熱電偶在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

./《熱工儀表》論文題目：熱電偶在工業(yè)企業(yè)中的應(yīng)用綜述學(xué)院：冶金與能源工程學(xué)院專業(yè)：熱能與動(dòng)力工程姓名：闞世朋學(xué)號(hào)：201110202136年級(jí)：2011級(jí)班級(jí)：動(dòng)力111熱電偶在工業(yè)企業(yè)中的應(yīng)用綜述[摘要]熱電偶是溫度測(cè)量中應(yīng)用最廣泛的溫度器件。他的主要特點(diǎn)就是測(cè)溫范圍寬,性能比較穩(wěn)定,同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,動(dòng)態(tài)響應(yīng)好,便于自動(dòng)控制和集中控制。文章主要介紹了熱電偶的結(jié)構(gòu)及其工作原理、應(yīng)用現(xiàn)狀、應(yīng)用前景,分析探討熱電偶的發(fā)展趨勢(shì)。Abstract:Thermocoupleisthemostwidelyusedintemperaturemeasuringthetemperatureofthedevice.Hismaincharacteristicisthewidetemperaturerange,stableperformance,atthesametime,simplestructure,gooddynamicresponse,easytoautomaticcontrolandcentralizedcontrol.Thispapermainlyintroducesthestructureandworkingprincipleofthermocouple,applicationstatus,applicationprospect,analyzethedevelopmenttrendofthermocouple.[關(guān)鍵詞]熱電偶結(jié)構(gòu)原理應(yīng)用前景前言：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,熱電偶已成為目前溫度測(cè)量領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的溫度元件之一。熱電偶是一種感溫原件,它直接測(cè)量溫度,直接把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào),隨后通過電氣儀表轉(zhuǎn)換成被測(cè)介質(zhì)的溫度。其主要優(yōu)點(diǎn)是：測(cè)量溫度范圍廣,可以在1k到2800℃的廣泛溫度領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行測(cè)量,性能穩(wěn)定,準(zhǔn)確可靠。此外,還有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,熱慣性小,動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快,信號(hào)能夠遠(yuǎn)距離傳送和多點(diǎn)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn),便于實(shí)現(xiàn)集中檢測(cè)與控制。因此,在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域中廣泛地應(yīng)用熱電偶來測(cè)量溫度。一．熱電偶的工作原理與分類1.熱電偶的工作原理任意兩種材質(zhì)不同的金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體〔稱為熱電偶絲材或熱電極A和B首尾連接成閉合回路,只要兩接點(diǎn)T1和T2的溫度不同,就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì),形成熱電流,這就是熱電效應(yīng)。而這種電動(dòng)勢(shì)稱為熱電勢(shì)。熱電偶就是利用這種原理進(jìn)行溫度測(cè)量的,其中,直接用作測(cè)量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端〔也稱為測(cè)量端,另一端叫做冷端〔也稱為補(bǔ)償端；冷端與顯示儀表或配套儀表連接,顯示儀表會(huì)指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)。熱電偶實(shí)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(shì)測(cè)量溫度.