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        電力行業

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        熱電偶概述、經營原則、附件、類型、比較以及應用

        發布時間:2019-06-19 09:55:18來源:


        熱電偶概述
              在電力工程和工業中,熱電偶是廣泛使用的溫度傳感器類型,并且還可以用作將熱勢差轉換成電勢差的手段。它們便宜且可互換,具有標準連接器,并且可以測量各種溫度。它們測量兩點之間的溫差,而不是絕對溫度。它們的主要限制是準確性:小于1 開爾文(K)的系統誤差可能難以實現。本文介紹了熱電偶概述、經營原則、附件、類型以及應用。
        熱電偶的經營原則
              1821年,德國 - 愛沙尼亞物理學家托馬斯約翰塞貝克發現,當任何導體(如金屬)受到熱梯度時,它會產生電壓。這現在稱為熱電效應或塞貝克效應。任何測量該電壓的嘗試都必然涉及將另一導體連接到“熱”端。然后,這個額外的導體也會經歷溫度梯度,并產生與原始電壓相反的電壓。幸運的是,效果的大小取決于使用的金屬。使用不同的金屬來完成電路會產生一個電路,其中兩個支路產生不同的電壓,從而留下可用于測量的電壓的微小差異。這種差異隨著溫度的增加而增加,對于現代的可用金屬組合,通??梢栽诿繑z氏度1到70微伏(μV/°C)之間。某些組合已成為行業標準,受成本,可用性,便利性,熔點,化學性質,穩定性的驅動,和輸出。這兩種金屬的耦合使熱電偶得名。
              熱電偶測量兩點之間的溫差,而不是絕對溫度。在傳統應用中,其中一個結 - 冷結 - 保持在已知(參考)溫度,而另一端連接到探針。
              提供已知的溫度冷端,雖然對實驗室校準有用,但對于大多數直接連接的指示和控制儀器而言根本不方便。它們將使用其他熱敏器件(如熱敏電阻或二極管)的人工冷端連接到電路中,以測量儀器輸入連接的溫度,并特別注意盡量減少端子之間的溫度梯度。因此,可以模擬來自已知冷結的電壓,并應用適當的校正。這被稱為冷端補償。
              另外,設備可以通過計算執行冷端補償。它可以通過兩種方法之一將器件電壓轉換為溫度。它可以使用查找表[4]中的值或使用多項式插值進行近似。
              熱電偶可以產生電流,這意味著它可以用于直接驅動某些過程,而無需額外的電路和電源。例如,當出現溫差時,來自熱電偶的功率可以激活閥門。由熱電偶產生的電能是必須連續供應到熱電偶的熱側以保持電勢的熱能的轉換。熱流是必要的,因為流過熱電偶的電流趨向于使熱側冷卻并且冷側加熱(珀耳帖效應)。
              上海自動化儀表三廠熱電偶可以彼此串聯連接以形成熱電偶,其中所有熱接點暴露于較高溫度并且所有冷接點暴露于較低溫度。各個熱電偶的電壓相加,可以提供更大的電壓和更高的功率輸出,從而提高儀器的靈敏度。隨著超鈾元素的放射性衰變提供熱源,這種安排已經被用于為太空太遠的太空船提供太陽能。
        熱電偶的附件
              熱電偶材料有多種不同的冶金配方可供選擇,例如:(以降低的精度和成本水平列出)特殊的誤差限制,標準和擴展等級。延伸級導線比專用熱電偶導線更便宜,并且通常在更受限制的溫度范圍內指定其精度。當測量點遠離測量儀器時,使用延伸級導線比標準或特殊限制材料在經濟上可行,并且在窄范圍內(通常包括環境溫度)具有非常相似的EMF熱系數。在這種情況下,標準或特殊限制的導線接頭連接到溫度測量區域之外的延伸級導線,以便傳輸到儀器。
              沿著熱電偶長度的冶金學變化(例如終端條或熱電偶類型線的變化)將引入另一個熱電偶結,這會影響測量精度。此外,在美國,行業標準是熱電偶顏色代碼用于正極引線的絕緣,而紅色是負極引線。
        熱電偶電壓溫度關系
         
