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电力行业

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热电偶概述、经营原则、附件、类型、比较以及应用

发布时间:2019-06-19 09:55:18来源:


热电偶概述
      在电力工程和工业中,热电偶是广泛使用的温度传感器类型,并且还可以用作将热势差转换成电势差的手段。它们便宜且可互换,具有标准连接器,并且可以测量各种温度。它们测量两点之间的温差,而不是绝对温度。它们的主要限制是准确性:小于1 开尔文(K)的系统误差可能难以实现。本文介绍了热电偶概述、经营原则、附件、类型以及应用。
热电偶的经营原则
      1821年,德国 - 爱沙尼亚物理学家托马斯约翰塞贝克发现,当任何导体(如金属)受到热梯度时,它会产生电压。这现在称为热电效应或塞贝克效应。任何测量该电压的尝试都必然涉及将另一导体连接到“热”端。然后,这个额外的导体也会经历温度梯度,并产生与原始电压相反的电压。幸运的是,效果的大小取决于使用的金属。使用不同的金属来完成电路会产生一个电路,其中两个支路产生不同的电压,从而留下可用于测量的电压的微小差异。这种差异随着温度的增加而增加,对于现代的可用金属组合,通常可以在每摄氏度1到70微伏(μV/°C)之间。某些组合已成为行业标准,受成本,可用性,便利性,熔点,化学性质,稳定性的驱动,和输出。这两种金属的耦合使热电偶得名。
      热电偶测量两点之间的温差,而不是绝对温度。在传统应用中,其中一个结 - 冷结 - 保持在已知(参考)温度,而另一端连接到探针。
      提供已知的温度冷端,虽然对实验室校准有用,但对于大多数直接连接的指示和控制仪器而言根本不方便。它们将使用其他热敏器件(如热敏电阻或二极管)的人工冷端连接到电路中,以测量仪器输入连接的温度,并特别注意尽量减少端子之间的温度梯度。因此,可以模拟来自已知冷结的电压,并应用适当的校正。这被称为冷端补偿。
      另外,设备可以通过计算执行冷端补偿。它可以通过两种方法之一将器件电压转换为温度。它可以使用查找表[4]中的值或使用多项式插值进行近似。
      热电偶可以产生电流,这意味着它可以用于直接驱动某些过程,而无需额外的电路和电源。例如,当出现温差时,来自热电偶的功率可以激活阀门。由热电偶产生的电能是必须连续供应到热电偶的热侧以保持电势的热能的转换。热流是必要的,因为流过热电偶的电流趋向于使热侧冷却并且冷侧加热(珀耳帖效应)。
      上海自动化仪表三厂热电偶可以彼此串联连接以形成热电偶,其中所有热接点暴露于较高温度并且所有冷接点暴露于较低温度。各个热电偶的电压相加,可以提供更大的电压和更高的功率输出,从而提高仪器的灵敏度。随着超铀元素的放射性衰变提供热源,这种安排已经被用于为太空太远的太空船提供太阳能。
热电偶的附件
      热电偶材料有多种不同的冶金配方可供选择,例如:(以降低的精度和成本水平列出)特殊的误差限制,标准和扩展等级。延伸级导线比专用热电偶导线更便宜,并且通常在更受限制的温度范围内指定其精度。当测量点远离测量仪器时,使用延伸级导线比标准或特殊限制材料在经济上可行,并且在窄范围内(通常包括环境温度)具有非常相似的EMF热系数。在这种情况下,标准或特殊限制的导线接头连接到温度测量区域之外的延伸级导线,以便传输到仪器。
      沿着热电偶长度的冶金学变化(例如终端条或热电偶类型线的变化)将引入另一个热电偶结,这会影响测量精度。此外,在美国,行业标准是热电偶颜色代码用于正极引线的绝缘,而红色是负极引线。
热电偶电压温度关系
 
      热电偶电压关系的温度差和热电偶的输出电压之间是非线性的,并且由多项式近似:
 
      对于N,从0到5到9给出系数a n。
      为了实现精确测量,等式通常在数字控制器中实现或存储在查找表中。[4]一些旧设备使用模拟滤波器。
热电偶的类型
      提供各种热电偶,适用于不同的测量应用。它们通常根据所需的温度范围和灵敏度进行选择。具有低灵敏度(B,R和S类型)的热电偶具有相应较低的分辨率。其他选择标准包括热电偶材料的惰性,以及它是否是磁性的。下面列出热电偶类型,首先是正电极,然后是负电极。
ķ
 
