熱電偶的使用和選型探析

【摘要】熱電偶是溫度計(jì)量中常用的測溫元件，為了實(shí)現(xiàn)正確的測溫，合理選型，正確安裝熱電偶，并根據(jù)實(shí)際需要采取溫度補(bǔ)償措施非常必要，而且可以有效地防止和避免熱電偶傳感器的損壞，本文主要對熱電偶傳感器的選型和使用問題進(jìn)行了探討。
引言
      用熱電偶測量和校驗(yàn)熱處理設(shè)備，確保零件或原材料的熱處理符合相關(guān)熱處理工藝規(guī)范，合理的選型，正確的安裝熱電偶，并根據(jù)實(shí)際情況采用必要的溫度補(bǔ)償措施，不僅可以減少誤差，提高精度，確保檢測的溫度正確，而且可以有效地防止熱電偶損壞，節(jié)省系統(tǒng)的運(yùn)行成本，保證溫度計(jì)量的質(zhì)量。
1.幾種常用熱電偶傳感器的主要優(yōu)缺點(diǎn)和選型原則
1.1幾種常用的熱電偶的主要優(yōu)缺點(diǎn)
1.1.1S型熱電偶
      S型熱電偶為貴金屬熱電偶，它的長期高使用溫度為1300℃，短期高使用溫度為1600C，S型熱電偶在熱電偶系列中精度最高，穩(wěn)定性好，測溫溫區(qū)寬，使用壽命長，它的物理、化學(xué)性能良好，熱電勢穩(wěn)定性及在高溫下抗氧化性能好，適于氧化和惰性氣氛中，它的不足之處是熱電勢及電勢率較小，靈敏度低，高溫下機(jī)械強(qiáng)度差，對污染很敏感，材料昂貴。
1.1.2R型熱電偶
      R型熱電偶為貴金屬熱電偶，長期使用最高溫度為1300℃，短期使用最高溫度為1600℃，R型熱電偶的綜合性能與S型熱電偶相當(dāng)，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)R型熱電偶的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性比S型熱電偶好，R型熱電偶的不足之處;是熱電勢及熱電勢率較小，靈敏度低，高溫.下機(jī)械強(qiáng)度下降，對污染敏感，材料昂貴。
1.1.3B型熱電偶
      B型熱電偶為貴金屬熱電偶，長期使用最高溫度為1600℃，短期使用最高溫度為1800℃，精度高，穩(wěn)定性能好，測溫溫區(qū)寬，使用壽命長，測溫上限高，它還適宜用于氧化性和惰性氣氛中，也可短期用于真空中，但不適用于還原性氣氛或含有金屬或非金屬蒸汽氣氛中，參考端不用補(bǔ)償導(dǎo)線進(jìn)行補(bǔ)償，不足.之處是熱電勢及熱電勢率較小，靈敏度低，高溫下機(jī)械強(qiáng)度下降，抗污染能力差，材料昂貴。
1.1.4K型熱電偶
      K型熱電偶為廉金屬熱電偶，有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和均勻性較好，抗氧化性能強(qiáng)，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，能用于氧化性，惰性氣氛中，但不能直接在高溫下用于硫介質(zhì)中以及還原性或還原、氧化交替的氣氛中和真空中。
1.1.5N型熱電偶
      N型熱電偶為廉金屬熱電偶，線性度好，熱電動勢較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和均勻性較好，抗氧化性能強(qiáng)，價(jià)格便宜，不受短程有序化影響等優(yōu)點(diǎn)，其綜合性能優(yōu)于K型熱電偶，缺點(diǎn)是在高溫下不能直接用于硫介質(zhì)中以及還原性或還原、氧化交替的氣氛中.和真空中。
1.1.6E型熱電偶
      E型熱電偶為廉金屬熱電偶，電動勢之大，宜制成熱電堆，測量微小的溫度變化，對于高濕度氣氛的腐蝕不甚靈敏，宜于濕度較高的環(huán)境，缺點(diǎn)是不能直接在高溫下用于硫介質(zhì)及還原性氣氛中，熱電均勻性較差。
1.1.7J型熱電偶
      J型熱電偶是一種價(jià)格低廉的廉金屬熱電偶，線性度好，熱電動勢較大，靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性較好，價(jià)格便宜，可用于真空、氧化、還原和惰性氣氛中，但正極鐵在高溫下氧化較快，故使用溫度受到限制，不能無保護(hù)直接在高溫下用于硫化氣氛中。.
