国际电工委员会在1975年向世界各国推荐七种标准型热电偶。我国生产的符合IEC标准的热电偶有六种,分别是:
(1)铂铑30-铂铑6热电偶 这种热电偶分度号为“B”。它的正极是铂铑丝(铂70%,铑30%),负极也是铂铑丝(铂94%,铑6%),故俗称双铂铑。测温范围为0~1700℃。其特点是测温上限高,性能稳定。在冶金反应、钢水测量等高温领域中得到了广泛的应用。 表5-1 铂铑30-铂铑6热电偶(B型)分度表(ITS-90) 分度号:B 参考端温度:0℃
t,℃ 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 E,mV 0.000 0.033 0.178 0.431t,℃ 1000 1100 1200 1300E,mV 4.834 5.780 6.786 7.848
0.78714008.956
1.242 1.792 2.431 3.154 3.9571500 1600 1700 1800 10.099
11.263
12.433 13.820
B型热电偶参考端温度非0℃时的校正表(修正值加上所查的热电势)
t,℃ 0 10 20 30 40 50 E,mV 0.000 -0.002 -0.003 -0.002 -0.000 0.002
(2)铂铑10-铂热电偶 这种热电偶分度号为“S”。它的正极是铂铑丝(铂90%,铑l0%),负极是纯铂丝。测温范围为0~1700℃。其特点是热电性能稳定,抗氧化性强,宜在氧化性、惰性气氛中工作。由于精度高,故国际温标中规定它为630.74~1064.43℃温度范围内复现温标的标准仪器。常用作标准热电偶或用于高温测量。
表5-2 铂铑10-铂热电偶(S型)分度表(ITS-90) 分度号:S 参考端温度:0℃
t,℃ E,mV t,℃ E,mV
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
0.000 0.646 1.441 2.323 3.259 4.233 5.239 6.275 7.345 8.449
1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700
9.587 10.757 11.851 13.15914.37315.58216.77717.947
S型热电偶参考端温度非0℃时的校正表(修正值加上所查的热电势)
t,℃ 0 10 20 30 40 50 E,mV 0.000 0.055 0.113 0.173 0.235 0.229
(3)镍铬-镍硅热电偶 这种热电偶分度号为“K”。它的正极是镍铬合金(镍90.5%,铬9.5%),负极为镍硅(镍97.5%,硅2.5%)。测温范围为-200~+1300℃。其特点是测温范围很宽、热电动势与温度关系近似线性、热电动势大及价格低。缺点是热电动势的稳定性较B型或S型热电偶差,且负极有明显的导磁性。
表5-3 镍铬-镍硅热电偶(K型)分度表(ITS-90) 分度号:K 参考端温度:0℃
t,℃ E,mV t,
-200 -100 0 100 200 300 400 500 600 700
-5.891 -3.554 0.000 4.096 8.138 12.20916.39720.644 24.905 29.129
800 900 1000 1100 1200 1300
℃ E,mV
33.275 37.326 41.276 45.119
48.838
52.410
K型热电偶参考端温度非0℃时的校正表(修正值加上所查的热电势)
t,℃ 0 10 20 30 40 50 E,mV 0.000 0.397 0.798 1.203 1.612 2.023
(4)镍铬-康铜热电偶 这种热电偶分度号为“E”。它的正极是镍铬合金,负极是铜镍合金(铜55%,镍45%)。测温范围为-200~+1000℃。其特点是热电动势较其他常用热电偶大。适宜在氧化性或惰性气氛中工作。
表4 镍铬-康铜热电偶(E型)分度表(ITS-90) 分度号:E 参考端温度:0℃
t,℃ E,mV t,℃ E,mV
-200 -100 0 100 200 300 400 500 600 700
-8.825 -5.237 0.000 6.31913.42121.03628.94637.005 45.093 53.112
800 900 1000
61.017 68.787 76.373
E型热电偶参考端温度非0℃时的校正表(修正值加上所查的热电势)
t,℃ 0 10 20 30 40 50
E,mV 0.000 0.591 1.192 1.801 2.420 3.048