      K型热电偶。
 
      S型和K型热电偶,S型热电偶部分地套有刚玉管。
      K型(铬镍铝合金)是最常用于通用热电偶的。它价格低廉,并且由于其广泛使用,可用于各种探头。它们的工作温度范围为-200°C至+ 1350°C。K型是在冶金比现在不太先进的时候指定的,因此,实例之间的特性差别很大。在某些情况下会出现另一个潜在的问题,因为其中一种构成金属镍是磁性的。用磁性材料制成的热电偶的一个特征是当磁性材料达到其居里点时它们经历阶跃变化。这种热电偶在354°C时会发生这种情况。灵敏度约为41μV/°C。
E
      E型(铬 - 康铜)[4]具有高输出(68μV/°C),非常适合低温使用。另外,它是非磁性的。
J
      由于其范围有限(-40至+ 750°C),J型(铁 -康斯坦坦)不如K型受欢迎。主要应用是旧设备,不能接受现代热电偶。铁的居里点(770°C)导致特性的突然变化,这就是温度上限。J型热电偶的灵敏度约为50μV/°C。[3]
N
      N型(nicrosil-nisil)热电偶适用于高温,超过1200°C,因为它们具有稳定性和抗高温氧化能力。灵敏度在900°C时约为39μV/°C,略低于K型。设计为改进型K型,它正变得越来越流行。
B,R和S.
      B,R和S型热电偶对每根导线使用铂或铂 - 铑合金。这些是最稳定的热电偶之一,但灵敏度较低,约为10μV/°C,比其他类型的热电偶低。这些的高成本使它们不适合一般使用。通常,B型,R型和S型热电偶仅用于高温测量。
      B型热电偶对每根导线使用铂 - 铑合金。一根导体含有30%的铑,而另一根导体含有6%的铑。这些热电偶适用于高达1800°C的温度。B型热电偶在0°C和42°C时产生相同的输出,限制其使用温度低于约50°C。
      R型热电偶使用铂铑合金,其中一种导体含有13%的铑,另一种导体含有纯铂。R型热电偶的使用温度最高可达1600°C。
      S型热电偶使用铂铑合金,一种导体含10%铑,另一种导体含纯铂。与R型一样,S型热电偶的使用温度最高可达1600°C。特别是,S型用作金的熔点(1064.43℃)的校准标准。
T
      T型(铜 -康斯坦丁)热电偶适用于-200至350°C范围内的测量。通常用作差分测量,因为只有铜线接触探头。由于两个导体都是非磁性的,因此没有居里点,因此特性没有突然变化。T型热电偶的灵敏度约为43μV/°C。
C
      C型(钨 5%铼 -钨26%铼)热电偶适用于0°C至2320°C范围内的测量。该热电偶非常适用于极高温度的真空炉,绝不能在温度高于260°C 的氧气存在下使用。
M
      M型热电偶每根导线使用镍合金。正极线含有18%的钼,而负极线含有0.8%的钴。出于与C型相同的原因,这些热电偶用于真空炉中。上限温度限制在1400°C。虽然它是一种不太常见的热电偶类型,但可以使用查找表将温度与EMF(毫伏输出)相关联。
镍铬 - 金/铁
      在铬镍金 / 铁热电偶中,正极线是铬镍合金,负极线是金,铁含量很小(0.03-0.15原子%)。它可用于低温应用(1.2-300 K甚至高达600 K)。灵敏度和温度范围都取决于铁浓度。在低温下灵敏度通常约为15μV/ K,最低可用温度在1.2和4.2 K之间变化。[6] [7] [8]
热电偶的比较
      下表描述了几种不同热电偶类型的属性。在公差列内,T表示热结的温度,单位为摄氏度。例如,容差为±0.0025×T的热电偶在1000°C时的容差为±2.5°C。
 
 
 
热电偶的应用
      热电偶最适合在高达1800°C的温度范围内进行测量。它们不太适合需要以高精度测量较小温差的应用,例如0-100°C,精度为0.1°C。对于这种应用,热敏电阻和电阻温度检测器更合适。
钢铁工业
      类型B,S,R和K热电偶在广泛使用的钢和铁工业监测温度和化学整个炼钢过程。一次性,浸入式S型热电偶通常用于电弧炉工艺,以便在攻丝前精确测量钢的温度。可以分析小钢样品的冷却曲线并用于估算钢水的碳含量。
加热设备安全
      许多燃气加热设备,如烤箱和热水器根据需要利用指示灯点燃主燃气燃烧器。如果指示灯由于任何原因而熄灭,则未燃烧的气体有可能释放到周围区域,从而产生火灾和健康危险。为了防止这种危险,一些电器使用热电偶作为故障安全控制来检测指示灯何时燃烧。热电偶的尖端放置在引燃火焰中。所产生的电压(通常约为20mV)操作负责给飞行员供电的供气阀。只要引燃火焰保持点亮,热电偶仍然保持热,并保持先导气阀打开。如果指示灯熄灭,温度将随着热电偶引线上相应的电压下降而下降,从而消除阀门的电源。
      一些称为毫伏控制系统的系统也将这一概念扩展到主气阀。导向热电偶产生的电压不仅会激活先导式燃气阀,还会通过恒温器为主燃气阀供电。这里,需要比上述引燃火焰安全系统更大的电压,并且使用热电偶而不是单个热电偶。这样的系统不需要外部电源用于其操作,因此可以在电源故障期间操作,只要所有相关的系统组件都允许这样做。请注意,这不包括常见的强制通风炉,因为操作鼓风机电机需要外部电源,但此功能对于无动力对流加热器特别有用。
      有时使用类似的使用热电偶的气体关闭安全机构来确保主燃烧器在一定时间内点燃,如果不发生则关闭主燃烧器气体供应阀。
      出于对常备飞行员浪费的能源的关注,许多新设备的设计者已经转向电子控制的无飞行点火,也称为间歇点火。如果没有静止的引燃火焰,如果火焰熄灭,则没有气体积聚的风险,因此这些设备不需要基于热电偶的安全先导安全开关。由于这些设计在没有连续电源的情况下失去了运行的好处,因此在某些设备中仍然使用常备飞行员。
热电偶辐射传感器
      热电偶用于测量入射辐射的强度,通常是可见光或红外光,其加热热结,而冷结位于散热器上。使用市售的热电偶传感器可以测量仅几μW/ cm 2的辐射强度。例如,一些激光功率计基于这样的传感器。
制造业
      热电偶通常可用于原型电力和机械设备的测试。例如,被测开关设备的电流承载能力可能会在热运行测试期间安装和监控热电偶,以确认额定电流下的温升不超过设计限值。
放射性同位素热电发电机
      热电偶也可用于在放射性同位素热电发电机中发电。
 
 
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