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熱電偶及其補償導(dǎo)線的實際應(yīng)用

作時間：2017-08-22 來源：作者：

今年《電子報》第 19 期第 9 版刊載了陶波先生的《熱電偶測溫工作原理與數(shù)字溫控器》一文,簡明地講述了熱電偶的有關(guān)知識。對了解熱電偶測溫技術(shù)有一定幫助�；蛟S由于篇幅關(guān)系,陶波先生未作進一步深入的闡述,以致或有部份讀者會感到文章"意猶未盡"。鑒于熱電偶在機械、軍工、科研、化工等領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛,同時,還有為數(shù)不少的業(yè)內(nèi)人士存在使用不當(dāng)?shù)那闆r。故再借《電子報》給予補充并發(fā)表筆者一孔之見,與廣大讀者朋友共同學(xué)習(xí)探討。

我們已經(jīng)知道,熱電偶接線情況如圖 1 所示:

圖中 t 稱為熱端或測溫端;接儀表端子處的 t0,系冷端或稱為參比端。由于熱電偶長度有限,距離熱源很近,該處的環(huán)境溫度很不穩(wěn)定。所以在實際時用時,都毫不例外地接上一段導(dǎo)線,"把冷端移至溫度較低且比較恒定的地方"。(見圖 2)。

而對導(dǎo)線的要求是,這二根導(dǎo)線必須分別和二根熱電偶絲的材料相同、或者熱電特性和熱電偶絲相接近,接了此導(dǎo)線后,其末端處的環(huán)境溫度(室溫)就比較低而相對恒定。測溫準(zhǔn)確度就可以提高。所以稱它為補償導(dǎo)線。

某些場合,對測溫的準(zhǔn)確度有很高的要求時(例如用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶檢定下一級熱電偶),往往把冷端置于 0℃的油中。這時因為 t0==0,所以熱電偶的輸出 mV 值可簡寫成

EAB(t,t0)=f(t)

就變?yōu)樵摕犭娕嫉膯我缓瘮?shù)了。這樣,只要查一次溫度一毫伏對照表便可得知被測對象的確切溫度。

采用上述的"冷端零度恒溫法"測溫時,從熱電偶冷端的接線端子(0℃)上再用導(dǎo)線和 mV 表連接。這種導(dǎo)線應(yīng)該是本身不產(chǎn)生電動勢的銅線。如果還是用補償導(dǎo)線的話,則冷端就仍然被延伸到 mV表的接線端子處。根據(jù)熱電偶"中間溫度定律",這零度恒溫就形同虛設(shè)了。

有些特種熱電偶也可以用來測量固體的溫度。但這種熱電偶的熱端大都焊有一塊面積較大的"平板",借以增大接觸面,從而獲得較多熱量以提高測量準(zhǔn)確度。同時還要求被測面盡可能平滑,否則也將產(chǎn)生很大負(fù)誤差。

目前shijie各國使用的熱電偶有二十余種之多。我國#常用的有三種。它們的部份參數(shù)、特點見

下列 1 表。鉑銠 10—鉑為貴金屬熱電偶;其余二類為廉金屬熱電偶。

從表 2 可知,三種熱電偶各有特點。即鉑銠 10—鉑的使用溫#度高;鎳鉻一銅鎳的熱電勢變化率大即靈敏度高(每變化 1℃時電壓變化將近 80μV);鎳絡(luò)一鎳硅的使用溫度較高,靈敏度也不錯。如何根據(jù)被測(控)溫對象,正確選擇和用好熱電偶,真還有些"學(xué)問"。大致歸納如下:

如果被測(控)溫對象超過 1300℃時,當(dāng)然得選用鉑銠 10—鉑熱電偶無疑。但這種熱電偶只適宜在強氧化性氣氛中工作,而且十分"嬌氣",萬一在高溫時遇到還原性氣體或其它腐蝕性介質(zhì),就會立即改變其成份,產(chǎn)生誤差。同時因鉑、銠材料價格昂貴,為了節(jié)約起見,#大直徑只做到 0.5mm(每米約重8 克)。這么小的直徑,必然比大直徑的更容易變質(zhì)。這一道理不難理解。尤其是它的熱電勢小,1300℃時也只有 13.155mV。只要變值±1%(13.020mV 或 13.287mV),就變成"1289℃"或"1311℃",誤差達到了±11℃之多。這么大的誤差顯然是無法容忍的。而有時甚至變值可多達幾十℃。

關(guān)于保護管的問題,大約有如下幾點需要注意:

