热电偶测温原理及应用

热电偶测温原理及应用

叶锋

新疆庆华能源集团有限责任公司 新疆 835100

摘　要　热电偶测温在化工生产中有着重要的意义, 本文阐述了热电偶测温的原理及其应用。

关键词　温度　测温方法　热电偶测温

一、热电偶测温基本原理

将两种不同材料(但符合一定要求)的导体或半导体A 和B 的任意一端焊接在一起就构成了热电偶。组成热电偶的导体或半导体称为热电极, 被焊接的一端插入测温场所,称为工作端, 另一端称冷端。当两端温度不同时就会有热电势产生, 它是测量温度的感温元件, 将温度信号转换为电信号再由仪表显示出来。

热电偶的测温原理就是利用了热电效应。任意两种材质不同的金属导体或半导体A 和B 首尾连接成闭合回路, 只要两接点T1和T2 的温度不同, 就会产生热电势, 形成热电流, 这就是热电效应。

热电偶原理图

热电势的大小与材质有关, 与热电偶两端的温差有关。对应一定材质, 其两端的温度与热电势间有固定的函数关系, 利用这个关系就可以测出温度值来。热电偶的热电势随温度的升高而增大, 其热电势的大小与热电偶的材料和热电偶两端的温度值有关, 而与热电极的长度、直径无关。

1 .热电偶的广义分类

热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所为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。非标准热电偶在使用范围或数量级上均不及标准热电偶, 一般也没有统一的分度表, 主要用于某些特殊场合的测量。

为了保证热电偶可靠、稳定地工作, 对它的结构要求是:组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固;两个热电极彼此之间应很好地绝缘, 以防短路;补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠;保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。

2 .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℃。

热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一, 为接触式测温, 其优点有: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;测量范围广, 常用的热电偶从-50 ～ +1600 ℃均可连续测量, 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);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。

热电偶测温的缺点是:热电偶损耗比较大, 增大了维护量, 备件费用消耗大;热响应有一定滞后。

二、热电偶的选型

1 .根据用途和结构形式进行选型

(1)铠装热电偶

铠装热电偶具有体形细长、热响应快、耐震动、使用寿命长以及便于弯曲等优点, 广泛应用于航空、原子能、石油、化工、冶金、机械、

电力等工业部门和科技领域, 尤其适宜安装在管线狭窄、弯曲和要求快速反应、微型化的特殊测温场合。铠装热电偶通常由铠装偶元件、安装固定装置和接线装置等主要部件组成。

吹气型铠装热电偶是一种专用铠装热电偶。吹气型铠装热电偶结构原理是在铠装热电偶感温元件和外保护管之间构成一定的气路, 在气路中, 通入大于1 .03 ×105Pa 的惰性气体, 以排除或减少热电偶在高温、高压条件下, 还原气体的渗入从而延长了铠装热电偶

的使用寿命。

铠装热电偶测温范围大, 反应速度快, 外径小、温度变化反应迅速, 安装方便、使用寿命长, 气密性好, 机械强度好。可在有震动、

低温、高温条件下使用。

(2)装配热电偶

装配热电偶与显示仪表配套, 在-200 ～1600 ℃范围内对气体、液体介质以及固体表面温度进行检测, 广泛应用于航空、原子能、石油、化工、冶金、机械等工业部门和科技领域。装配热电偶通常由感温元件、保护管、接线盒及安装固定装置等主要部件组成。

高炉热风炉热电偶是一种专用的装配热电偶。高炉热风炉热电偶采用抗高温、耐腐蚀材料制造, 测温范围大, 精度和承压高, 且耐大气流冲刷, 适用于热风炉等工业炉窖等高温、高压和腐蚀环境场合中的温度测量。装配热电偶测量范围大、使用寿命长、安装使用方便。

(3)热套式电偶

热套式电偶主要用于测量蒸汽管道及锅炉温度。热电偶采用热套保护管与铠装热电偶(均为绝缘型)可分离方式, 使用时, 用户可将热套焊接或机械固定在设备上, 然后装上电偶就可工作, 它的优点是提高了保护管的工作压力和使用寿命, 又便于电偶的维修或更换, 目前这种结构形式被国外广泛采用。

热套式电偶还包括烟道、风道热电偶、高温高压热电偶、中温中压热电偶、低温低压热电偶。

(4)防爆热电偶

防爆热电偶利用间隙隔爆原理, 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腔内, 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传不到腔外, 从而进行测温。

防爆热电偶可直接测量生产现场存在碳氢化合物等爆炸的0 ～ 1300 ℃范围内液体、蒸汽和气体介质以及固体表面温度。

防爆热电偶的特点是多种防爆形式, 防爆性能好;压簧式感温元件, 抗振性能好;测量范围大;机械强度高, 耐压性能好。

2 .热电偶的主要技术指标

(1)温度测量范围和允差

热电偶可测量温度的范围和允许误差与热电偶的分度号密切相关, 表1 已列出了常用的几种热电偶温度测量范围和允许误差。

(2)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 %所需要的时间称为热响应时间, 用τ0 .5 表示。

(3)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不破裂。实际上, 允许工作压力不仅与保护管材料、直径、壁厚有关, 还与其结构形式、安装方法、置入深度以及被测介质的流速和种类等有关。

(4)最小置入深度

最小置入深度应不小于其保护管外径的8 ～ 10 倍(特殊产品例外)。

(5)绝缘电阻(常温)

常温绝缘电阻的试验电压为直流500 ±50V , 测量常温绝缘电阻的大气条件为温度15 ～ 35 ℃, 相对湿度80 %, 大气压力86 ～

106KPa 。

(6)防爆等级(隔爆热电偶)

隔爆热电偶的防爆等级适用于爆炸性气体混合物最大安全间隙分为A 、B 、C 三级。

3.热电偶的选型原则

首先应根据实际测温范围选择采用哪种分度号的热电偶;其次根据实际工艺情况要求选择采用何种结构形式的热电偶(铠装、装配、防爆热电偶等);最后根据热电偶的技术指标选择热电偶的长度、保护管材料、直径、安装固定形式等。

三、热电偶测温在八钢热轧板厂中的应用

八钢热轧板厂有两座加热炉, 加热炉为均热段平炉顶、上加热和上预热段轴向供热、下部侧向供热、滚轮斜台面式的板坯步进梁式加热炉。

加热炉各段炉温测量设2 支热电偶, 采用的是S 分度号的热电偶, 一般使用温度为1100 ℃～ 1300 ℃。热电偶可选择两种方式:

工作模式(选择两支热电偶中的高选值进行燃烧控制)、维护模式(当任何一支热电偶出现故障时, 输入信号自动切换到另一支热电偶)。在一般情况下, 温度控制器只使用其中一支热电偶信号, 而另一支热电偶信号仅作监视用。热电偶所测温度作为温度调节器的输入信号, 温度调节器的输出信号经过处理作为空气、煤气调节器的设定值控制空气、煤气阀门开度, 最终实现对加热温度的控制。热电偶测温的准确可靠是热工制度正确执行、热轧产品质量得以保证的重要前提。

五、结束语

综上所述, 接触式测温方法无法准确进行测量的测量点, 红外测温仪的出现解决了这一大难题, 它不仅可以进行定点、移动测量, 还可以进行连续测量, 并且能将测量结果送入计算机。随着自动化程度的提高, 红外测量仪器的应用会越来越广泛。

参考文献

[1] 乐嘉谦.仪表工手册.-2版.-北京：化学工业出版社，2003.7

[2] 李军, 刘梅冬, 曾亦可等“非接触式红外测温的研究” ;

[3] 师克宽“计量测量技术手册”