              熱電偶電壓關系的溫度差和熱電偶的輸出電壓之間是非線性的,并且由多項式近似:
         
              對于N,從0到5到9給出系數a n。
              為了實現精確測量,等式通常在數字控制器中實現或存儲在查找表中。[4]一些舊設備使用模擬濾波器。
        熱電偶的類型
              提供各種熱電偶,適用于不同的測量應用。它們通常根據所需的溫度范圍和靈敏度進行選擇。具有低靈敏度(B,R和S類型)的熱電偶具有相應較低的分辨率。其他選擇標準包括熱電偶材料的惰性,以及它是否是磁性的。下面列出熱電偶類型,首先是正電極,然后是負電極。
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              K型熱電偶。
         
              S型和K型熱電偶,S型熱電偶部分地套有剛玉管。
              K型(鉻鎳鋁合金)是最常用于通用熱電偶的。它價格低廉,并且由于其廣泛使用,可用于各種探頭。它們的工作溫度范圍為-200°C至+ 1350°C。K型是在冶金比現在不太先進的時候指定的,因此,實例之間的特性差別很大。在某些情況下會出現另一個潛在的問題,因為其中一種構成金屬鎳是磁性的。用磁性材料制成的熱電偶的一個特征是當磁性材料達到其居里點時它們經歷階躍變化。這種熱電偶在354°C時會發生這種情況。靈敏度約為41μV/°C。
        E
              E型(鉻 - 康銅)[4]具有高輸出(68μV/°C),非常適合低溫使用。另外,它是非磁性的。
        J
              由于其范圍有限(-40至+ 750°C),J型(鐵 -康斯坦坦)不如K型受歡迎。主要應用是舊設備,不能接受現代熱電偶。鐵的居里點(770°C)導致特性的突然變化,這就是溫度上限。J型熱電偶的靈敏度約為50μV/°C。[3]
        N
              N型(nicrosil-nisil)熱電偶適用于高溫,超過1200°C,因為它們具有穩定性和抗高溫氧化能力。靈敏度在900°C時約為39μV/°C,略低于K型。設計為改進型K型,它正變得越來越流行。
        B,R和S.
              B,R和S型熱電偶對每根導線使用鉑或鉑 - 銠合金。這些是最穩定的熱電偶之一,但靈敏度較低,約為10μV/°C,比其他類型的熱電偶低。這些的高成本使它們不適合一般使用。通常,B型,R型和S型熱電偶僅用于高溫測量。
              B型熱電偶對每根導線使用鉑 - 銠合金。一根導體含有30%的銠,而另一根導體含有6%的銠。這些熱電偶適用于高達1800°C的溫度。B型熱電偶在0°C和42°C時產生相同的輸出,限制其使用溫度低于約50°C。
              R型熱電偶使用鉑銠合金,其中一種導體含有13%的銠,另一種導體含有純鉑。R型熱電偶的使用溫度最高可達1600°C。
              S型熱電偶使用鉑銠合金,一種導體含10%銠,另一種導體含純鉑。與R型一樣,S型熱電偶的使用溫度最高可達1600°C。特別是,S型用作金的熔點(1064.43℃)的校準標準。
        T
              T型(銅 -康斯坦?。犭娕歼m用于-200至350°C范圍內的測量。通常用作差分測量,因為只有銅線接觸探頭。由于兩個導體都是非磁性的,因此沒有居里點,因此特性沒有突然變化。T型熱電偶的靈敏度約為43μV/°C。
        C
              C型(鎢 5%錸 -鎢26%錸)熱電偶適用于0°C至2320°C范圍內的測量。該熱電偶非常適用于極高溫度的真空爐,絕不能在溫度高于260°C 的氧氣存在下使用。
        M
              M型熱電偶每根導線使用鎳合金。正極線含有18%的鉬,而負極線含有0.8%的鈷。出于與C型相同的原因,這些熱電偶用于真空爐中。上限溫度限制在1400°C。雖然它是一種不太常見的熱電偶類型,但可以使用查找表將溫度與EMF(毫伏輸出)相關聯。
        鎳鉻 - 金/鐵
              在鉻鎳金 / 鐵熱電偶中,正極線是鉻鎳合金,負極線是金,鐵含量很?。?.03-0.15原子%)。它可用于低溫應用(1.2-300 K甚至高達600 K)。靈敏度和溫度范圍都取決于鐵濃度。在低溫下靈敏度通常約為15μV/ K,最低可用溫度在1.2和4.2 K之間變化。[6] [7] [8]
        熱電偶的比較
              下表描述了幾種不同熱電偶類型的屬性。在公差列內,T表示熱結的溫度,單位為攝氏度。例如,容差為±0.0025×T的熱電偶在1000°C時的容差為±2.5°C。
         
