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热电偶的应用与发展

文字:[大][中][小] 时间:2018/7/11 20:32:28    浏览次数:    

       1热电偶的工作原理

       热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过,此时两端之间就存在Seebeck电动势——热电动势,这就是所谓的塞贝克效应。两种不同成份的均质导体为热电极,温度较高的一端为工作端,温度较低的一端为自由端,自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系, 制成热电偶分度表; 分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的,不同的热电偶具有不同的分度表。在热电偶回路中接入第三种金属材料时, 只要该材料两个接点的温度相同, 热电偶所产生的热电势将保持不变,即不受第三种金属接入回路中的影响。因此, 在热电偶测温时, 可接入测量仪表, 测得热电动势后, 即可知道被测介质的温度。 两种不同成份的导体(称为热电偶丝材或热电极)两端接合成回路,当接合点的温度不同时,在回路中就会产生电动势,这种现象称为热电效应,而这种电动势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的,其中,直接用作测量介质温度的一端叫做工作端(也称为测量端),另一端叫做冷端(也称为补偿端);冷端与显示仪表或配套仪表连接,显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。

       2热电偶的种类及应用

       常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶,它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶,一般也没有统一的分度表,主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶我国从1988年1月1日起,热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产,并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。     

(S型热电偶)铂铑10-铂热电偶        铂铑10-铂热电偶(S型热电偶)为贵金属热电偶。偶丝直径规定为0.5mm,允许偏差-0.015mm,其正极(SP)的名义化学成分为铂铑合金,其中含铑为10%,含铂为90%,负极(SN)为纯铂,故俗称单铂铑热电偶。该热电偶长期最高使用温度为1300℃,短期最高使用温度为1600℃。 

       S型热电偶在热电偶系列中具有准确度最高,稳定性最好,测温温区宽,使用寿命长等优点。它的物理,化学性能良好,热电势稳定性及在高温下抗氧化性能好,适用于氧化性和惰性气氛中。由于S型热电偶具有优良的综合性能,符合国际使用温标的S型热电偶,长期以来曾作为国际温标的内插仪器, 

       S型热电偶不足之处是热电势,热电势率较小,灵敏读低,高温下机械强度下降,对污染非常敏感,贵金属材料昂贵,因而一次性投资较大。   

(R型热电偶)铂铑13-铂热电偶        铂铑13-铂热电偶(R型热电偶)为贵金属热电偶。偶丝直径规定为0.5mm,允许偏差-0.015mm,其正极(RP)的名义化学成分为铂铑合金,其中含铑为13%,含铂为87%,负极(RN)为纯铂,长期最高使用温度为1300℃,短期最高使用温度为1600℃。 

       R型热电偶在热电偶系列中具有准确度最高,稳定性最好,测温温区宽,使用寿命长等优点。其物理,化学性能良好,热电势稳定性及在高温下抗氧化性能好,适用于氧化性和惰性气氛中。由于R型热电偶的综合性能与S型热电偶相当,在我国一直难于推广,除在进口设备上的测温有所应用外,国内测温很少采用。1967年至1971年间,英国NPL,美国NBS和加拿大NRC三大研究机构进行了一项合作研究,其结果表明,R型热电偶的稳定性和复现性比S型热电偶均好,我国目前尚未开展这方面的研究。 

      R型热电偶不足之处是热电势,热电势率较小,灵敏读低,高温下机械强度下降,对污染非常敏感,贵金属材料昂贵,因而一次性投资较大。  

(B型热电偶)铂铑30-铂铑6热电偶 

       铂铑30-铂铑6热电偶(B型热电偶)为贵金属热电偶。偶丝直径规定为0.5mm,允许偏差-0.015mm,其正极(BP)的名义化学成分为铂铑合金,其中含铑为30%,含铂为70%,负极(BN)为铂铑合金,含铑为量6%,故俗称双铂铑热电偶。该热电偶长期最高使用温度为1600℃,短期最高使用温度为1800℃。        B型热电偶在热电偶系列中具有准确度最高,稳定性最好,测温温区宽,使用寿命长,测温上限高等优点。适用于氧化性和惰性气氛中,也可短期用于真空中,但不适用于还原性气氛或含有金属或非金属蒸气气氛中。B型热电偶一个明显的优点是不需用补偿导线进行补偿,因为在0~50℃范围内热电势小于3μV。        B型热电偶不足之处是热电势,热电势率较小,灵敏读低,高温下机械强度下降,对污染非常敏感,贵金属材料昂贵,因而一次性投资较大。  

(K型热电偶)镍铬-镍硅热电偶 

       镍铬-镍硅热电偶(K型热电偶)是目前用量最大的廉金属热电偶,其用量为其他热电偶的总和。正极(KP)的名义化学成分为:Ni:Cr=90:10,负极(KN)的名义化学成分为:Ni:Si=97:3,其使用温度为-200~1300℃。 

