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溫度傳感器1熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)熱電偶傳感器2熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,溫度是需要測(cè)量和控制的重要參數(shù)之一。特點(diǎn):在溫度測(cè)量中,熱電偶的應(yīng)用極為廣泛,它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、測(cè)量范圍廣、精度高、慣性小和輸出信號(hào)便于遠(yuǎn)傳等許多優(yōu)點(diǎn)。另外,測(cè)量時(shí)不需外加電源,使用十分方便,所以常被用作測(cè)量爐子、管道內(nèi)的氣體或液體的溫度及固體的表面溫度。3熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)熱電偶(thermocouple)是溫度測(cè)量?jī)x表中常用的測(cè)溫元件,它直接測(cè)量溫度,并把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào),通過(guò)電氣儀表(二次儀表)轉(zhuǎn)換成被測(cè)介質(zhì)的溫度。溫度熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào)溫度顯示熱電偶儀器儀表4熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)熱電偶測(cè)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(dāng)兩端存在溫度差時(shí),回路中就會(huì)有電流通過(guò),此時(shí)兩端之間就存在電動(dòng)勢(shì)。5熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)銅絲鐵絲6熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)0.007熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)0.118熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)-0.119熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)10熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)熱電偶測(cè)溫原理1.熱電效應(yīng)兩種不同材料的導(dǎo)體組成一個(gè)閉合回路時(shí),若兩接點(diǎn)溫度不同,則在該回路中會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱電效應(yīng),該電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為熱電勢(shì)。11熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)熱電偶回路熱電偶回路產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)由接觸電動(dòng)勢(shì)和溫差電動(dòng)勢(shì)兩部分組成。12熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)當(dāng)A,B兩種不同導(dǎo)體接觸時(shí),兩種金屬A、B的自由電子密度不同分別為nA和nB(設(shè)nA>nB)。當(dāng)兩種金屬相接時(shí),將產(chǎn)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象。達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí),在A、B之間形成穩(wěn)定的電位差,即接觸電勢(shì)eAB(t)。兩種導(dǎo)體的接觸電勢(shì)示意圖兩種導(dǎo)體的接觸電勢(shì)13熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)接觸電動(dòng)勢(shì)的大小與接點(diǎn)處溫度高低和導(dǎo)體的電子密度有關(guān)。

溫度越高,接觸電動(dòng)勢(shì)越大;兩種導(dǎo)體電子密度的比值越大,接觸電動(dòng)勢(shì)越大。14熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)對(duì)于單一導(dǎo)體,如果兩端溫度分別為T(mén)、TO,且T>TO。單一導(dǎo)體溫差電勢(shì)示意圖

導(dǎo)體中的自由電子,在高溫端具有較大的動(dòng)能,因而向低溫端擴(kuò)散,在導(dǎo)體兩端產(chǎn)生了電勢(shì)。15熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)

熱電偶回路總熱電勢(shì):EAB(T,TO)=eAB(T)+eB(T,TO)-eAB(TO)-eA(T,TO)式中:eAB(T):熱端接觸電勢(shì);eB(T,TO):B導(dǎo)體溫差電勢(shì);eAB(TO):冷端接觸電勢(shì);eA(T,TO):A導(dǎo)體溫差電勢(shì)。16熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)

在總電勢(shì)中,溫差電勢(shì)比接觸電勢(shì)小很多,可忽略不計(jì),則熱電偶的熱電勢(shì)可表示為

EAB(T,TO)=eAB(T)-eAB(TO)顯然,熱電動(dòng)勢(shì)的大小與組成熱電偶的導(dǎo)體材料和兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)。

17熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)當(dāng)熱電偶兩電極材料確定后,熱電動(dòng)勢(shì)便只是兩接點(diǎn)溫度的函數(shù)。當(dāng)參考端溫度TO恒定時(shí),EAB(TO)=c為常數(shù),則總的熱電勢(shì)就只與溫度T有關(guān)系,即:

