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热电偶

热电偶(英语:thermocouple)又称温差电偶,是一种被广泛应用的温度传感器,也被用来将热势差转换为电势差,作为“电温计”(electrical thermometer)。热电偶价格低廉、易于更换,测量时不需要外加电源,有标准接口,且具有很大的温度量程。主要的局限是精度,系统误差通常大于0.1摄氏度。

1821年,德国-爱沙尼亚物理学家托马斯·塞贝克发现,将两种不同金属各自的二端分别连接构成的回路,如果两种金属的两个结点处温度不同,就会在这样的线路内发生电流。现在这种现象被称为热电效应或“Seebeck效应”。

热电效应中电压的大小取决于金属的种类。在电路中使用不同的金属会产生不同的电压,这个电压被称为热电势,这个差值随温度的升高而增大而且可以被测量。对于目前常用的金属组合,这个差值通常大约在1到70微伏每摄氏度之间。一些常用的固定组合成为工业标准,选择热电偶类型时通常考虑到成本、适用、便利、熔点、化学性质、稳定性和输出。由于热电偶产生的电压很小,很多的应用是利用热电偶堆。

热电偶的工作原理图

热电偶是一种温度传感元件,它是一种主要仪器,它直接测量温度,然后将温度信号转换成热电动势信号,然后通过电气仪器(辅助仪器)将其转换成被测介质的温度。热电偶温度测量的基本原理是两个不同的组成材料导体形成一个闭环。 当两端都存在温度梯度时,电流将流过环路,并且两端之间将存在电动势。 -热电动势,即所谓的塞贝克效应。

具有不同成分的两个均质导体是热电极。 温度较高的一端是工作端,温度较低的一端是自由端。 自由端通常处于恒定温度下。 根据热电动势与温度之间的函数关系,编制了热电偶指数表。 当自由端温度为0℃时,得到指数表,不同的热电偶有不同的指数表。

当第三种金属材料连接到热电偶电路时,只要该材料的两个结点的温度相同,热电偶产生的热电势将保持不变,也就是说,它将保持不变。 不连接到第三金属。 进入循环。 因此,当热电偶测量温度时,可以连接测量仪器,并且在测量热电动势之后可以知道被测介质的温度。

如图所示,热电偶焊接两种不同材料的导体或半导体A和B,形成一个闭环。

 

热电偶的工作原理图
热电偶的工作原理图

当导体A和B的两个连接点1和2之间存在温差时,在两者之间会产生电动势,从而在回路中形成大电流。 这种现象称为热电效应。 热电偶利用这种效应起作用。

当结的温度升高时,两端组成不同的两条导体(称为热电偶线或热电极)形成回路。 在不同的时间,回路中会产生电动势。 这种现象称为热电效应,而这种电动势称为热电势。 热电偶使用此原理进行温度测量。 直接用于测量介质温度的一端称为工作端(也称为测量端),另一端称为冷端(也称为补偿端)。 冷端和显示屏连接仪表或辅助仪表时,显示屏会指出由热电偶产生的热电势。
热电偶实际上是一个能量转换器。 它将热能转换为电能,并使用生成的热电势来测量温度。

热电偶是如何工作的?

当热电偶的两根导线连接在一起形成一个焊接点时,其中一根连接到热电偶本体并测量温度。这被称为热或测量焊接点。第二个焊接点连接到已知温度的物体上,是参考焊接点或冷焊接点。热电偶测量未知温度并将其与已知温度进行比较。

热电偶的概念基于Seebeck、Peltier 和 Thomson 三位科学家发现的三种效应。

Seebeck 西贝克效应

当两种不同或不同种类的金属在两个焊接点处连接在一起时,会在两个焊接点处产生电动势(EMF),对于不同类型的金属而言,这个电动势是不同的。

Peltier 伏尔塔效应

当两种不同的金属连接在一起形成两个焊接点时,由于电路中两个焊接点的不同温度,会在电路中产生电动势。

Thomson 效应

Thomson 效应是指当一根棒的两端处于不同温度时,沿着棒的长度吸收热量。热量的温度与沿棒流动的电流温度有关。

热电偶的电路如下图所示,其中A和B是两根不同的导线,它们连接在一起形成一个焊接点。这两个焊接点处于不同的温度,以产生电路中的Peltier电动势,这是两个焊接点温度的函数。

