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热电偶工作原理及种类结构

前言
  热电偶是应用热电效应实现温度测量的敏感元件(光电式传感器),即一种感温元件(一次仪表)。在工业应用上它的主要作用是检测温度,并把温度信号转换成热电动势信号,通过电气仪表(二次仪表)转换成被测介质的温度(压力传感器)。
热电偶工作原理
  热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过,此时两端之间就存在电动势——热电动势,这就是所谓的塞贝克效应。两种不同成份的均质导体为热电极,温度较高的一端为工作端,温度较低的一端为自由端,自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系, 制成热电偶分度表; 分度表是自由端温度在0时的条件下得到的,不同的热电偶具有不同的分度表。在热电偶回路中接入第三种金属材料时, 只要该材料两个接点的温度相同, 热电偶所产生的热电势将保持不变,即不受第三种金属接入回路中的影响。因此, 在热电偶测温时, 可接入测量仪表, 测得热电动势后, 即可知道被测介质的温度。将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来,构成一个闭合回路。当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时,两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。
热电偶的种类及结构
  (1)热电偶的种类
  常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。
  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可供选用。标准化热电偶按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。
  非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶,一般也没有统一的分度表,主要用于某些特殊场合的测量。
  (2)热电偶的结构形成
  热电偶的结构形式为了保证热电偶可靠、稳定地工作,对它的结构要求如下:
  ①组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固;
  ②两个热电极彼此之间应很好地绝缘,以防短路;
  ③补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠;
  ④保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。
热电偶测温的优点
  ①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。
  ②测量范围广。常用的热电偶从-50~+1600℃均可连续测量,某些特殊热电偶低可测到-269℃(如金铁镍铬),高可达+2800℃(如钨-铼)。
  ③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,外有保护套管,用起来非常方便。
热电偶冷端的温度补偿技术
  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。
  补偿导线工作原理:在一定温度范围内,具有与其匹配的热电动势标称值相同的一对带绝缘包覆的导线叫补偿导线。用它们连接热电偶与测量装置,以补偿热电偶连接处的温度变化所产生的误差。
补偿导线特点
  ①热电特性稳定,电绝缘性能好,使用寿命长。
  ②柔软,弯曲性能能好,使用方便。
  ③包覆层材料稳定可靠,具有一定的耐温性和耐寒性能。
对于热电偶的热电势,应注意如下几个问题
  1、热电偶的热电势是热电偶两端温度函数的差,而不是热电偶两端温度差的函数;
  2、热电偶所产生的热电势的大小,当热电偶的材料是均匀时,与热电偶的长度和直径无关,只与热电偶材料的成份和两端的温差有关;

  3、当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后,热电偶热电势的大小,只与热电偶的温度差有关;若热电偶冷端的温度保持一定,这进热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。


 
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