1.對于鉑銠 10—鉑熱電偶,覺對不能像鎳絡(luò)一鎳硅或鎳鉻一銅鎳一樣直接套上金屬材料的保護管。因為金屬在高溫下,分子比較活躍,有金屬"蒸汽"逸出,附著于偶絲上,改變其材質(zhì)成份,于是產(chǎn)生誤差。

2.鉑銠 10—鉑熱電偶即使采用瓷保護管,也要求瓷材料的氧化鋁成份純度極高,至少達 95%以上。否則,氧化鋁中的雜質(zhì)在高溫下也會玷污偶絲。

3.使用鉑銠 10—鉑熱電偶,還要求測(控)溫場所的空氣相對純凈,不含還原性以及酸、堿、油、鹽等腐蝕性氣體。這是由于偶絲雖然被保護管封閉,但封閉的管子有"呼吸作用"。這是筆者從事溫度測控工作三十年積累的實踐經(jīng)驗,絕非憑空憶想。

4.上面已經(jīng)述及,鎳鉻一銅鎳熱電偶的主要特點是熱電勢大即靈敏度高,故在上世紀(jì) 80 年代前,多數(shù)單位遇有 600℃以下的測、控溫對象時,往往shou先考慮采用它,以期獲得較好的分辨率和靈敏度。但這一優(yōu)點,隨著電子技術(shù)的進步、溫度儀表各項性能的不斷提高而喪失了。筆者在此建議:凡是1100℃以下的對象(例如一個對象是 1000℃另一對象是 500℃),一律采用鎳絡(luò)一鎳硅熱電偶,以避免搞錯等管理上的麻煩。同時,還只須使用一種測控溫儀表(備品減少了),節(jié)約了資金。

5.那么,對于 1100℃以上的場合是否必須采用鉑銠 10—鉑熱電偶呢?回答是否定的。在 1200℃至1100℃左右,完全可以采用鎳絡(luò)一鎳硅熱電偶。如果在保護管中充填氧化鎂粉以隔絕空氣,則使用壽命還可以大幅提高。又如測量液體(例如鹽浴),則因有腐蝕作用,#好采用高耐熱鋼的外保護管。

6.鎳鉻一鎳硅熱電偶的#高使用溫度可達 1300℃,但壽命較短。因此,若溫度雖高但工作的時間不太長,也可以不用鉑銠 10—鉑熱電偶。想想看,一支鉑銠 10—鉑熱電偶的代價足以購買三、四十支鎳鉻一鎳硅熱電偶,為了經(jīng)濟效益,你將作何選擇?

7.在此還需提醒讀者朋友,guojia規(guī)定一般廉金屬熱電偶絲的的直徑是 2.5mm,但現(xiàn)在有些商家為了降低成本,仍在用 1.5mm(截面減少近 2/3)。壽命大打折扣。購買時務(wù)必注意。

下面再簡單地談一下補償導(dǎo)線;

補償導(dǎo)線按材料分,可分為補償型(即材料雖和熱電偶不同但在室溫范圍的熱電特性和熱電偶相近),和延長型(即材料完全和熱電偶相同)兩類。其中鉑銠 10—鉑熱電偶因價格昂貴不可能采用同種材料,所以只有一種補償型的;鎳鉻一鎳硅熱電偶的補償導(dǎo)線,則既有補償型又有延長型(原因是:延長型材料是鎳和鉻,價格比較貴一些;補償型材料以銅為主,價廉且電阻值小)。而鎳鉻一銅鎳因本身就屬于廉金屬,故就不必再生產(chǎn)補償型了。

補償型補償導(dǎo)線的型號表述,是以與其配用熱電偶的分度號后面加上C字(例如鉑銠10—鉑熱電偶的補償導(dǎo)線以SC表示);延長型補償導(dǎo)線的型號,則是以與其配用熱電偶的分度號再上X(例如鎳鉻一鎳硅熱電偶的延長型補償導(dǎo)線用 KX 表示)。

補償導(dǎo)線有單股(硬)和多股(軟)兩類。其截面積有 0.5～2.5mm 2 之間共四種規(guī)格。另外,它還有"一般用"和"耐熱用"之分,耐熱用補償導(dǎo)線用聚四氟乙烯或玻璃纖維作絕緣層,適宜用于環(huán)境溫度較高的場合。表 3 為"一般用"補償導(dǎo)線部份數(shù)據(jù):

