溫度計(jì)量熱電偶

一、塞貝克效應(yīng)
　　1821年，德國(guó)物理學(xué)家托馬斯.約翰.塞貝克將兩種不同的金屬導(dǎo)線首尾相連接在--起，構(gòu)成一個(gè)回路。他突然發(fā)現(xiàn),如果把其中的一個(gè)接點(diǎn)加熱而另一個(gè)接點(diǎn)保持低溫的話,回路中便出現(xiàn)電流,存在著熱電動(dòng)勢(shì)。他實(shí)在不敢相信，熱量施加于兩種金屬構(gòu)成的一個(gè)接點(diǎn)時(shí)會(huì)有電流產(chǎn)生,這就是塞貝克效應(yīng),也叫熱電效應(yīng),如圖1所示。
 
二、熱電偶的工作原理
　　將兩種不同的金屬導(dǎo)體焊接在一起,構(gòu)成閉合回路，如在焊接端(也稱測(cè)量端)加熱,將另一端(即參考端)溫度保持一定(一般為0℃),那么回路的熱電動(dòng)勢(shì)則會(huì)成為測(cè)量端溫度的單值函數(shù)。這種以測(cè)量熱電動(dòng)勢(shì)的方法來測(cè)量溫度的元件，即兩種成對(duì)的金屬導(dǎo)體,稱為熱電偶。
　　熱電偶是溫度測(cè)量中常用的測(cè)溫元件，根據(jù)熱電動(dòng)勢(shì)與溫度的函數(shù)關(guān)系,制成熱電偶分度表。分度表是自由端溫度在0℃時(shí)得到的,不同的熱電偶具有不同的分度表。熱電偶的熱電勢(shì)將隨著測(cè)量端溫度升高而增長(zhǎng),它的大小只與熱電偶材料和兩端的溫度有關(guān)，與熱電極的長(zhǎng)度、直徑無關(guān)。各種熱電偶如圖2所示。
 
在熱電偶的應(yīng)用中，存在著均質(zhì)導(dǎo)體定;律、中間導(dǎo)體定律、參考;電極定律、連接導(dǎo)體定律和中間溫度定律等。
三、熱電偶的技術(shù)性能和類別
　　熱電偶的測(cè)量范圍寬廣，一般可以從-200℃~1300℃，最大范圍可以從-270℃~2800℃,裝配簡(jiǎn)單、更換方便、抗震性能好、機(jī)械強(qiáng)度高、耐壓性能好。
　　常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)系列熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)系列熱電偶兩大類。所謂標(biāo)準(zhǔn)系列熱電偶是指國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系、最大允許誤差,并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶。非標(biāo)準(zhǔn)化系列熱電偶在使用范圍、數(shù)量上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶,一般也沒有統(tǒng)一的分度表,主要用于某些特殊場(chǎng)合的.測(cè)量。我國(guó)從1988年1月1日起,熱電偶全部按IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn),并指定S、B、E、K、RJ、T、N8種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。標(biāo)準(zhǔn)系列熱電偶如表1所示。
 
　　從理論上講,任何兩種不同導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)都可以配制成熱電偶，但是作為實(shí)用的測(cè)溫元件,對(duì)它的要求是多方面的。為了保證工程技術(shù)中的可靠性,以及足夠的測(cè)量精度,并不是所有材料都能組成熱電偶,-般對(duì)熱電偶的電極材料基本要求是:(1)在測(cè)溫范圍內(nèi)，熱電性質(zhì)穩(wěn)定，不隨時(shí)間而變化,有足夠的物理化學(xué)穩(wěn)定性,不易氧化或腐蝕;(2)電阻溫度系數(shù)小、導(dǎo)電率高、比熱小;(3)測(cè)溫中產(chǎn)生熱電勢(shì)要大,并且熱電勢(shì)與溫度之間呈線性或接近線性的單值函數(shù)關(guān)系;(4)材料復(fù)制性好、機(jī)械強(qiáng)度高、制造工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜。
非標(biāo)準(zhǔn)系列熱電偶主要有鎢錸系、銥銠系鎳鉬系、鈀鉑系、鎳鉻-金鐵銀金-金鐵等熱電偶。
　　鎢錸熱電偶的測(cè)溫范圍為300℃~2000℃，可延續(xù)到2500℃,適宜在惰性氣體、氫氣或真空中使用,目前這種熱電偶已較普遍地用于高溫真空冶金和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中,如硬質(zhì)合金真空燒結(jié)過程中的溫度測(cè)量等。
　　鎳鉻-金鐵熱電偶在低溫區(qū)域有良好的特性,可用于0℃~-217℃的寬廣低溫區(qū)的測(cè)量。
　　快速微型熱電偶是一種特殊的熱電偶,這種熱電偶的特點(diǎn)是熱容量小、能快速反映被測(cè)物體的溫度,一般用于間斷測(cè)量鋼水等熔融金屬的溫度。當(dāng)溫度測(cè)出之后,熱電偶也已燒毀,故又稱為消耗型熱電偶。但這種熱電偶因其價(jià)格低廉、測(cè)量結(jié)果可靠、互換性好,目前已被廣泛使用。其他的特殊熱電偶還包括用于快速測(cè)溫或測(cè)量熱容量小的物體溫度的鎧裝熱電偶,用于測(cè)量固體表面溫度的表面熱電偶以及用于較高溫區(qū)、價(jià)格低廉的非金屬熱電偶等。
四、熱電偶測(cè)溫技術(shù)的最新發(fā)展
　　尋熱式熱電偶又稱連續(xù)熱電偶或熱偶式熱敏電纜，一種新型熱電偶。傳統(tǒng)的熱電偶在固定熱端(點(diǎn))與固定冷端(點(diǎn))之間產(chǎn)生熱.電勢(shì)。尋熱式熱電偶是利用熱電偶的熱電效應(yīng)，能夠連續(xù)自動(dòng)產(chǎn)生其長(zhǎng)度所及范圍內(nèi)(線)最高溫度與固定冷端(點(diǎn))之間的熱電勢(shì),是一種無固定熱接點(diǎn)的熱電偶。尋熱式熱電偶由熱電極、隔離材料和保護(hù)管三部分構(gòu)成。熱電極是一對(duì)平行的彼此隔開--定距離的導(dǎo)線，電極的分度號(hào)、材質(zhì)與標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶相似,材料不同，熱敏電纜的熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系亦不相同。熱電極之間緊密填充的隔離材料是用專門工藝制成的具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻材料。低溫時(shí)隔離材料電阻很大,是一種絕緣體。隨著溫度的升高，隔離材料電阻急劇降低,熱敏電阻材料是制造尋熱式熱電偶的關(guān)鍵。尋熱式熱電偶最外層是鎧裝金屬保護(hù)管。
　　尋熱式熱電偶長(zhǎng)度-般都在十幾米甚至幾十米，覆蓋面積大,可節(jié)約大量溫度傳感器和電測(cè)設(shè)備,如圖3所示尋熱式熱電偶外形。
 
　　由于尋熱式熱電偶的獨(dú)特功能,最初被發(fā)達(dá)國(guó)家作為高精技術(shù)產(chǎn)品鋪設(shè)在航空母艦和驅(qū)逐艦的艦艙以及軍用飛機(jī)等軍事設(shè)備中，目前已被廣泛應(yīng)用到化工、機(jī)械、能源、通信、電力、食品、印刷、倉(cāng)儲(chǔ)等大面積、大范圍、大空間場(chǎng)所以及危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)發(fā)熱、過熱現(xiàn)象的監(jiān)測(cè)、預(yù)警等,如圖4所示尋熱式熱電偶的應(yīng)用。