(5)铁-康铜热电偶 这种热电偶分度号为“J”。它的正极是铁,负极是铜镍合金。测温范围为-200~+1300℃。其特点是价格便宜,热电动势较大,仅次于E型热电偶。缺点是铁极易氧化。
表5-5 镍铬-镍硅热电偶(J型)分度表(ITS-90) 分度号:J 参考端温度:0℃
t,℃ E,mV t,℃ E,mV
-200 -100 0 100 200 300 400 500 600 700
-7.890 -4.633 0.000 5.269 10.77916.32721.84827.393 33.102 39.132
800 900 1000 1100 1200
45.494 51.877 57.953 63.79269.553
J型热电偶参考端温度非0℃时的校正表(修正值加上所查的热电势)
t,℃ 0 10 20 30 40 50 E,mV 0.000 0.507 1.019 1.537 2.059 2.585
(6)铜-康铜热电偶 这种热电偶分度号为“T”。它的正极是铜,负极是铜镍合金。测温范围为-200~+400℃。特点是精度高,在0~-200℃范围内,可制成标准热电偶,准确度可达土0.1℃。缺点是铜极易氧化,故在氧化性气氛中使用时,一般不能超过300℃。 表5-6 铜-康铜热电偶(T型)分度表(ITS-90)
t,℃ -200 -100 0 100 200 300 400
E,mV -5.603 -3.379 0.000 4.279 9.288 14.862 20.872
T型热电偶参考端温度非0℃时的校正表(修正值加上所查的热电势)
t,℃ 0 10 20 30 40 50 E,mV 0.000 0.391 0.790 1.196 1.162 2.036
最后要说明的是,IEC公布的标准型热电偶中,还有铂铑13-铂,分度号为“R”。因在 国际上只有少数国家采用,且其温度范围与铂铑10-铂重合,所以我国不准备发展这个品种。 2、非标准型热电偶
非标准型热电偶包括铂铑系、铱铑系及钨铼系热电偶等。
铂铑系热电偶有铂铑20-铂铑5、铂铑40-铂铑20等一些种类,其共同的特点是性能稳定,适用于各种高温测量。
铱铑60-铱。这类热电偶长期使用的测温范围在2000℃以下, 铱铑系热电偶有铱铑40-铱、且热电动势与温度关系线性好。
钨铼系热电偶有钨铼3-钨铼25、钨铼5-钨铼20等种类。它的最高使用温度受绝缘材料的限制,目前可使用到2500℃左右。主要用于钢水连续测温、反应堆测温等场合。 3、工业热电偶简介 (1)装配式热电偶 A、主要技术参数
测量范围:热电偶能准确测出温度的范围,即工作温度有效范围。 基本误差限:能允许的测温误差范围。
热电偶时间常数:也称热惰性,指被测介质从某一温度跃迁到另一温度时,热电偶测量端的温度上升到整个跃迁的63.2%所需的时间
表5-7 热惰性级别与时间常数的关系
热惰性级别 时间常数(秒) 热惰性级别 时间常数(秒)
Ⅰ Ⅱ
90-180 30-90
Ⅲ Ⅳ
10-30 <10
热电偶公称压力:一般是指在工作温度下保护管所能承受的静态外压而破裂。 热电偶最小插入深度:应不小于其保护套管外径的8~10倍(特殊产品例外)。 绝缘电阻:当周围空气温度为15-35℃,相对湿度<80%时绝缘电阻≥5兆欧(电压100V)。具有防溅式接线盒的热电偶,当相对温度为93± 3℃ 时,绝缘电阻≥0.5兆欧(电压100V)。
高温下的绝缘电阻:热电偶在高温下,其热电极(包括双支式)与保护管以及双支热电极之间的绝缘电阻(按每米计)应大于表8规定的值。 表5-8高温下的绝缘电阻值
规定的长时间使用温度(℃)试验温度(℃) 绝缘电阻值(Ω)
≥600 600 72000 ≥ 800
800
25000
≥1000 1000 5000
B、热电偶型号命名
热电偶型号命名如图5.2.1所示
图5.2.1 热电偶型号命名示例图 (2)铠装热电偶
铠装热电偶的工作原理是,两种不同成份的导体两端经焊接,形成回路,直接测温端叫工作端,接线端子端叫冷端,也称参比端。当工作端和参比端存在温差时,就会在回路中产生热电流,接上显示仪表,仪表上就会指示出热电偶所产生的热电动势的对应温度值。 铠装热电偶的热电动势将随着测量端温度升高而增长,热电动势的大小只和热电偶导体材质以及两端温差有关,和热电极的长度、直径无关。
铠装热电偶热响应时间:在温度出现阶跃变化时,热电偶的输出变化至相当于该阶跃变化的50%所得的时间称为热响应时间,用τ0.5表示。
绝缘电阻:当周围空气温度为 20±1.5℃,相对湿度不大于80%时,绝缘型铠装热电偶的偶丝与外套管之间的绝缘电阻值应符合表5-9的规定。 表5-9 铠装热电偶的绝缘电阻标准
偶丝直径( mm)
1.5 >1.5
试验电压( V-DC)
50±10% 500±10%
绝缘电阻( MΩ.m )
≥ 1000 ≥ 1000