       K型热电偶具有线性度好,热电动势较大,灵敏度高,稳定性和均匀性较好,抗氧化性能强,价格便宜等优点,能用于氧化性惰性气氛中。广泛为用户所采用。 

       K型热电偶不能直接在高温下用于硫,还原性或还原,氧化交替的气氛中和真空中,也不推荐用于弱氧化气氛中。  

(N型热电偶)镍铬硅-镍硅热电偶 

        镍铬硅-镍硅热电偶(N型热电偶)为廉金属热电偶,是一种最新国际标准化的热电偶,是在70年代初由澳大利亚国防部实验室研制成功的它克服了K型热电偶的两个重要缺点:K型热电偶在300~500℃间由于镍铬合金的晶格短程有序而引起的热电动势不稳定;在800℃左右由于镍铬合金发生择优氧化引起的热电动势不稳定。正极(NP)的名义化学成分为:Ni:Cr:Si=84.4:14.2:1.4,负极(NN)的名义化学成分为:Ni:Si:Mg=95.5:4.4:0.1,其使用温度为-200~1300℃。 

       N型热电偶具有线性度好,热电动势较大,灵敏度较高,稳定性和均匀性较好,抗氧化性能强,价格便宜,不受短程有序化影响等优点,其综合性能优于K型热电偶,是一种很有发展前途的热电偶. 

       N型热电偶不能直接在高温下用于硫,还原性或还原,氧化交替的气氛中和真空中,也不推荐用于弱氧化气氛中。  

(E型热电偶)镍铬-铜镍热电偶 

       镍铬-铜镍热电偶(E型热电偶)又称镍铬-康铜热电偶,也是一种廉金属的热电偶,正极(EP)为:镍铬10合金,化学成分与KP相同,负极(EN)为铜镍合金,名义化学成分为:55%的铜,45%的镍以及少量的锰,钴,铁等元素。该热电偶的使用温度为-200~900℃。 

       E型热电偶热电动势之大,灵敏度之高属所有热电偶之最,宜制成热电堆,测量微小的温度变化。对于高湿度气氛的腐蚀不甚灵敏,宜用于湿度较高的环境。E热电偶还具有稳定性好,抗氧化性能优于铜-康铜,铁-康铜热电偶,价格便宜等优点,能用于氧化性和惰性气氛中,广泛为用户采用。 

       E型热电偶不能直接在高温下用于硫,还原性气氛中,热电势均匀性较热电偶。 

(J型热电偶)铁-铜镍热电偶 

        铁-铜镍热电偶(J型热电偶)又称铁-康铜热电偶,也是一种价格低廉的廉金属的热电偶。它的正极(JP)的名义化学成分为纯铁,负极(JN)为铜镍合金,常被含糊地称之为康铜,其名义化学成分为:55%的铜和45%的镍以及少量却十分重要的锰,钴,铁等元素,尽管它叫康铜,但不同于镍铬-康铜和铜-康铜的康铜,故不能用EN和TN来替换。铁-康铜热电偶的覆盖测量温区为-200~1200℃,但通常使用的温度范围为0~750℃ 

J型热电偶具有线性度好,热电动势较大,灵敏度较高,稳定性和均匀性较好,价格便宜等优点,广为用户所采用。 

       J型热电偶可用于真空,氧化,还原和惰性气氛中,但正极铁在高温下氧化较快,故使用温度受到限制,也不能直接无保护地在高温下用于硫化气氛中。  

(T型热电偶)铜-铜镍热电偶 

       铜-铜镍热电偶(T型热电偶)又称铜-康铜热电偶,也是一种最佳的测量低温的廉金属的热电偶。它的正极(TP)是纯铜,负极(TN)为铜镍合金,常之为康铜,它与镍铬-康铜的康铜EN通用,与铁-康铜的康铜JN不能通用,尽管它们都叫康铜,铜-铜镍热电偶的盖测量温区为-200~350℃。 

       T型热电偶具有线性度好,热电动势较大,灵敏度较高,稳定性和均匀性较好,价格便宜等优点,特别在-200~0℃温区内使用,稳定性更好,年稳定性可小于±3μV,经低温检定可作为二等标准进行低温量值传递。 

       T型热电偶的正极铜在高温下抗氧化性能差,故使用温度上限受到限制。

       3热电偶传感器在具体工程中的应用:

