溫度計量熱電偶

一、塞貝克效應(yīng)
　　1821年，德國物理學(xué)家托馬斯.約翰.塞貝克將兩種不同的金屬導(dǎo)線首尾相連接在--起，構(gòu)成一個回路。他突然發(fā)現(xiàn),如果把其中的一個接點加熱而另一個接點保持低溫的話,回路中便出現(xiàn)電流,存在著熱電動勢。他實在不敢相信，熱量施加于兩種金屬構(gòu)成的一個接點時會有電流產(chǎn)生,這就是塞貝克效應(yīng),也叫熱電效應(yīng),如圖1所示。
 
二、熱電偶的工作原理
　　將兩種不同的金屬導(dǎo)體焊接在一起,構(gòu)成閉合回路，如在焊接端(也稱測量端)加熱,將另一端(即參考端)溫度保持一定(一般為0℃),那么回路的熱電動勢則會成為測量端溫度的單值函數(shù)。這種以測量熱電動勢的方法來測量溫度的元件，即兩種成對的金屬導(dǎo)體,稱為熱電偶。
　　熱電偶是溫度測量中常用的測溫元件，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℃時得到的,不同的熱電偶具有不同的分度表。熱電偶的熱電勢將隨著測量端溫度升高而增長,它的大小只與熱電偶材料和兩端的溫度有關(guān)，與熱電極的長度、直徑無關(guān)。各種熱電偶如圖2所示。
 
在熱電偶的應(yīng)用中，存在著均質(zhì)導(dǎo)體定;律、中間導(dǎo)體定律、參考;電極定律、連接導(dǎo)體定律和中間溫度定律等。
三、熱電偶的技術(shù)性能和類別
　　熱電偶的測量范圍寬廣，一般可以從-200℃~1300℃，最大范圍可以從-270℃~2800℃,裝配簡單、更換方便、抗震性能好、機械強度高、耐壓性能好。
　　常用熱電偶可分為標準系列熱電偶和非標準系列熱電偶兩大類。所謂標準系列熱電偶是指國家標準規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、最大允許誤差,并有統(tǒng)一的標準分度表的熱電偶。非標準化系列熱電偶在使用范圍、數(shù)量上均不及標準化熱電偶,一般也沒有統(tǒng)一的分度表,主要用于某些特殊場合的.測量。我國從1988年1月1日起,熱電偶全部按IEC國際標準生產(chǎn),并指定S、B、E、K、RJ、T、N8種標準化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計型熱電偶。標準系列熱電偶如表1所示。
 
　　從理論上講,任何兩種不同導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)都可以配制成熱電偶，但是作為實用的測溫元件,對它的要求是多方面的。為了保證工程技術(shù)中的可靠性,以及足夠的測量精度,并不是所有材料都能組成熱電偶,-般對熱電偶的電極材料基本要求是:(1)在測溫范圍內(nèi)，熱電性質(zhì)穩(wěn)定，不隨時間而變化,有足夠的物理化學(xué)穩(wěn)定性,不易氧化或腐蝕;(2)電阻溫度系數(shù)小、導(dǎo)電率高、比熱小;(3)測溫中產(chǎn)生熱電勢要大,并且熱電勢與溫度之間呈線性或接近線性的單值函數(shù)關(guān)系;(4)材料復(fù)制性好、機械強度高、制造工藝簡單、價格便宜。
非標準系列熱電偶主要有鎢錸系、銥銠系鎳鉬系、鈀鉑系、鎳鉻-金鐵銀金-金鐵等熱電偶。
　　鎢錸熱電偶的測溫范圍為300℃~2000℃，可延續(xù)到2500℃,適宜在惰性氣體、氫氣或真空中使用,目前這種熱電偶已較普遍地用于高溫真空冶金和科學(xué)實驗中,如硬質(zhì)合金真空燒結(jié)過程中的溫度測量等。
　　鎳鉻-金鐵熱電偶在低溫區(qū)域有良好的特性,可用于0℃~-217℃的寬廣低溫區(qū)的測量。
　　快速微型熱電偶是一種特殊的熱電偶,這種熱電偶的特點是熱容量小、能快速反映被測物體的溫度,一般用于間斷測量鋼水等熔融金屬的溫度。當(dāng)溫度測出之后,熱電偶也已燒毀,故又稱為消耗型熱電偶。但這種熱電偶因其價格低廉、測量結(jié)果可靠、互換性好,目前已被廣泛使用。其他的特殊熱電偶還包括用于快速測溫或測量熱容量小的物體溫度的鎧裝熱電偶,用于測量固體表面溫度的表面熱電偶以及用于較高溫區(qū)、價格低廉的非金屬熱電偶等。
四、熱電偶測溫技術(shù)的最新發(fā)展
　　尋熱式熱電偶又稱連續(xù)熱電偶或熱偶式熱敏電纜，一種新型熱電偶。傳統(tǒng)的熱電偶在固定熱端(點)與固定冷端(點)之間產(chǎn)生熱.電勢。尋熱式熱電偶是利用熱電偶的熱電效應(yīng)，能夠連續(xù)自動產(chǎn)生其長度所及范圍內(nèi)(線)最高溫度與固定冷端(點)之間的熱電勢,是一種無固定熱接點的熱電偶。尋熱式熱電偶由熱電極、隔離材料和保護管三部分構(gòu)成。熱電極是一對平行的彼此隔開--定距離的導(dǎo)線，電極的分度號、材質(zhì)與標準化熱電偶相似,材料不同，熱敏電纜的熱電勢與溫度的關(guān)系亦不相同。熱電極之間緊密填充的隔離材料是用專門工藝制成的具有負溫度系數(shù)的熱敏電阻材料。低溫時隔離材料電阻很大,是一種絕緣體。隨著溫度的升高，隔離材料電阻急劇降低,熱敏電阻材料是制造尋熱式熱電偶的關(guān)鍵。尋熱式熱電偶最外層是鎧裝金屬保護管。
　　尋熱式熱電偶長度-般都在十幾米甚至幾十米，覆蓋面積大,可節(jié)約大量溫度傳感器和電測設(shè)備,如圖3所示尋熱式熱電偶外形。
 
　　由于尋熱式熱電偶的獨特功能,最初被發(fā)達國家作為高精技術(shù)產(chǎn)品鋪設(shè)在航空母艦和驅(qū)逐艦的艦艙以及軍用飛機等軍事設(shè)備中，目前已被廣泛應(yīng)用到化工、機械、能源、通信、電力、食品、印刷、倉儲等大面積、大范圍、大空間場所以及危險區(qū)域內(nèi)發(fā)熱、過熱現(xiàn)象的監(jiān)測、預(yù)警等,如圖4所示尋熱式熱電偶的應(yīng)用。