EAB(T,TO)=eAB(T)-c

=f(T)實(shí)際應(yīng)用時(shí)可通過(guò)熱電偶分度表查出溫度值。分度表是在參考端溫度為00C時(shí),通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立的熱電勢(shì)與工作端溫度之間的數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系。EAB(T,TO)=eAB(T)-eAB(TO)18熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)19熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)20熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)可見(jiàn)當(dāng)冷端溫度t0恒定時(shí),熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)只與熱端的溫度有關(guān),即只要測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì),便可確定熱端的溫度t。由此得到有關(guān)熱電偶的幾個(gè)結(jié)論:(1)熱電偶必須采用兩種不同材料作為電極,否則無(wú)論導(dǎo)體截面如何、溫度分布如何,回路中的總熱電動(dòng)勢(shì)恒為零。(2)若熱電偶兩接點(diǎn)溫度相同,盡管采用了兩種不同的金屬,回路總電動(dòng)勢(shì)恒為零。(3)熱電偶回路總熱電動(dòng)勢(shì)的大小只與材料和接點(diǎn)溫度有關(guān),與熱電偶的尺寸、形狀無(wú)關(guān)。EAB(T,TO)=eAB(T)-eAB(TO)沒(méi)有小結(jié)的小結(jié)21熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)

熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)與溫度的關(guān)系表,稱(chēng)之為分度表。

熱電偶(包括后面要介紹的金屬熱電阻及測(cè)量?jī)x表)分度表是IEC(國(guó)際電工委員會(huì))發(fā)表的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(國(guó)際溫標(biāo))。

該標(biāo)準(zhǔn)以表格的形式規(guī)定各種熱電偶/阻在-271℃~2300℃每一個(gè)溫度點(diǎn)上的輸出電動(dòng)勢(shì)(參考端溫度為0℃)。分度表22熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)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(méi)有統(tǒng)一的分度表,主要用于某些特殊場(chǎng)合的測(cè)量。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶:熱電偶和熱電阻全部按IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)。23熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶/阻命名統(tǒng)一代號(hào),稱(chēng)為分度號(hào)。我國(guó)指定S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。

常用的4種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶絲材料為鉑銠10-鉑、鉑銠30-鉑銠6、鎳鉻-銅鎳、鎳鉻-鎳硅(我國(guó)通常稱(chēng)為鎳鉻-康銅)。

組成熱電偶的兩種材料,寫(xiě)在前面的為正極,寫(xiě)在后面的為負(fù)極。24熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)1)鉑銠10-鉑熱電偶(分度號(hào)為S,也稱(chēng)為單鉑銠熱電偶)

特點(diǎn)是性能穩(wěn)定,精度高,范圍較大、抗氧化性強(qiáng),長(zhǎng)期使用溫度可達(dá)1000℃,成本較高,熱電動(dòng)勢(shì)較弱。2)鉑銠13-鉑熱電偶(分度號(hào)為R,也稱(chēng)為單鉑銠熱電偶)

同S型相比,它的熱電動(dòng)勢(shì)率大15%左右,其它性能幾乎相同。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶材料和種類(lèi)25熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)3)鉑銠30-鉑銠6熱電偶(分度號(hào)為B,也稱(chēng)為雙鉑銠熱電偶)

在室溫下,其熱電動(dòng)勢(shì)很小,故在測(cè)量時(shí)一般不用補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn),可忽略冷端溫度變化的影響。

長(zhǎng)期使用溫度為1600℃,短期為1800℃,因熱電動(dòng)勢(shì)較小,故需配用靈敏度較高的顯示儀表。

即使在還原氣氛下,其壽命也是R或S型的10~20倍。缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴。26熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)4)鎳鉻-鎳硅(鎳鋁)熱電偶(分度號(hào)為K)

是抗氧化性較強(qiáng)的賤金屬熱電偶,可測(cè)量0~1300℃溫度。

熱電動(dòng)勢(shì)與溫度的關(guān)系近似線(xiàn)性、價(jià)格便宜、熱電動(dòng)勢(shì)大,是目前用量最大的熱電偶。5)銅-銅鎳熱電偶(分度號(hào)為T(mén))