熱電偶原理圖對(duì)于熱電偶的熱電勢(shì),應(yīng)注意如下幾個(gè)問題：〔1熱電偶的熱電勢(shì)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(shì)的大小,當(dāng)熱電偶的材料是均勻時(shí),與熱電偶的長(zhǎng)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(dāng)熱電偶的兩個(gè)熱電偶絲材料成份確定后,熱電偶熱電勢(shì)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(jìn)熱電偶的熱電勢(shì)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(gè)閉合回路,如圖所示。當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個(gè)執(zhí)著點(diǎn)1和2之間存在溫差時(shí),兩者之間便產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),因而在回路中形成一個(gè)大小的電流,這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來工作的。2.熱電偶的分類一般國內(nèi)真空熱處理爐選用的熱電偶的類型為：PT100鉑電阻、K型熱電偶、N型熱電偶及S型熱電偶。而國外的不同之處在于高溫段選用的熱電偶有所不同,新增加了B型熱電偶與R型熱電偶?！?PT100鉑電阻PT100鉑電阻表示在0℃時(shí),其阻值為100歐姆。隨著溫度的上升它的阻值成勻速增長(zhǎng),根據(jù)阻值的變化來測(cè)定其溫度的變化。PT100鉑電阻在真空熱處理爐上的應(yīng)用比較少,在測(cè)量水溫、油溫的時(shí)候會(huì)用到,一般使用溫度為0~300℃。〔2K型熱電偶K型熱電偶的學(xué)名為鎳鉻-鎳硅熱電偶。K型熱電偶的優(yōu)點(diǎn)是：在準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性、均勻性等方面較好,價(jià)格便宜。其缺點(diǎn)是300~500℃和800℃左右兩個(gè)區(qū)間電動(dòng)勢(shì)不穩(wěn)定。K型熱電偶是一種廉金屬熱電偶,使用測(cè)量范圍0~1200℃,長(zhǎng)期使用溫度為1100℃左右,短期為1200℃?！?N型熱電偶N型熱電偶的學(xué)名為鎳鉻硅-鎳鉻熱電偶。N型熱電偶的優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性、均勻性等各方面較好,價(jià)格便宜,同時(shí)克服了K型熱電偶在300~500℃和800℃左右兩個(gè)區(qū)間電動(dòng)勢(shì)不穩(wěn)定。N型熱電偶也是一種廉金屬熱電偶,測(cè)量范圍0~1200℃,長(zhǎng)期使用溫度為1100℃左右,短期為1200℃?！?S型熱電偶S型熱電偶就是我們通常所說的鉑銠熱電偶,學(xué)名為鉑銠10-鉑熱電偶。S型熱電偶在真空熱處理爐中常用的溫度為800~1300℃,這也是S型熱電偶測(cè)量精度最高的溫區(qū)。而在800℃以下測(cè)溫精度不高,1300℃以上熱電偶容易損壞。S型熱電偶的優(yōu)點(diǎn)是：準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好、測(cè)量溫區(qū)寬、使用壽命長(zhǎng)等；缺點(diǎn)是：價(jià)格昂貴,對(duì)污染非常敏感。〔5R型熱電偶R型熱電偶的學(xué)名為鉑銠13-鉑熱電偶。R型熱電偶長(zhǎng)期使用溫度為1300~1500℃,短期可達(dá)到1600℃。R型熱電偶的優(yōu)點(diǎn)是：準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)；缺點(diǎn)是：價(jià)格昂貴、對(duì)污染敏感。〔6B型熱電偶B型熱電偶的學(xué)名為鉑銠30-鉑銠6熱電偶。B型熱電偶長(zhǎng)期使用溫度為1300-1600℃,短期可達(dá)到1800℃。B型熱電偶的優(yōu)點(diǎn)是：不需要用特殊的補(bǔ)償導(dǎo)線、準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好、測(cè)溫上限高、壽命長(zhǎng)；缺點(diǎn)是：價(jià)格昂貴,對(duì)污染靈敏。為了更好地對(duì)比各種類型的熱電偶,我們可以做出下面的表格,以便更加清晰地認(rèn)識(shí)到各種熱電偶,如表1所示。