱電偶的金屬材料性質(zhì)、熱端與冷端的溫度差的大小有關(guān),而與熱電極的長短、直徑大小無關(guān)。此不同導(dǎo)體的組合稱熱電偶,T端稱工作端(熱端);T0稱為參考端(冷端)。

2熱電偶使用中的問題及解決方法

       熱電偶作為測溫的一次元件,因其結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快和測溫范圍廣以及可遠(yuǎn)距離測量等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用,但是在實(shí)際測溫工作中,熱電偶參考端的溫度常隨環(huán)境溫度的變化而變化,且熱電偶安裝位置是否得當(dāng),使用氣氛是否適應(yīng),都會(huì)直接影響測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。為達(dá)到精確測量溫度的目的,下面分幾個(gè)方面對正確使用熱電偶逐一進(jìn)行論述。

2.1熱電偶的選用

       正確地選擇熱電偶是合理使用熱電偶的前提,不但可以準(zhǔn)確地得到溫度數(shù)值、保證產(chǎn)品質(zhì)量和安全,而且還可以節(jié)省熱電偶材料的消耗。

       熱電偶的選擇,首先應(yīng)根據(jù)被測溫度的上限和使用環(huán)境來選擇熱電偶的熱電極和保護(hù)套管,其次根據(jù)被測對象的結(jié)構(gòu)和安裝特點(diǎn)來選擇熱電偶的規(guī)格尺寸。熱電偶按結(jié)構(gòu)形式可分為:普通工業(yè)型、鎧裝型、高性能實(shí)體型和特種型熱電偶。常見的普通工業(yè)型熱電偶有鉑銠10-鉑熱電偶、鎳鉻-鎳硅熱電偶以及銅-康銅熱電偶等幾種。表1是一個(gè)生產(chǎn)選用的示例。

       鎧裝型熱電偶是將熱電極絲裝在有絕緣材料的金屬套管中,經(jīng)組合加工成可彎曲的堅(jiān)實(shí)的組合體,再依所需長度截?cái)?對其測量端和參考端進(jìn)行加工即制成。該熱電偶可以做得很細(xì)很長,在使用中可隨測量需要而彎曲。其測量范圍寬、響應(yīng)速度快、接熱點(diǎn)處的熱容量小、使用壽命長,同時(shí)機(jī)械強(qiáng)度高、耐壓性能高、適應(yīng)性廣、繞性大、安裝使用方便,應(yīng)用極其廣泛。

2.2補(bǔ)償導(dǎo)線的正確選用

       補(bǔ)償導(dǎo)線是指連接熱電偶接線盒與溫度指示儀表的一對帶有絕緣層的導(dǎo)線。選用補(bǔ)償導(dǎo)線要特別注意:它的熱電特性只在一定的溫度范圍(0~100℃)與熱電偶近似,各種補(bǔ)償導(dǎo)線只能與相應(yīng)的熱電偶配用,因?yàn)椴煌瑢?dǎo)線的熱電特性不同,在同一溫度下補(bǔ)償電勢的大小也不同。各種熱電偶都有相對應(yīng)的補(bǔ)償導(dǎo)線,如表2所示。正確使用補(bǔ)償導(dǎo)線,不但可以將熱電偶的參考端延伸到遠(yuǎn)離熱源或溫度較恒定的地方,改善其測量線路的機(jī)械物理性能,而且還能降低測量線路的成本,提高測溫準(zhǔn)確性,起到補(bǔ)償溫度的作用,這一點(diǎn)是普通導(dǎo)線所不具備的。補(bǔ)償導(dǎo)線可以作為所配熱電偶的延長線,但應(yīng)當(dāng)指出,它并不能消除冷端溫度不為0℃的影響。補(bǔ)償導(dǎo)線的使用還應(yīng)注意,其連接點(diǎn)的溫度應(yīng)相同,且不能超過規(guī)定的使用范圍(普通型不大于100℃,耐熱性不大于200℃),同時(shí)保證其與熱電偶連接時(shí)極性不得接反,否則將產(chǎn)生附加熱電動(dòng)勢,對回路總熱電動(dòng)勢產(chǎn)生影響,從而增大測溫誤差。

2.3參考端溫度處理

       為使熱電偶的熱電勢與測量端溫度(T)有單值的函數(shù)關(guān)系,必須進(jìn)行參考端溫度(T0)處理,即保持參考端溫度(T0)恒定,并消除T0≠0所產(chǎn)生的誤差。主要應(yīng)用的方法有計(jì)算法、調(diào)零法、冰點(diǎn)法、補(bǔ)償導(dǎo)線法和橋路補(bǔ)償法。此處介紹計(jì)算法和能夠自動(dòng)補(bǔ)正的橋路補(bǔ)償法。

2.3.1計(jì)算法

       式中:EAB(T,T0)為工作端溫度T、參考端溫度T0=0時(shí)的熱電動(dòng)勢;EAB(T,T′0)為工作端溫度T、參考端溫度T′0≠0時(shí)的熱電動(dòng)勢;EAB(T′0,T0)為工作端溫度T′0、參考溫度T≠0時(shí)的熱電勢值。只要有該種熱電偶的分度表,則從分度表上查得EAB(T′0,0)值,將此值與測量值EAB(T,T′0)求和,即可計(jì)算出EAB(T,0),再查該種熱電偶的分度表,即可求得工作端溫度為T。