可挠度:铠装热电偶的可挠曲率半径不小于其外径的5倍。 (3)耐磨热电偶
在某些特殊场合,如化工厂、冶炼厂、发电厂、水泥厂等,用普通热电偶、热电阻就极易损坏。因此,在这些场合就必须采用耐磨热电偶。该热电偶特别适用硫化床、磨煤机出口,一次,二次风煤及水泥行业测温。
特征:耐磨,同时耐冲刷,耐腐蚀;寿命长,高温下可使用6个月以上,低温下可使用8个月以上。 (4)防爆热电偶
工业用隔爆热电偶是一种温度传感器,在化学工业自控系统中应用极广,通过温度传感器,可将控制对象的温度参数变成电信号,传递给显示、记录和调节仪,对系统施行检测、 调节和控制。
在化工厂,生产现场常伴有各种易燃、易爆等 化学气体、蒸汽,如果使用普通的热电偶非常不安全,极易引起环境气体爆炸。因此,在这些场合必须使用隔爆热电偶作温度传感器,
工作原理:如果由两种不同成份的均质导体(热电极)组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就有电流通过,那么两端之间就存在热电势。
防爆原理:利用间隙隔爆原理,设计具有足够强度的接线盒等部件,将所有会产生火花、电弧和危险温度的零部件都密封在接线盒内,当腔内发生爆炸时,能通过接合面间隙熄 火和冷却,使爆炸后的火焰和温度不传到腔外。
除以上介绍的常见热电偶之外,目前工业上广为应用的还有多点热电偶、吹气热电偶、高温防腐热电偶、微细铠装热电偶、压簧固定热电偶、多点隔爆热电偶、高温高压热电偶、快速热电偶等种类,读者感兴趣的话可以自行查阅这方面的资料。
热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是:
①测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触,不受中间介质的影响。
②测量范围广。常用的热电偶从-50~+1600℃均可边续测量,某些特殊热电偶最低可测到-269℃(如金铁镍铬),最高可达+2800℃(如钨-铼)。
③构造简单,使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成,而且不受大小和开头的限制,外有保护套管,用起来非常方便。 1.热电偶测温基本原理
将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来,构成一个闭合回路,如图2-1-1所示。当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时,两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。
2.热电偶的种类及结构形成 (1)热电偶的种类
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。 (2)热电偶的结构形式 为了保证热电偶可靠、稳定地工作,对它的结构要求如下: ① 组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固;
② 两个热电极彼此之间应很好地绝缘,以防短路; ③ 补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠; ④ 保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。 3.热电偶冷端的温度补偿
由于热电偶的材料一般都比较贵重(特别是采用贵 金属时),而测温点到仪表的距离都很远,为了节省热 电偶材料,降低成本,通常采用补偿导线把热电偶的冷 端(自由端)延伸到温度比较稳定的控制室内,连接到 仪表端子上。必须指出,热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极,使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上,它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响,不起补偿作用。因此,还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t0≠0℃时对测温的影响。
在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配,极性不能接错,补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100℃。
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