工業(yè)用熱電偶作為溫度測(cè)量?jī)x表,通常用來和顯示儀、記錄儀等配套使用,以直接測(cè)量各種生產(chǎn)過程中從0e~+1800e范圍內(nèi)的液體、蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體表面的溫度。并可根據(jù)用戶的要求做成鎧裝、裝配、防爆等適合多種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室要求的產(chǎn)品。1.熱電偶的分度號(hào)與測(cè)溫范圍的關(guān)系<見表1>二．應(yīng)用現(xiàn)狀1.在機(jī)械行業(yè)中的典型應(yīng)用機(jī)械行業(yè)的大型熱處理爐的溫度均勻性測(cè)量非常重要,是決定爐子是否合格、所處理的工件是否合格的前提條件,急需一種測(cè)溫高的同時(shí)柔韌性好、測(cè)溫精度高、可靠性高的熱電偶。比如飛機(jī)機(jī)翼等大型部件,整體進(jìn)行熱處理時(shí),在幾百立方米的加熱空間里,要求溫度均勻性不超過±6℃〔二等爐子,而且為了適應(yīng)為波音、空客生產(chǎn)配套零部件的需要,在校準(zhǔn)測(cè)試或系統(tǒng)精度測(cè)試中還要求使用特1級(jí)測(cè)溫精度的廉金屬熱電偶〔即±1.1℃或0.4%。以前這些企業(yè)普遍采用玻璃纖維或陶瓷纖維編織絕緣,或裸偶絲穿瓷柱絕緣的軟體K型熱電偶測(cè)試,經(jīng)常因?yàn)槟蜏匦曰蛉犴g性或測(cè)溫精度等問題,難以滿足測(cè)試需要。單芯鎧裝熱電偶原本就是針對(duì)航空企業(yè)的大型熱處理爐的溫度均勻性測(cè)試開始研制的,不僅完全滿足了大型熱處理爐的溫度均勻性需要,而且開創(chuàng)了一種全新結(jié)構(gòu)的通用熱電偶。再如大型水壓機(jī)熱鍛,鍛件重達(dá)幾百噸,退火時(shí)測(cè)溫點(diǎn)有二十多個(gè),每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)長(zhǎng)達(dá)20米,每個(gè)加熱周期二十余天,其中還伴有噴水冷卻,使用溫度高達(dá)1000℃。以前使用高溫合金套管的Φ6鎧裝K型熱電偶,因?yàn)樘膊僮鳂O不方便,經(jīng)常一個(gè)周期不到就因?yàn)殚_裂或折斷或斷路而導(dǎo)致測(cè)溫失效。使用高溫合金套管的Φ3.0單芯鎧裝K型熱電偶,安裝方便,測(cè)溫精度高可靠性高,得到了用戶的一致好評(píng)。2.在熱電偶生產(chǎn)企業(yè)中的應(yīng)用單芯鎧裝熱電偶是一種通用熱電偶,以前使用熱電偶的場(chǎng)合絕大多數(shù)都可以使用單芯鎧裝熱電偶,具有鎧裝熱電偶電纜生產(chǎn)能力的企業(yè)都可以生產(chǎn)單芯鎧裝熱電偶,具有熱電偶生產(chǎn)能力的企業(yè)也可以通過購買單芯鎧裝熱電偶電纜生產(chǎn)單芯鎧裝熱電偶。制造單芯鎧裝熱電偶電纜時(shí),不用擔(dān)心同極或正負(fù)極打絞,也幾乎不用擔(dān)心不合格,與常規(guī)鎧裝熱電偶電纜的生產(chǎn)過程、工藝方法和設(shè)備工裝一樣,不需另外投資設(shè)備即可大批量生產(chǎn)。我國第一家批量生產(chǎn)鎧裝熱電偶電纜的XX川儀,雖然是從日本引進(jìn)全套設(shè)備和技術(shù),鎧裝熱電偶電纜的平均合格率也不超過90%。同等條件下如果生產(chǎn)單芯鎧裝熱電偶,合格率至少達(dá)到99%,僅合格率提高一項(xiàng)每年即可減少損失100萬元以上。單芯鎧裝熱電偶不僅可輕易實(shí)現(xiàn)Ⅰ級(jí)精度,還可大量達(dá)到特Ⅰ級(jí)精度〔±1.1℃或0.4%。3.在熱電偶使用大戶中推行自行加工和重復(fù)利用鎧裝熱電偶的制作難點(diǎn)就在測(cè)量端的焊接,由于偶絲較細(xì),既要焊牢又不過燒,φ1.5以下甚至要在顯微鏡下才能操作,這對(duì)操作者的要求很高,給質(zhì)量控制和產(chǎn)品可靠性都帶來不利。單芯鎧裝熱電偶的偶芯直徑粗,是套管壁厚的2倍,普通焊工即能焊好,不會(huì)出現(xiàn)虛焊、假焊、過燒等常見的加工缺陷,解決了常規(guī)鎧裝熱電偶的"細(xì)徑難焊"問題,且柔韌性好,有利于單芯鎧裝熱電偶的使用和重復(fù)利用。對(duì)于較長(zhǎng)的單芯鎧裝熱電偶,測(cè)量端損壞后,使用者可剪掉燒壞部分,重新焊接測(cè)量端后即可繼續(xù)使用。用戶也可直接購買單芯鎧裝熱電偶材料,自己焊接測(cè)量端和制作接線端。所以說單芯鎧裝熱電偶實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)易熱電偶方法,方便了使用單位自制熱電偶。三．應(yīng)用前景分析1.