2.3.2橋路補(bǔ)償法

       在熱電偶測量電路中,串接一個(gè)不平衡電橋,當(dāng)熱電偶隨參考端溫度升高而下降某個(gè)毫伏值時(shí),串聯(lián)在電路中的橋路輸出毫伏值正好上升某一值,從而保證熱電偶在參考端溫度變化時(shí),其輸出總值不變,補(bǔ)償電路如圖2所示。橋路中R1、R2、R3是錳銅繞制的電阻,Rj是用銅或鎳線繞制的電阻,后者的溫度系數(shù)大于錳銅電阻溫度系數(shù)。

       當(dāng)橋路處溫度為0℃時(shí),調(diào)整橋路Eab=0,此時(shí)有

       R1R2=R3Rj

       當(dāng)橋路處溫度不為0℃時(shí)(高于0℃),由于溫度變化使四個(gè)橋臂電阻發(fā)生變化ΔRj>ΔR1、ΔR2、ΔR3,此時(shí)a點(diǎn)電位高于b點(diǎn)電位,因橋路串聯(lián)在熱電偶電路中,則:

       故EAB(T,T0)=EAB(T),即輸出總值不變。目前橋路補(bǔ)償器基準(zhǔn)溫度為20℃,在使用時(shí),所配顯示儀表要進(jìn)行機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整,即毫伏表指針應(yīng)從0℃調(diào)至20℃的位置,否則指示值會(huì)比實(shí)際值產(chǎn)生20℃偏差。

2.4熱電偶的定期檢查與檢定

       熱電偶經(jīng)一段時(shí)間使用后,由于熱電極的高溫?fù)]發(fā)、晶粒組織變化、氧化腐蝕等原因,常出現(xiàn)老化變質(zhì),稱為熱電偶的劣化,這會(huì)使熱電偶的熱電特性改變,造成測溫誤差。常用熱電偶變質(zhì)程度如表3所示。為此必須準(zhǔn)確推斷劣化程度以便維修更換,同時(shí)要做定期檢定,以保證精確測量。

       為避免浪費(fèi),宜對劣化程度不嚴(yán)重的熱電偶進(jìn)行維修。維修時(shí)首先進(jìn)行清洗,分為酸洗和硼酸鈉清洗,目的是除去表面污物,改善其熱電偶特性,延長熱電偶壽命。然后進(jìn)行退火處理,目的是清除電極中內(nèi)應(yīng)力,改善熱電偶晶相,提高熱電偶穩(wěn)定性。通常退火有通電退火、爐內(nèi)退火兩種方法。經(jīng)過上述方法處理,鑒定合格后,可重新投入使用。

       針對劣化這種不可避免的量化過程,可采取以下對策:①用耐熱鋼管替代不銹鋼保護(hù)管;②防止還原性氣體深入,可采用復(fù)合管型實(shí)體熱電偶。

       另外,熱電偶存在零點(diǎn)漂移的問題,而且漂移方向均為負(fù)偏差。在工業(yè)生產(chǎn)中,稍不注意就會(huì)發(fā)生工件過燒的質(zhì)量事故,所以熱電偶要嚴(yán)格按照檢定周期進(jìn)行周期檢定。熱電偶檢定應(yīng)嚴(yán)格按照國家檢定規(guī)程進(jìn)行。

2.5正確的安裝

熱電偶的安裝一般在產(chǎn)品說明書中均有介紹。因?yàn)闊犭娕紲y溫的感溫部分是“感溫點(diǎn)”,為了保證測量結(jié)果的真實(shí)可靠,在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)多注意以下幾方面:

①熱電偶安裝的位置應(yīng)盡可能靠近預(yù)測的溫度控制點(diǎn),使其測量端與被測介質(zhì)充分接觸,遠(yuǎn)離強(qiáng)磁場和強(qiáng)電場。

②熱電偶應(yīng)有足夠的插入深度,最少不小于熱電偶保護(hù)套管的外徑的10倍。接線盒不可與被測介質(zhì)容器壁或管壁接觸。

③當(dāng)被測介質(zhì)具有負(fù)壓時(shí),熱電偶安裝必須密封,以免影響測量的準(zhǔn)確性。

④熱電偶的安裝位置應(yīng)盡量保持垂直,防止保護(hù)管在高溫下產(chǎn)生變形。但在有流速的情況下,熱電偶必須傾斜安裝,傾斜45°為佳,且與介質(zhì)流動(dòng)方向相逆,并盡量安裝在管道的彎曲處。需要水平安裝的熱電偶,應(yīng)有耐火磚或耐熱金屬支架支撐,防止保護(hù)套管受熱變形或受碰撞而折斷。

3結(jié)束語

       綜上所述,通過介紹熱電偶使用中的問題和解決辦法,初步探討了熱電偶的正確使用,為獲得精確的測量溫度提供了可靠的保證。而使用熱電偶進(jìn)行測溫和控溫時(shí)會(huì)遇到很多問題,涉及多方面,需要引起注意。