       漏钢是连铸生产中一种灾难性的事故,漏钢会损坏设备,降低作业率,给企业造成很大的经济损失。连铸漏钢可分为粘结漏钢、夹渣漏钢、裂纹漏钢等,漏钢与钢水成分、温度、设备状况、保护渣性能以及操作水平有密切联系。生产过程中的漏钢事故一般为铸坯出生壳在结晶器内发生粘结或其他异常情况没有得到补救,出结晶器时没有达到足够的安全厚度而导致漏钢。为了减少漏钢事故发生,人们一直致力于开发漏钢预报系统。通过在结晶器铜板中埋入温度传感器热电偶对铜板进行热监控,镭目科技有限责任公司通过对影响漏钢预报系统准确率因素的研究,采取了一系列的改进措施,成功研制出一种高准确率的漏钢预报系统,目前该系统已经在国内多家钢厂成功运行,得到了广泛的好评。

       漏钢预报系统,是一种可以通过分析分布在结晶器壁上的热电偶采集到的温度变化,得知坯壳破裂处及其扩展,从而检测出漏钢趋势并进行报警的设备。RAMON漏钢预报系统主要由以下几部份组成:现场操作箱、控制柜、工控机、热电偶模块、连接器、热电偶、热电偶保护套管、离线检测装置等部分组成。

       正常浇注情况下, 由于结晶器内新生高温坯壳的不断向下运动,上排热电偶温度大于下排热电偶的温度;当坯壳发生粘结被拉断时,补入的钢水直接和铜板接触,上排热电偶温度升高,拉断处会形成薄弱的坯壳并将继续向下运动,在钢水静压力的作用下紧贴铜壁,使下排的热电偶温度也随之上升 ”。当粘结严重时,会使两个热电偶的温升达到一定值,如果温升超过允许值,系统便发出漏钢报警。

       预报系统可分为手动操作或自动控制。当选择人工控制时,操作人员根据系统画面及报警,手动控制相应系统; 在自动状态下, 当出现非正常状态时,系统自动降低相应流的拉速并发出警报,相应流自动减速,以便使裂口愈口。提供的愈合时间是根据不同钢种预先设定的。自发生报警恢复至正常状态,不需人工操作。

       影响预报准确度的因素:在连铸生产过程中,结晶器内实际没有黏结,但是由于某些原因导致热电偶温度曲线波动过大而产生漏钢预报即误报;但结晶器内实际发生了黏结,而由于热电偶没有检测到等原因漏钢预报系统没有预报而发生漏钢事故,就是漏报。经过现场试验分析确定误报、漏报发生的原因主要有以下几种:(1)热电偶线下检测质量不合格,热电偶存在质量问题。在使用过程中热电偶性能不稳定或失去热电特性,温度曲线波动过大,造成误报,误报频繁系统被迫关闭,将产生漏报。(2)热电偶装配方式不够合理或者密封不好,使用一段时间后,热电偶与结晶器安装槽不能紧密接触,进水及油污将使测量温度与实际温度偏差大,温度曲线呈波动状,造成误报。(3)电气设计不合理、电磁干扰严重,在热电偶信号传输过程中发生失真现象,使温度曲线波动,将产生误报和漏报。(4)在漏钢预报系统中,相应钢种组报警参数值设置较小或较大,也会产生误报和漏报。(5)算法不合理,也将产生误报和漏报。

       4热电偶的发展

       国内外的许多研究机构和制造商,根据工业过程自动化的检测和控制要求,不断设计和制造出许多新的热电偶,目前的发展趋势大致如下: 

       1) 产品结构铠装化 

       铠装热电偶具有寿命长、可弯曲、热响应时间小、耐震动等的优点,倍受用户青睐。它将逐步地代替过去用绝缘瓷珠穿丝的装配结构型式。 

       2) 产品结构安装套管化 

       由于热电偶检测元件实现了铠装化,因此可以做到整机与套管分离成两部分,用户可以预先将套管安装在工业过程设备上,热电偶可以在不停机的情况下安装或拆卸,设备中的介质不泄漏,既可靠又安全。 

       3) 检测、信号转换和现场显示一体化 

       随着电子产品的小型化,原来作为直流4~20mA或1~5V标准信号传输的热电偶系列的温度变送器也已小型化,可以安装在现场的热电偶接线盒内与热电偶成为一体,且只需用两根普通导线连接而不必使用较为昂贵的补偿导线。检测、信号转换和显示成为一体的带转换器、带显示的热电偶则可满足现场显示的需要。 

       近年来,现场总线已广泛应用于许多自动化控制领域,带智能型转换器的热电偶也已面世。它采用二线制4~20mA或数字化输,通过手持终端操作器接在4~20mA任意位置,实现数字信号通讯的现场或远距离重调。它还具有PID的控制功能。在这种情况下,4~20mA作为控制输出,过程变量是测量的温度值,,设置则可由操作者直接或使用一个可组态的设置操作器来调整,其输出信号可接到执行单元;同时信号的数字部分提供过程变量、输出、设置和其他转换参数或PID参数

       总结:热电偶的应用在工业中随处可见,学习好热电偶有利于我们将来的发展,这样才能不断的进步。


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