         
         
        熱電偶的應用
              熱電偶最適合在高達1800°C的溫度范圍內進行測量。它們不太適合需要以高精度測量較小溫差的應用,例如0-100°C,精度為0.1°C。對于這種應用,熱敏電阻和電阻溫度檢測器更合適。
        鋼鐵工業
              類型B,S,R和K熱電偶在廣泛使用的鋼和鐵工業監測溫度和化學整個煉鋼過程。一次性,浸入式S型熱電偶通常用于電弧爐工藝,以便在攻絲前精確測量鋼的溫度??梢苑治鲂′摌悠返睦鋮s曲線并用于估算鋼水的碳含量。
        加熱設備安全
              許多燃氣加熱設備,如烤箱和熱水器根據需要利用指示燈點燃主燃氣燃燒器。如果指示燈由于任何原因而熄滅,則未燃燒的氣體有可能釋放到周圍區域,從而產生火災和健康危險。為了防止這種危險,一些電器使用熱電偶作為故障安全控制來檢測指示燈何時燃燒。熱電偶的尖端放置在引燃火焰中。所產生的電壓(通常約為20mV)操作負責給飛行員供電的供氣閥。只要引燃火焰保持點亮,熱電偶仍然保持熱,并保持先導氣閥打開。如果指示燈熄滅,溫度將隨著熱電偶引線上相應的電壓下降而下降,從而消除閥門的電源。
              一些稱為毫伏控制系統的系統也將這一概念擴展到主氣閥。導向熱電偶產生的電壓不僅會激活先導式燃氣閥,還會通過恒溫器為主燃氣閥供電。這里,需要比上述引燃火焰安全系統更大的電壓,并且使用熱電偶而不是單個熱電偶。這樣的系統不需要外部電源用于其操作,因此可以在電源故障期間操作,只要所有相關的系統組件都允許這樣做。請注意,這不包括常見的強制通風爐,因為操作鼓風機電機需要外部電源,但此功能對于無動力對流加熱器特別有用。
              有時使用類似的使用熱電偶的氣體關閉安全機構來確保主燃燒器在一定時間內點燃,如果不發生則關閉主燃燒器氣體供應閥。
              出于對常備飛行員浪費的能源的關注,許多新設備的設計者已經轉向電子控制的無飛行點火,也稱為間歇點火。如果沒有靜止的引燃火焰,如果火焰熄滅,則沒有氣體積聚的風險,因此這些設備不需要基于熱電偶的安全先導安全開關。由于這些設計在沒有連續電源的情況下失去了運行的好處,因此在某些設備中仍然使用常備飛行員。
        熱電偶輻射傳感器
              熱電偶用于測量入射輻射的強度,通常是可見光或紅外光,其加熱熱結,而冷結位于散熱器上。使用市售的熱電偶傳感器可以測量僅幾μW/ cm 2的輻射強度。例如,一些激光功率計基于這樣的傳感器。
        制造業
              熱電偶通??捎糜谠碗娏蜋C械設備的測試。例如,被測開關設備的電流承載能力可能會在熱運行測試期間安裝和監控熱電偶,以確認額定電流下的溫升不超過設計限值。
        放射性同位素熱電發電機
              熱電偶也可用于在放射性同位素熱電發電機中發電。
         
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