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測溫熱電偶的工作原理及其在現場中的應用

來源:www.sdlufu.com作者:发表时间:2020-04-15 15:56:09

 摘要:溫度測量在冶金生産中有著重要的意義,而鋼鐵企業中溫度的測量大部分都采用的是熱電偶測溫。本文的主要目的是講解熱電偶是怎么测量温的原理以及熱電偶在现场的应用。

 
1 温度测量的基本知识
        温度与人们的生活有着息息相关,例如家用电冰箱、 电饭煲、微波炉和空调,都是通过温度来实现控制的。工业
生产中温度测量及控制也是非常普遍的,例如炼铁高炉热 风炉自动燃烧控制系统中,炉顶温度的控制及测量;炼钢 热轧加热炉中炉膛温度的测量就是通过熱電偶来进行测 温的。那么,什么是温度呢?
 
        ①温度的定义:就是把物体是冷还是热具体的量化出来。 
        ②温标:温度数值的表示方法称为温标。温标可以分为 四种:摄氏温标、华氏温标、热力学温标和国际实用温标。它们各有各有的定义,并且相互之间有转换公式。如表 1。
转换公式
        ③温度测量方法。 根据被测量对象与测温元件之间是否接触与否,如果 接触就是接触测量,如用熱電偶和热电阻测量现场的温度 就是接触测量。如果不相接触就是非接触测量,如红外线 测温仪和高温辐射计测量温度。 
 
2 熱電偶的工作原理
2.1 热电效应
        1821 年,物理学家塞贝克做了一个尝试性的实验,从 中总结得出的热电效应。具体操作步骤是:将两种密度有 差异的导体铰接在一起,构建成闭合回路。先用一只酒精 灯去烧结点,发现随着用酒精灯烧的结点的颜色发生变 化,放在闭合回路中的直流毫伏表指针发生偏转;与此同时并没有撤去第一只酒精灯,用另一只酒精灯去烧另外一 个结点,发现随着酒精灯烧的另一结点的颜色和前一个结 点的颜色渐渐接近,观察到闭合回路中的直流毫伏表的指 针偏转角也随着逐渐减小,当两个结点的颜色一样时,直 流毫伏表的指针指在零上。闭合回路就是所说的熱電偶传感器,两个导体就是组成熱電偶的两个电极,两个结点就 分别是熱電偶的冷端和热端。
 
2.2 熱電偶热电势的组成
2.2.1 两导体的接触电势 
        两导体的密度不一样时,这两种导体之间就会互相扩 散自由电子,当然,密度大的向密度小的扩散的自由电子比密度小的向密度大的扩散的自由电子数多。所以,最后 相当于密度大的失去电子,所以就带正电,密度小的得到电子,所以就带负电。因此就在两种导体接触点的位置上产生电动势,因为这个电势在两导体的接触点处,把它叫 做两导体的接触电势。记为 EA(B T)。E 为电动势,A,B 为热 电偶的两个电极,T 为结点处的温度。A 为高电位,B 为低 电位。如果导体的密度存在一定的差异时,就会在两导体相接触的地方形成两导体的接触电势。两导体的接触电势 的数值与两导体接触点处的温度高低有关,温度越高两导 体的接触电势就越大,规定低电位指向高电位的方向是接 触电动势的方向。由于测温熱電偶的回路中有两个相接触 的点就会在两个接触点处形成电势,所以测温熱電偶的回 路中存在两个接触电势。
 
2.2.2 单一导体的温差电势 
        当导体两端的温度不同时,假设 T 大于 T0。单一导体 热度高的与热度低的之间就会存在互相扩散电子的现象。 当然,温度高的扩散的多,温度低的扩散的少。最终导致热 度高的端逸失了一些电子,所以热度高的就带正电,热度 低的端就得到了一些电子,所以热度低的端就带负电。这 样就在导体的两端产生了温差电势。当导体的两个端部存 有热度差值的时候,就会在单一导体的两头形成温差电动 势。单一导体的温差电势的大小和该导体的密度之间有一 定的关系,单一导体的温差电势的方向:规定是从低温端指向高温端。由于测温熱電偶闭合回路中含有两种不一样 的导体,所以测温熱電偶回路中就存在两个温差电势。
 