热电偶工作原理
热电偶工作原理
热电偶工作原理
热电偶工作原理

电子既能携带热量,也能传导电流。如果加热铜丝的一端,电子将沿着导线移动到较冷的一端,形成导线上的温度梯度。这样,热量就被转化为能量。这一发现由伏尔塔和西贝克提出的原理同样适用于热电偶。当热电偶的两个焊接点处于不同的温度时,会产生毫伏信号,而这一信号对于一对导体材料是独特的,并在国际电工委员会的IEC 1977标准中有详细规定。按照这些标准制造的热电偶是可互换的,无论其制造商或原产国如何。

为了使热电偶更有价值,需要使用冰或水浴进行冷焊接点补偿,以设定参考温度。正如上图所示,热电偶的两端保持在相同的温度,而将热焊接点与冷焊接点进行比较。热电偶导线越粗,它能够测量的温度就越高,但响应时间会变慢。如果热电偶的焊接点温度相同,将在焊接点处产生相等且相反的电动势(EMF),电流流动将为零。如果焊接点的温度不同,EMF就不会为零,电流将通过电路流动,就像热量通过铜丝流动一样。EMF通过电路的流动取决于金属的类型和两个焊接点的温度,这些都可以通过仪表进行测量。

热电偶标准

当热电偶的正负极材料都确定以后,热电势的大小只与热电偶的两端温度有关。如果一端温度恒定(通常称为参比端),则热电势就只与热端温度有关。为了方便使用,常用的热电偶的热端温度所对应热电势的大小已经被制成标准表,称为热电偶的分度表,参比端温度均为0℃。

热电偶类型

热电偶可分为两大类;一类由普通金属制成,一类由贵金属制成。普通金属成本较低,通常为铜、铁或镍合金。合金中金属的确切比例不确定,但电压/温度响应曲线是确定的。因此,在微观层面来看,来自两个不同供应商的普通金属热电偶导线可能具有不同的金属比例。贵金属热电偶由铂和铑等贵金属制成。贵金属的确切纯度和比例是确定的,其电压/温度曲线也是确定的。

S型:铂铑10合金/铂

这是一种贵金属热电偶,铂铑10合金(铂占90%,铑占10%)为正极,铂为负极。电极直径通常为0.5mm,长期使用温度可达1300℃,短期使用可达1600℃,有很好的复现性和稳定性,在国际适用温标中在630.74~1064.43℃范围内用它做标准仪器。这种热电偶的热势率较小,平均灵敏度为0.009mV/℃左右。价格贵,非线性大,不能在还原性气氛及含有金属或非金属蒸汽的气氛中使用,在真空中可以短暂使用。

B型:铂铑30合金/铂铑6合金

长期使用的最高温度可达1600℃,短期可达1800℃。性能稳定,测试准确度较高,适宜于氧化性介质和中性介质中使用,不能在还原性气氛及含有金属或非金属蒸汽的气氛中使用。热电势率比S型的更小。

K型:镍铬合金或镍铝合金

K型热电偶
K型热电偶

这是最常用的热电偶。温度量程自−200℃到+1200℃。磁性。敏感度41 µV/℃。

E型:镍铬合金或铜镍合金

高输出(68 µV/℃),非磁性。

J型:铁或铜镍合金

有限量程(−40至+750℃),不可用于760℃以上,敏感度约为52 µV/℃。

T型:铜或铜镍合金

有限量程(−250至+350℃),敏感度约为43 µV/℃。

N型:镍铬硅合金或镍硅合金

高稳定性,抗高温氧化。可用于高于1200℃。900℃时,敏感度39 µV/℃,略低于K型。

下面列出了一些常用的热电偶类型及其使用范围。

热电偶类型 使用范围(不包括电线绝缘限制) 导线组成
Type K -270 to 1370C  (-454 to 2500F) Ni-Cr (+ve ) and Ni -Al
Type N -270 to 1300C  (-454 to 2372F) Ni-Cr-Si (+ve ) and Ni-Si-Mg
Type T -270 to 400C (-454 to 752F) Cu (+ve) and Cu-Ni
Type J -210 to 1200C (-346 to 2193F) Fe (+ve) and Cu-Ni
Type E -270 to 1000C (-454 to 1832F) Ni-Cr (+ve) and Cu -Ni
Type R -50 to 1768C (-58 to 3214F) Pt-13% Rh (+ve) and Pt
Type S -50 to 1768C (-58 to 3214F) Pt-10% Rh (+ve) and Pt
Type B 0 to 1768C (32 to 3308F) Pt-30% Rh (+ve) and Pt