1.1.8T型熱電偶
      T型熱電偶是一種測量低溫的廉金屬熱電偶，具有線性度好，熱電動勢大，靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性好，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，特別是在-200~0℃溫區(qū)使用，穩(wěn)定性更好，年穩(wěn)定性小于+3uv,在低溫可作標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行低溫量值傳遞。缺點(diǎn)是正極銅在高溫下抗氧化性能差，上限溫度受到限制。
1.2熱電偶選型
1.2.1測量精度和溫度測量范圍的選擇
      使用溫度在(Mocrisoo)℃，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1000C以下一.般用K型熱電偶和N型熱電偶;低于400℃-般用E型熱電偶;25CTC以下以及負(fù)溫測量一般用T型熱電偶，在低溫時(shí)T型熱.電偶穩(wěn)定而且精度高。
1.2.2使用氣氛的選擇
      S型、B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，若使用氣密性比較好的保護(hù)管，對氣氛的要求就不太嚴(yán)格。
1.2.3耐久性及熱響應(yīng)性的選擇
      線徑大的熱電偶耐久性好，但響應(yīng)較慢--些,對于熱容量大的熱電偶，響應(yīng)就慢，測量梯度大的.溫度時(shí)，在溫度控制的情況下，控溫就差。要求響應(yīng)時(shí)間快又要求有一定的耐久性，選擇鎧裝偶比較合適。
2熱電偶在使用過程中引起的誤差
      熱電偶安裝不正確、絕緣變差、熱惰性和熱阻性等誤差，是熱電偶在使用過程中的主要誤差。
2.1安裝不當(dāng)引起的誤差
      安裝不當(dāng)引起的誤差是指熱電偶安裝的位置不合適，不能反映被測部位的真實(shí)溫度形成的誤差。通常，要盡量避免熱電偶安裝在靠近出口和加熱點(diǎn)的位置上;熱電偶的保護(hù)套管與壁間的間隔應(yīng)填充絕緣物質(zhì)，避免使熱溢出或冷空氣侵入;熱電偶保護(hù)管和測溫孔間的空隙應(yīng)用耐火泥或石棉繩等絕緣物質(zhì)堵塞以免冷熱空氣對流而影響測溫的正確性;熱電偶冷端太靠加熱點(diǎn)使溫度超過了100℃，導(dǎo)致冷端溫度處于非恒定，造成測量誤差偏大;熱電偶的安裝還應(yīng)避開強(qiáng)磁場和強(qiáng)電場，不應(yīng)把熱電偶和動力電纜線裝在同一根導(dǎo)管內(nèi)以免引起干擾造成誤差;熱電偶不應(yīng)安裝在被測介質(zhì)很少流動的區(qū)域內(nèi)，當(dāng)用熱電偶測量管內(nèi)氣體溫度時(shí)，必須使熱電偶逆著流速方向安裝，而且充分與氣體接觸。
2.2絕緣變差引入的誤差
      絕緣變差而引人的誤差是指熱電偶不絕緣了，通常，由于保護(hù)管拉線板污垢或鹽渣過多，導(dǎo)致熱電偶極間與爐膛間絕緣不良，此現(xiàn)象在高溫下更為嚴(yán)重，這不僅會引起熱電勢的損耗而且還會引入雜散干擾信號，由此引起的檢測誤差甚至可高達(dá)上百度。
2.3熱惰性引入的誤差
      熱惰性引入的誤差是指由于熱電偶的熱惰性使儀表的指示滯后于被測溫度的變化，通常稱其為測量滯后，在進(jìn)行快速測量和實(shí)時(shí)監(jiān)控時(shí)，這種影響尤為突出。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(shí)際爐溫的溫差也越大。當(dāng)用時(shí)間常數(shù)大的熱電偶測溫或控溫時(shí)，儀表顯示的溫度雖然波動很小，但實(shí)際爐溫的波動可能很大，也即是此時(shí)的誤差很大。為了正確的測量溫度，應(yīng)盡可能的選擇時(shí)間常數(shù)小的熱電偶，時(shí)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(shí)間常數(shù)，除要增加傳熱系數(shù)外，有效的辦法是減小熱端的尺寸，并盡量采用管壁較薄、內(nèi)徑較小，導(dǎo)熱性能好的材料制作的保護(hù)套管。當(dāng)實(shí)際環(huán)境許可或需要溫度測量時(shí)，也可直接除去:保護(hù)管，使用無保護(hù)管的裸絲熱電偶，但此時(shí)熱電偶容易損壞，應(yīng)注意檢查及更換。
2.4熱阻性誤差
      熱阻性誤差是指在高溫狀態(tài)下，如果熱電偶保.護(hù)管.上有覆蓋的灰塵，這必將導(dǎo)致熱電偶的熱阻性增加，阻礙熱能量的傳導(dǎo)，顯然，此時(shí)測的溫度值要比實(shí)際溫度值低，即因熱阻形成了誤差。因此，要注意保持熱電偶保護(hù)管外部的清潔，以減少熱阻性誤差的影響。.
3熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償方法
3.1熱電偶在使用時(shí)為什么要連接補(bǔ)償導(dǎo)線?
      熱電偶在現(xiàn)場測溫中它的參考端往往處于高溫?zé)嵩锤浇軣嵩吹挠绊憻o法恒定，因此，必須將熱電偶的參考端遠(yuǎn)離熱源，移動到較穩(wěn)定的場所;又因.補(bǔ)償導(dǎo)線在規(guī)定使用溫度范圍內(nèi)具有與熱電偶相同的溫度一熱電勢關(guān)系，因而它可以起到延長熱電偶的作用，所以熱電偶在使用時(shí)要用補(bǔ)償導(dǎo)線連接。
3.2補(bǔ)償導(dǎo)線使用時(shí)注意的問題
      各種補(bǔ)償導(dǎo)線只能與相應(yīng)型號的熱電偶配用;補(bǔ)償導(dǎo)線有正、負(fù)之分，使用時(shí)極性不可接.錯。否則不僅起不到補(bǔ)償作用，反而還會造成更大的測量誤差，理論證明由于補(bǔ)償導(dǎo)線極性接反所造成的誤差約為不用補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)的2倍;
      熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線連接點(diǎn)的溫度不得超過規(guī)定的使用溫度。因超過規(guī)定的溫度范圍，補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶的熱電特性相差較大，將會造成測量誤差;由于補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶材料熱電特性并不完全相同，所以要求兩連接處的兩個接點(diǎn)溫度相同，否則將引人測量誤差;為了便于安裝可選用多股補(bǔ)償導(dǎo)線，也可根據(jù)需要選用防水，防腐，防火，帶屏蔽層的補(bǔ)償導(dǎo)線。
4結(jié)語
      熱電偶的型號較多，在選擇熱電偶時(shí)應(yīng)從使用的溫度、氣氛、價(jià)格、參考端溫度等方面綜合考慮，實(shí)現(xiàn)溫度計(jì)量的正確性，提高測控質(zhì)量。