熱電偶的市場(chǎng)總量分析熱電偶屬于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)用溫度儀表,在所有檢測(cè)與控制儀表中使用最普遍、使用量最大；屬于易消耗品,使用壽命長(zhǎng)的幾年,短的只有幾天甚至幾小時(shí)。絕大多數(shù)企業(yè)都需要熱電偶測(cè)溫,使用多的每年上百萬元,少則幾千元,主要集中在化工、冶金、機(jī)械、電力、建材等行業(yè)。粗略統(tǒng)計(jì)國內(nèi)熱電偶年需求量約20億元,其中裝配熱電偶約占30%、鎧裝熱電偶約占50%、特種熱電偶約占20%。2007年中國儀器儀表行業(yè)協(xié)會(huì)有會(huì)員915家,其中溫度儀表專業(yè)約80家。全國現(xiàn)有熱電偶生產(chǎn)企業(yè)約200家,其中年產(chǎn)值在3000萬元以上的約20余家,主要是溫度儀表行業(yè)的理事單位,熱電偶銷售總量在10億元左右；年產(chǎn)值在1000萬元左右的約60家,大多是以生產(chǎn)熱電偶為主的新興民營(yíng)企業(yè)；年產(chǎn)值在500萬元以下的有100多家,大多是跟風(fēng)生產(chǎn)的企業(yè)。XX有20多家熱電偶生產(chǎn)企業(yè),是全國最重要的熱電偶生產(chǎn)基地,如川儀十七廠、材料研究所、迪洋儀表、長(zhǎng)江儀表、大正儀表、五通儀表、川儀一廠、熱工儀表、力川儀表、同創(chuàng)儀表、大清儀表、歐德儀表、蓋德儀表、長(zhǎng)川儀表、巨騰儀表、博格儀表等,熱電偶的年總產(chǎn)值在3億元左右。2.單芯鎧裝熱電偶的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能以常規(guī)鎧裝熱電偶的性價(jià)系數(shù)為1,根據(jù)各主要性能指標(biāo)在熱電偶使用中表現(xiàn)出的重要度或影響度,確定單芯鎧裝熱電偶的性價(jià)系數(shù),各項(xiàng)性價(jià)系數(shù)的乘積就是單芯鎧裝熱電偶比較常規(guī)鎧裝熱電偶的性價(jià)比,列表計(jì)算見表2。可見,單芯鎧裝熱電偶的性價(jià)比是常規(guī)鎧裝熱電偶的2倍以上。

2009年以來的金融危機(jī)對(duì)我國儀表構(gòu)成的應(yīng)戰(zhàn),特殊是熱電偶溫度儀表,至今仍有宏大的影響。將來的若干年,我國熱電偶的開展趨向是每一個(gè)從事熱電偶任務(wù)的指導(dǎo)、工程技能人員和治理人員非常存眷的。

在當(dāng)今中國熱電偶市場(chǎng)中,一些中小型裝配熱電偶企業(yè)很多制造通俗規(guī)范件,并沒有真正為企業(yè)帶來中心競(jìng)爭(zhēng)力,反而受制于原資料、人力本錢等前提的轉(zhuǎn)變,從4.8級(jí)到6.8級(jí)低強(qiáng)度,或8.8級(jí)到12.9級(jí)高強(qiáng)度熱電偶,歸納綜合為等級(jí)低次的產(chǎn)物充滿著主導(dǎo)市場(chǎng),缺乏效勞在價(jià)值鏈中的增值化,出產(chǎn)進(jìn)程及設(shè)備的柔性化,產(chǎn)物和制造進(jìn)程的綠色化,更別談從技能效勞到處理機(jī)械緊固方案,完成產(chǎn)物、設(shè)計(jì)、制造和治理的數(shù)字化了。

2011年熱電偶全行業(yè)的總產(chǎn)量到達(dá)680萬噸,同比增進(jìn)9.7%,發(fā)賣收入到達(dá)660億元,同比增進(jìn)10%,再次創(chuàng)出行業(yè)前史上的新高點(diǎn)。雖然我國熱電偶出產(chǎn)總量和規(guī)劃早已位居世界首位,但財(cái)產(chǎn)實(shí)力和競(jìng)爭(zhēng)力與世界前列的同業(yè)業(yè)比擬另有很大差距,"大而不強(qiáng)"、"胖而不壯"仍是常常用來描述我國熱電偶的詞語。在我國新型工業(yè)化的歷程中,在國民經(jīng)濟(jì)"十二五"開展的大格式中,我國熱電偶轉(zhuǎn)型晉級(jí)仍將有一個(gè)大的開展空間,但轉(zhuǎn)型晉級(jí)的義務(wù)非常艱難。"十二五"是我國耐磨熱電偶轉(zhuǎn)型晉級(jí)的要害期間,在此時(shí)期,熱電偶必需在由大變強(qiáng)的進(jìn)程中邁出堅(jiān)實(shí)的一步。

四．結(jié)論熱電偶是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的測(cè)溫元件并且在工業(yè)生產(chǎn)中的重要性是無可比擬的,正是由于它們的應(yīng)用使我們的生產(chǎn)變得更加地方便、快捷、精確。尤其對(duì)于N型熱電偶來說,由于它的穩(wěn)定性好,精確度高等原因,已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中逐漸代替K型熱電偶,所以N