含有铂、铑等熔点较高金属的贵金属热电偶被用来采集+1000°C以上的温度,而廉金属热电偶则常用于采集低于+1000°C的温度。
下面描述了各类热电偶的特点。

B热电偶 由于相较其他贵金属热电偶,其铑含量更高,所以熔点和机械强度有所增加,使用寿命长。电动势极低,无法采集低温区域。主要用于采集R/S热电偶无法采集的温度更高的区域。
R/S热电偶 它也用于对耐久性有一定要求的高温区域。贵金属热电偶中R热电偶的使用率超高。
N热电偶 价格低廉,用于采集+1000℃以上的高温区域。
K热电偶 相较于贵金属热电偶,其价格低廉,现在工业用途中较为常见到它的身影。由于其电动势的直线性良好,具有较高的耐热和耐腐蚀性,因此可优先考虑使用K热电偶。
E热电偶 每1℃的电动势极大,是分辨率良好的类型。特别用于对温度进行精确采集。
J热电偶 是次于E热电偶的类型,其每1℃的电动势较大,分辨率优良。价格低于E热电偶也是其一大特点。
T热电偶 是低温区域(-200到+300℃)下的电动势特性优秀的类型。用于精确采集低温区域。
【按照温度选择热电偶的示例】
根据采集温度选择
希望跟热电偶一起掌握

热电偶结构

热电偶的一个关键优势在于:结构简单,能够针对具体应用进行设计;例如,在食品工业中,可将其轻松插到产品中,在金属热处理过程中,可将其焊接在产品上。可将热电偶尖端压平,以获得更好的热接触效果,或将其连接在磁铁上,以便快速固定。

导线绝缘层可采用 PTFE 或玻璃纤维编织带等柔性材料以起到绝缘作用,在温度较高时,还可提供金属或陶瓷护套。

热电堆

热电堆是一个将热能转变成电能的电子装置。通常是将热电偶进行串联,有时是并联。热电堆并不能测量绝对温度,不过可以输出一个与温差成比例的电压。对同样的温度差而言,热电堆内的电动势要比单个温差电偶产生的大得多,用它制成的温差电偶温度计测温灵敏度也高。

热电堆是红外线温度计的关键成分,而红外线温度计是广泛的使用于专业医疗上的耳温测量。他们也广泛的使用于热通量感应器(例如摩欧热堆或依珀利太阳热力计)与瓦斯炉的安全控管上。由热堆所产生的电压约有数十或数百毫伏特,与增加中的信号级别一样,这个装置也许会用在提供空间里的温度平均上。

热电偶的应用领域

热电偶由于其高精度、广泛的测量范围和适应性,被广泛应用于各种领域。以下是热电偶的一些主要应用领域:

  1. 工业控制和自动化: 热电偶常用于监测和控制工业过程中的温度。例如,在制造业中,可以用于控制炉温、烘烤温度和其他工艺参数。
  2. 能源领域: 热电偶在能源产业中的应用很广泛,用于监测发电设备、核反应堆和其他能源系统的温度。
  3. 热处理工艺: 在金属加工和热处理过程中,热电偶用于测量金属的温度,确保工艺参数得以控制,从而影响材料的性质和质量。
  4. 实验室研究: 热电偶被广泛应用于科学实验室,用于测量和监测试验设备中的温度,以支持科学研究。
  5. 医疗设备: 在医学领域,热电偶可用于测量体内或实验室设备的温度,例如血液冷却系统和实验室设备。
  6. 气象测量: 热电偶被用于气象站和气象探测器中,以测量大气和地面的温度,提供气象数据。
  7. 航空航天: 在航空和航天领域,热电偶可以用于监测飞机引擎、太空探测器和其他设备的温度。
  8. 食品和饮料加工: 热电偶被用于监测食品和饮料生产过程中的温度,确保产品的质量和安全性。
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