價(jià)格便宜,使用溫度是-200~350℃。27熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)6)鐵-銅鎳熱電偶(分度號(hào)為J)

價(jià)格便宜,適用于真空、氧化或惰性氣氛中,溫度范圍為-200~800℃。7)鎳鉻-銅鎳熱電偶(分度號(hào)為E)

是一種較新的產(chǎn)品,裸露式結(jié)構(gòu)無(wú)保護(hù)管,價(jià)格比較便宜,在常用的熱電偶中,其熱電動(dòng)勢(shì)最大。適用于0~600℃溫度范圍。28熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)29熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)30熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)熱電偶的結(jié)構(gòu)形式和標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶1.普通型熱電偶普通型熱電偶一般由熱電極、絕緣套管、保護(hù)管和接線(xiàn)盒組成。普通型熱電偶按其安裝時(shí)的連接形式可分為固定螺紋連接、固定法蘭連接、活動(dòng)法蘭連接、無(wú)固定裝置等多種形式。凡是在兩個(gè)平面在周邊使用螺栓連接同時(shí)封閉的連接零件,一般都稱(chēng)為“法蘭”。

31熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)32熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)33熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)

絕緣套管:

熱電偶的工作端被焊接在一起,熱電極之間需要用絕緣套管保護(hù)。

通常測(cè)量溫度在1000℃以下選用粘土質(zhì)絕緣套管,

在1300℃以下選用高鋁絕緣套管,

在1600℃以下選用剛玉絕緣套管。34熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)

保護(hù)管:

保護(hù)管的作用是使熱電偶電極不直接與被測(cè)介質(zhì)接觸。

它不僅可延長(zhǎng)熱電偶的壽命,

還可起到支撐和固定熱電極,增加其強(qiáng)度的作用。

材料主要有金屬和非金屬兩類(lèi)。35熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)2.鎧裝熱電偶(纜式熱電偶)鎧裝熱電偶也稱(chēng)纜式熱電偶,是將熱電偶絲與電熔氧化鎂絕緣物溶鑄在一起,外表再套不銹鋼管等構(gòu)成。這種熱電偶能彎曲、耐高壓、反應(yīng)時(shí)間短、堅(jiān)固耐用。36熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)37熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)1-熱電極;2-絕緣材料;3-金屬套管;4-接線(xiàn)盒;5-固定裝置鎧裝熱電偶示意圖38熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)3.薄膜熱電偶用真空鍍膜技術(shù)或真空濺射等方法,將熱電偶材料沉積在絕緣片表面而構(gòu)成的熱電偶稱(chēng)為薄膜熱電偶。適用于對(duì)壁面溫度的快速測(cè)量。薄膜熱電偶示意圖(0.01~0.1μm)39熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)熱電偶選型依據(jù)40熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)熱電偶選型依據(jù)熱電偶型號(hào)如何選定及注意事項(xiàng)

熱電偶選型關(guān)注點(diǎn)通常為:型號(hào)、分度號(hào)、防爆等級(jí)、精度等級(jí)、裝固定形式、保護(hù)管材質(zhì)、長(zhǎng)度或插入深度等,同時(shí),在選型時(shí)應(yīng)注意一下幾個(gè)方面:(1)熱電偶的測(cè)量精度和溫度測(cè)量范圍;(2)熱電偶的耐久性及熱響應(yīng)時(shí)間;(3)熱電偶的使用環(huán)境;(4)測(cè)量介質(zhì)的情況;(5)參考相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行選型;熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)(1)熱電偶的測(cè)量精度和溫度測(cè)量范圍,測(cè)量溫度高于1800℃時(shí),通常選用鎢錸熱電偶;在1300~1800℃之間,要求精度又比較高時(shí),一般選用B型熱電偶;使用溫度在1000~1300℃要求精度又比較高可用S型熱電偶和N型熱電偶;在1000℃以下一般用K型熱電偶和N型熱電偶;低于400℃一般用E型熱電偶;0-250℃測(cè)量一般用T型電偶,在低溫時(shí)T型熱電偶穩(wěn)定而且精度高。

