热电偶测温原理及应用_张明春

#工程技术#
热电偶测温原理及应用
张明春
攀宏钒制品厂
肖燕红
攀钢热轧板厂
摘要热电偶测温在钢铁冶金工业中有着重要的意义,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、温度测量的基本概念
温度是度量物体冷、热程度的物理量,在生产和科学中占有极其重要的地位,是国际单位制(SI)中7个基本物理量之一。

从能量角度来看,温度是描述系统不同自由度间能量发布状态的物理量;从微观上看,温度标志着系统内部分子无规则运动的剧烈程度,温度高的物体,分子平均动能大,温度低的物体,分子平均动能小;从热平衡观点来看,温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量。

而用来度量物体温度数值的标尺叫温标,它规定了温度的读数起点(零点)和测量温度的基本单位。

目前用的较多的温标有华氏温标、摄氏温标、热力学温标和国际实用温标。

温度测量方式有接触式和非接触式两大类。

接触式测温法是将传感器置于与物体相同的热平衡状态中,使传感器与物体保持同一温度的测温方法。

例如利用介质受热膨胀的原理制造的水银温度计,压力式温度计和双金属温度计等;利用物体电气参数随温度变化的特性来检测温度,如热电阻、热敏电阻、电子式温度传感器和热电偶等。

接触式测温仪表比较简单、可靠,测量精度较高;但因测温元件与被测介质需要进行充分的热交换,需要一定的时间才能达到热平衡,所以存在测温的延迟现象,同时受耐高温材料的限制,不能应用于很高的温度测量。

非接触式仪表测温是通过热辐射原理来测量温度的,测温元件不需与被测物体的表面介质接触,实现这种测温方法可利用物体的表面热辐射强度与温度的关系来检测温度。

有全辐射法、部分辐射法、单一波长辐射功率的亮度法及比较两个波长辐射功率的比色法等。

非接触式仪表测温的范围广,不受测温上限的限制,也不会破坏被测物体的温度场,反映速度快;但受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水汽等外界因素的影响,其测量误差较大。

二、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
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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t0X 0e 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100e 。

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~+1600e 均可连续测量,某些特殊热电偶最低可测到-269e (如金铁镍铬),最高可达+2800e (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。

三、热电偶的选型
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。

工业用热电偶作为温度测量仪表,通常用来和显示仪、记录仪等配套使用,以直接测量各种生产过程中从0e ~+1800e 范围内的液体、蒸汽和气体介质以及固体表面的温度。

并可根据用户的要求做成铠装、装配、防爆等适合多种工业现场和实验室要求的产品。

1.热电偶的分度号与测温范围的关系(见表1)
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表1热电偶的分度号与测温范围关系表
名称分度号测温范围直径(mm)允许误差e
铂老30)铂老6B0~1800e ª12、ª16、ª20、
ª25可选
?1.5e或?0.25%
t
铂老10)铂S0~1600e ª12、ª16、ª20、
ª25可选
?1.5e或?0.25%
t
铂老13)铂R0~1600e ª12、ª16、ª20、
ª25可选
?1.5e或?0.25%
t
镍铬)镍硅K-200~1300e ª12、ª16、ª20、
ª25可选
?2.5e或?0.75%
t
镍铬)康铜E-200~800e ª12、ª16、ª20、
ª25可选
?2.5e或?0.75%
t
镍铬)康铜T-200~350e ª12、ª16、ª20、
ª25可选
?2.5e或?0.75%
t
2.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~ 1600e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
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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0~1300e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。

3.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S0.5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15~35e,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。

4.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。

四、热电偶测温在攀钢热轧板厂中的应用
攀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。

加热炉分6个燃烧控制段进行加热:
u Z1:上部预热段Z2:下部预热段
u Z3:上部加热段Z4:下部加热段
u Z5:上部均热段Z6:下部均热段
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1100e~1300e。

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
接触式测温仪表(热电偶)测量温度比较简单、可靠,测量精度较高;但因测温元件与被测介质需要充分进行热交换,需要一定的时间才能到达热平衡,存在测温延迟现象,同时受耐高温材料的限制,不能应用于很高的温度测量。

非接触式仪表测温(红外测温)是通过热辐射原理来测量温度,测温元件不需与被测介质接触,测温范围广,不受测温上限的限制,也不会破坏被测物体的温度场,反应速度快,寿命长;但由于受灵敏度限制、测量光谱带宽的影响及物体的发射率、测量距离、粉尘和水气等外界因素的影响,其测量误差
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较大。

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]郑忠,何腊梅/红外测温技术及在钢铁生产中的应用0;
[2]李军,刘梅冬,曾亦可等/非接触式红外测温的研究0;
[3]师克宽/计量测量技术手册0。

(上接第51页)来?所以当规划标准一经确定,所有单位就必须按这个标准建设。

规划标准的确定,表面上看是技术问题,实际上是利益问题。

因此统筹协调有关单位是规划标准确定的关键。

在考察中也了解了这些城市在/城市一卡通0的建设中的教训。

重庆的教训是一开使就批准成立了两家公司从事/城市一卡通0业务,导致现在不是/一卡通0,而是两卡并存,两家都运营很好,谁也不服谁,而且一家是国有公司,一家是民营公司,现在要想整合非常难。

重庆市信产局的同志在交谈中,一再强调,一个城市一定只能批准一家公司从事/城市一卡通0业务。

而唐山市因为没有建立单独的/城市一卡通0运营公司,只是由唐山市商业银行内部的个人业务部负责这项工作,这个部因同时还要从事银行的其它业务,在开拓一卡通业务能力方面非常有限。

我们在考察中感到/城市一卡通0的管理运营明显比其它几个城市不足,如果有一个独立公司来运营,唐山的/城市一卡通0会搞得比现在要好。

这些城市的成功的经验和存在的问题对我市的/城市一卡通0建设有很大的启迪,可以使我们在建设中少走弯路,但我市和这些城市也有很大的不同,有自身的特点,所以我们需要借鉴外地的成功之路,更要根据我市的实际情况,走一条符合我市情况的建设和管理运营之路,把我市/城市一卡通0工作做好、做出特色来。

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