同樣,對于補償導(dǎo)線的應(yīng)用,筆者也有幾點經(jīng)驗,供朋友們參考。

如前所述,補償導(dǎo)線(室溫附近)的熱電特性必須和與之配套的熱電偶相接近,被測溫度才能得到完善的補償。因而對補償導(dǎo)線的成份同樣有一定的要求。但近二十年來,市場上的補償導(dǎo)線魚龍混雜,一些小作坊和不法商人用鐵絲冒充鎳鉻絲、用銅絲冒充銅鎳絲等等。在我匱子內(nèi)收集有不少于 20個"品牌"的各類假補償導(dǎo)線。這些"補償導(dǎo)線"的補償量有補償不足的;有補償過度的;也有補償量等于零的;甚至還有"反補償"(即是產(chǎn)生負(fù)電勢,抵消一部份總電壓)的。形形色色,不一而足。因此,請注意下列幾點。

1.補償導(dǎo)線要直接到生產(chǎn)單位購買。千萬不要去小商鋪買。因為真假補償導(dǎo)線的價格可相差二至三倍之多。商家為了利潤,自然更趨向于選擇廉價的品種。我收集的二十種假補償線,多半是來自上海某知名五金街的商鋪。另有一部份是直接向江蘇某縣幾家生產(chǎn)單位索取(而他們也供應(yīng)真品,但價格貴二、三倍)。

2.對在用的或新購的補償導(dǎo)線�？梢杂脺y熱電勢的方法來鑒別其真?zhèn)魏蛢?yōu)劣。方法是截取一段(例如 300～500mm)補償導(dǎo)線,將其兩端的絕緣層剝?nèi)ァＲ欢擞娩摻z鉗等工具將兩根偶絲緊緊絞合起來,這樣就做成了一支臨時"熱電偶"。把絞合的一端(熱端)放入沸騰的熱水(或熱水瓶)中,另一端(冷端)接有"冷端溫度自動補償"的便攜式測溫儀表(注意正、負(fù)極)。測溫儀如顯示 97～103℃范圍內(nèi)就系真品;如誤差在±6℃左右則為劣質(zhì)品,但免強可用;又如測溫儀顯示零度或只有幾十度甚至是負(fù)值,則系假貨。就千萬不可繼續(xù)使用,否則將產(chǎn)生極大的誤差,影響產(chǎn)品質(zhì)量甚至使之成為廢品。相關(guān)tuijian：雙金屬溫度計

3.補償導(dǎo)線的線徑,和熱電偶絲一樣,也有多種規(guī)格。市場供應(yīng)#粗的一種為 2.5mm 2 (見表 3)。這種導(dǎo)線的負(fù)極既粗又硬,與熱電偶、儀表的連接都十分困難。那么,導(dǎo)線制造廠為什么要生產(chǎn)這么粗的導(dǎo)線呢?因為導(dǎo)線單位長度的電阻值,因線徑的不同而大相徑庭。當(dāng)然導(dǎo)線越粗,電阻值就越小。用于上世紀(jì)六、七十年代的低輸入電阻的動圈式儀表上,可以使儀表的輸入端分得盡可能多的電壓(見圖 3)。

設(shè)熱電偶的熱電勢為 E,儀表分得的電壓為 U,則

U=[R1/(R1+R2)]E

當(dāng)然 R1 越小儀表實際得到的電壓就越高,誤差也就越小。但如今動圈式儀表早已淘汰,取而代之的是各類電子儀表,其輸入阻抗都在幾十千歐姆以上。對補償導(dǎo)線不大于幾十歐姆的電阻值已是微不足道了。所以,宜選用較細(xì)的 1.5mm 2 的補償導(dǎo)線為好。

4.對于鎳鉻一鎳硅熱電偶的補償導(dǎo)線,筆者曾從價格及使用效果等各方面作過一些研究,結(jié)論是1.5mm 2 延長導(dǎo)線的成本反而比 2.5mm 2 補償導(dǎo)線(正極銅線負(fù)極銅鎳合金線)為低。而機械強度、溫度補償準(zhǔn)確度、穿管和接線的方便度以及使用壽命等等更是大大優(yōu)于后者。筆者曾就此在中國自動化學(xué)會上海地區(qū)發(fā)表過論文一篇(后由《自動化儀表》雜志轉(zhuǎn)載),得到大型國企上海石化等多家單位采納。又因鎳鉻絲和鎳硅絲強度高,即使采用了 1.0mm 2 的導(dǎo)線,也不易折斷。由此,筆者建議,今后不要再去購買補償型的了。