上述選型僅僅考慮了測(cè)量溫度范圍和測(cè)量精度,最終選型還應(yīng)該綜合考慮其他因素。42熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)(2)熱電偶的耐久性及熱響應(yīng)時(shí)間。通常線(xiàn)徑大的熱電偶耐久性好,但是熱電偶熱響就會(huì)長(zhǎng)。對(duì)于熱容量大的熱電偶,響應(yīng)較慢,測(cè)量梯度大的溫度時(shí);因而,作為溫度控制應(yīng)用時(shí),控制響應(yīng)速度較慢,控溫效果較差。

如果應(yīng)用對(duì)耐久性和熱響應(yīng)時(shí)間有較高的要求,推薦選用鎧裝熱電偶,它具有安裝簡(jiǎn)單、精度高、測(cè)量范圍大、經(jīng)濟(jì)效益好等很多優(yōu)點(diǎn)。43熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)(3)熱電偶的使用環(huán)境。如果熱電偶保護(hù)管密封性能比較好,當(dāng)然就對(duì)這方面不太有要求。一般來(lái)說(shuō)B型、S型、K型熱電偶適合于強(qiáng)的氧化和弱的還原氣氛中使用,J型和T型熱電偶適合于弱氧化和還原氣氛環(huán)境中44熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

GB26786-2011《工業(yè)熱電偶和熱電阻隔爆技術(shù)條件》GB/T4990-2010《熱電偶用補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)合金絲》GB/T2904-2010《鎳鉻-金鐵、銅-金鐵低溫?zé)犭娕冀z》GB/T2614-2010《鎳鉻-鎳硅熱電偶絲》GB/T4993-2010《鎳鉻-銅鎳(康銅)熱電偶絲》GB/T18034-2000《微型熱電偶用鉑銠細(xì)偶絲規(guī)范》GB/T17615-1998《鎳鉻硅-鎳硅鎂熱電偶絲》GB/T2903-1998《銅-銅鎳(康銅)熱電偶絲》GB/T4994-1998《鐵-銅鎳(康銅)熱電偶絲》GB/T16839.1-1997《熱電偶第1部分:分度表》GB/T16839.2-1997《熱電偶第2部分:允差》GB/T4989-1994《熱電偶用補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)》

JB/T9283-1993《工業(yè)熱電偶技術(shù)條件》熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)46熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)47熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)熱電偶參數(shù)分析及選型(例)在陶瓷產(chǎn)品的燒制過(guò)程中,溫度的控制極其重要。傳統(tǒng)的陶瓷燒制,會(huì)有一個(gè)專(zhuān)門(mén)的掌火師傅負(fù)責(zé)整個(gè)陶瓷燒制過(guò)程溫度的控制。這種掌火師傅往往需要幾十年才能培養(yǎng)出一個(gè),這不僅需要經(jīng)驗(yàn)的積累,更需要天賦?,F(xiàn)代,即使在景德鎮(zhèn),這種傳統(tǒng)掌火師傅已經(jīng)寥寥無(wú)幾?,F(xiàn)代工藝的陶瓷燒制都是靠先進(jìn)的自動(dòng)化設(shè)備來(lái)進(jìn)行控溫。這些設(shè)備通過(guò)測(cè)量外爐壁的溫度來(lái)能判斷爐內(nèi)溫度。陶瓷燒制爐外爐壁的表面溫度大概為幾十?dāng)z氏度到1000℃之間。 (選擇一款熱電偶溫度傳感器測(cè)量陶瓷燒制外爐壁表面溫度。)

熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)49熱電偶的基本原理和組成結(jié)構(gòu)查閱相關(guān)資料,WRN-122鎳鉻-鎳硅

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