2.2.3 闭合回路中总电势 
        熱電偶回路中共有四个电势分别是 EA(B T),EA(B T0), EA(T,T0)和 EB(T,T0)。依据电路分析课程中学过的基本知识, 可以很容易的写出熱電偶回路中总电势。EAB(T,T0)为热电 偶回路中的总电势。从上面所阐述的内容可以得出,测温熱電偶形成热电 势要满足的条件:①两电极的材质不同也就是说两种导体 的密度必须有差异。②两结点的温度不同即结点温度 T 和 结点温度 T0 不相等。③必须形成闭合回路。
 
 3 熱電偶的应用
3.1 测量现场的温度 
        测量加热炉炉膛温度,要将熱電偶插入到炉膛中,热 电偶的热端处在加热炉的炉膛中,冷端在现场环境中。此 时测温,一定要考虑到熱電偶的冷端温度是否在零摄氏 度,如果冷端不在零摄氏度要考虑冷端温度补偿。
 
3.2 温度补偿的问题
        当然温度补偿就需要用补偿导线来实现。那么,补偿 导线的接线就需要特别注意。因为补偿导线有两个极分别 是“+”极和“-”极,熱電偶的热电极和补偿导线有同样的 极,因此熱電偶的补偿导线与熱電偶在进行导线连接时一 定要特别留意它们的极别,千万不可以接错。如果在现场无法区分的时候,要会利用万用表来判别熱電偶的正极和负极。具体的操作方法是:把万用表的“+”表笔放在电压档 的插孔中,把万用表的“-”表笔放在公共端孔中,“+”表笔 和“-”表笔分别熱電偶的两个熱電偶丝接触,观察显示数 值的极性,如果显示的数字前面是“+”,就能很快的判断出 接红表笔的电极就是熱電偶的正极;如果显示的数字前是 “-”,就能很快的判断出接红表笔的电极就是熱電偶的负 极。熱電偶补偿导线正、负怎么区分,一般是根据经验来区 分的,一般是较硬的为正。
 
3.3 补偿导线的选择问题
        补偿导线的类别有 C 和 X 两种,C———补偿型,X———延伸型。如果采用的补偿导线是补偿型的,C 后面字母和热 电偶传感器的类型一致,如果不一致的话,就说明补偿导线选择的不正确,最终得出的测量结果并不是现场的实际温 度。例如:用 S 熱電偶测量温度,并没有选用 S 补偿导线,而是采用了 K 型补偿导线,这就相当于把K型熱電偶的热电 动势加在了 S 熱電偶中。并且在 0-100℃之间,K 的毫伏值大于 S 的毫伏值,导致测量的结果比现场实际值高。
 
3.4 熱電偶的安装方式选择
        安装方式的选择要结合现场的实际来选择,测量加热炉炉膛温度时,只要将熱電偶安装在炉膛的炉壁上用石棉 绳把空隙塞上就可以了。如果是高压场合就要选择法兰安 装。在安装熱電偶时,要具体的看管道的分布情况,如果是 把熱電偶安装在水平管道上,熱電偶就要垂直的安装在管 道的中心线处,这样测出的结果和现场的实际值偏差特别 小。如果是把熱電偶安装在垂直管道上,为了保证测量的 准确度,就把熱電偶安装在与管道中心线呈斜向下 45 度 角的方向上。
 
3.5 熱電偶测量温度时,要想得到现场的实际温度, 是需要经过计算的,在计算时要特别注意冷端温度如果冷端的温度不是零摄氏度,就不能查熱電偶温 度-热电势曲线图,只有把冷端的补偿电势加进去才可以 查表得出现场的实际温度。
 
3.6 熱電偶型号选择的问题
        检测温度的元器件有金属测温热电阻和熱電偶,根据 金属电阻和电偶的组成材料来看,测温电阻检测的范围比较 小。而现场实际的温度很多时候超过了 1000℃,因此用热电 阻测量温度已经不能满足现场的测温要求。而熱電偶测温范 围可以达到一千多度,可以对现场的很多测温点进行测量。 为了得到更精确的结果,正确选择熱電偶的型号,就显得非 常重要。如果测量的温度在 1600℃左右,就要选择 B 型热电 偶;如果测量的温度在 1400℃左右,就要选择 S 型熱電偶;如果测量的温度在 1200℃左右,就要选择 K 型熱電偶。 
 
4 总结 
        熱電偶测温在工业现场的应用很广泛。熱電偶在使用的过程中,要看具体的现场条件再决定熱電偶的安装方 式,并且安装方式和方向要严格按照国家标准进行。否则 就会在测量时产生误差或者会发生故障而影响生产。
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