熱電偶在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

張國華

（南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210048）

熱電偶是一種感溫原件，它直接測量溫度，直接把溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號，隨后通過電氣儀表轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)的溫度。

1 熱電偶的工作原理

兩種不同成份的導(dǎo)體（稱為熱電偶絲材或熱電極）兩端接合成回路，當(dāng)接合點的溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，而這種電動勢稱為熱電勢。熱電偶就是利用這種原理進(jìn)行溫度測量的，其中，直接用作測量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端（也稱為測量端），另一端叫做冷端（也稱為補償端）；冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢。

熱電偶實際上是一種能量轉(zhuǎn)換器，它將熱能轉(zhuǎn)換為電能，用所產(chǎn)生的熱電勢測量溫度，對于熱電偶的熱電勢，應(yīng)注意如下幾個問題：

（1）熱電偶的熱電勢是熱電偶工作端的兩端溫度函數(shù)的差，而不是熱電偶冷端與工作端，兩端溫度差的函數(shù)；

（2）熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢的大小，當(dāng)熱電偶的材料是均勻時，與熱電偶的長度和直徑無關(guān)，只與熱電偶材料的成份和兩端的溫差有關(guān)；

（3）當(dāng)熱電偶的兩個熱電偶絲材料成份確定后，熱電偶熱電勢的大小，只與熱電偶的溫度差有關(guān)；若熱電偶冷端的溫度保持一定，這進(jìn)熱電偶的熱電勢僅是工作端溫度的單值函數(shù)。將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B焊接起來，構(gòu)成一個閉合回路，如圖所示。當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個執(zhí)著點1和2之間存在溫差時，兩者之間便產(chǎn)生電動勢，因而在回路中形成一個大小的電流,這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來工作的。

圖1 熱電偶溫度計測溫系統(tǒng)示意圖

2 熱電偶的性能

熱電偶是溫度測量中應(yīng)用最廣泛的溫度器件，他的主要特點就是測溫范圍寬，性能比較穩(wěn)定，同時結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)響應(yīng)好，更能夠遠(yuǎn)傳4～20mA電信號，便于自動控制和集中控制。熱電偶的測溫原理是基于熱電效應(yīng)。將兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連接成閉合回路，當(dāng)兩個接點處的溫度不同時，回路中將產(chǎn)生熱電勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，又稱為塞貝克效應(yīng)。閉合回路中產(chǎn)生的熱電勢有兩種電勢組成；溫差電勢和接觸電勢。溫差電勢是指同一導(dǎo)體的兩端因溫度不同而產(chǎn)生的電勢，不同的導(dǎo)體具有不同的電子密度，所以他們產(chǎn)生的電勢也不相同，而接觸電勢顧名思義就是指兩種不同的導(dǎo)體相接觸時，因為他們的電子密度不同所以產(chǎn)生一定的電子擴散，當(dāng)他們達(dá)到一定的平衡后所形成的電勢，接觸電勢的大小取決于兩種不同導(dǎo)體的材料性質(zhì)以及他們接觸點的溫度。目前國際上應(yīng)用的熱電偶具有一個標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，國際上規(guī)定熱電偶分為八個不同的分度，分別為 B，R，S，K，N，E，J和 T，其測量溫度的最低可測零下270℃，最高可達(dá)1800℃，其中B，R，S屬于鉑系列的熱電偶，由于鉑屬重金屬，所以他們又被稱為貴金屬熱電偶而剩下的幾個則稱為廉價金屬熱電偶。熱電偶的結(jié)構(gòu)有兩種，普通型和鎧裝型。普通性熱電偶一般由熱電極、絕緣管、保護(hù)套管和接線盒等部分組成，而鎧裝型熱電偶則是將熱電偶絲、絕緣材料和金屬保護(hù)套管三者組合裝配后，經(jīng)過拉伸加工而成的一種堅實的組合體。但是熱電偶的電信號卻需要一種特殊的導(dǎo)線來進(jìn)行傳遞，這種導(dǎo)線我們稱為補償導(dǎo)線。不同的熱電偶需要不同的補償導(dǎo)線，其主要作用就是與熱電偶連接，使熱電偶的參比端遠(yuǎn)離電源，從而使參比端溫度穩(wěn)定。補償導(dǎo)線又分為補償型和延長型兩種，延長導(dǎo)線的化學(xué)成分與被補償?shù)臒犭娕枷嗤?，但是實際中，延長型的導(dǎo)線也并不是用和熱電偶相同材質(zhì)的金屬，一般采用和熱電偶具有相同電子密度的導(dǎo)線代替。補償導(dǎo)線與熱電偶的連線一般都很明了，熱電偶的正極連接補償導(dǎo)線的紅色線，而負(fù)極則連接剩下的顏色。一般的補償導(dǎo)線的材質(zhì)大部分都采用銅鎳合金。

3 N型熱電偶及其應(yīng)用

（1）基本概念：鎳鉻—鎳硅熱電偶（N型）這種熱電偶是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ臉?biāo)準(zhǔn)化鎳基合金熱電偶，是國際新認(rèn)定的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，其分度為N。他的正極鎳84%，14%～14.4%的鉻，1.3%～1.6%的硅，不超過0.1%的其他元素；負(fù)極含鎳95%，4.2%～4.6%的硅，0.5%～1.5%的鎂。

N型熱電阻是一種比K型熱電阻更好的，能用到1200℃的廉價金屬熱電偶，其抗氧化性能強，不受短程有序化的影響。除非有保護(hù)管保護(hù)，這種熱電偶也像K型熱電偶一樣，不能在高溫下用于硫，還原性火還原于氧化交替的氣氛中，高溫下不能用于真空中。

（2）應(yīng)用：我國火電廠主蒸汽溫度的測量大都采用K型熱電偶作為一次元件，目前存在著測溫精度不高的問題。為了提高主蒸汽溫度測量的準(zhǔn)確性，用N型熱電偶替換K型熱電偶是一個有效的技術(shù)措施。目前,N型熱電偶已在火電廠主蒸汽溫度測量中應(yīng)用。N型熱電偶具有熱電特性穩(wěn)定，使用壽命長和非線性誤差小等優(yōu)點，提高主蒸汽溫度測量的精度，滿足了火電機組運行規(guī)程的要求。在用N型熱電偶測量主蒸汽溫度成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上，也可以用N型熱電偶測量過熱器和汽缸等金屬壁的溫度。

圖2 火電廠專用的N型熱電阻

4 結(jié)語

熱電偶在工業(yè)生產(chǎn)中的重要性是無可比擬的，正是由于它們的應(yīng)用使我們的生產(chǎn)變得更加地方便、快捷、精確。尤其對于N型熱電偶來說，由于它的穩(wěn)定性好，精確度高等原因，已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中逐漸代替K型熱電偶，所以N型熱電偶在工業(yè)生產(chǎn)特別是在火電廠的應(yīng)用中的發(fā)展前景不可限量。

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