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热电偶测温原理及其焊接

2008-12-05 09:19:27　安规与电磁兼容网　来源：　作者：

前言jb5安规与电磁兼容网
热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是：jb5安规与电磁兼容网
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。jb5安规与电磁兼容网
②测量范围广。常用的热电偶从-50~+1600℃均可边续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）。jb5安规与电磁兼容网
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，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。jb5安规与电磁兼容网
热电偶测温基本原理jb5安规与电磁兼容网
首先,介绍一下热电偶, 热电偶是温度测量中应用最广泛的温度器件, 他的主要特点就是测吻范围宽, 性比较稳定, 同时结构简单, 动态响应好, 更能够远传4-20mA电信号, 便于自动控制和集中控制。热电偶的测温原理是基于热电效应。当两种不同的导体或半导体A和B的两端相接成闭合回路，就组成热电偶，如图6.1所示。jb5安规与电磁兼容网
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如果A和B的两个接点温度不同（假定 ），则在该回路中就会产生电流，这表明了该回路中存在电动势，这个物理现象称为热电效应或塞贝克效应，相应的电动势称为塞贝克电势。显然，回路中产生的热电势大小仅与组成回路的两种导体或半导体A、B的材料性质及两个接点的温度 有关，热电势用符号 表示。闭合回路中产生的热电势有两种电势组成; 温差电势和接触电势。温差电势是指同一导体的两端因温度不同而产生的电势, 不同的导体具有不同的电子密度, 所以他们产生的电势也不相同, 而接触电势顾名思义就是指两种不同的导体相接触时, 因为他们的电子密度不同所以产生一定的电子扩散, 当他们达到一定的平衡后所形成的电势, 接触电势的大小取决于两种不同导体的材料性质以及他们接触点的温度。目前国际上应用的热电偶具有一个标准规范, 国际上规定热电偶分为八个不同的分度, 分别为R, S, K, N, E, J 和T, 其测量温度的最低可测零下270摄氏度, 最高可达1800摄氏度, 其中B, R, S属于铂系列的热电偶, 由于铂属于贵重金属,所以他们又被称为贵金属热电偶而剩下的几个则称为廉价金属热电偶。热电偶的结构有两种, 普通型和铠装型如图6.2。普通性热电偶一般由热电极, 绝缘管, 保护套管和接线盒等部分组成, 而铠装型热电偶则是将热电偶丝, 绝缘材料和金属保护套管三者组合装配后, 经过拉伸加工而成的一种坚实的组合体。但是热电偶的电信号却需要一种特殊的导线来进行传递, 这种导线我们称为补偿导线。不同的热电偶需要不同的补偿导线, 其主要作用就是与热电偶连接, 使热电偶的参比端远离电源,从而使参比端温度稳定。补偿导线又分为补偿型和延长型两种, 延长导线的化学成分与被补偿的热电偶相同, 但是实际中, 延长型的导线也并不是?腿鹊缗枷嗤闹实慕鹗?一般采?腿鹊缗季哂邢嗤缱用芏鹊牡枷叽妗２钩サ枷叩挠肴鹊缗嫉牧咭话愣际呛苊髁? 热电偶的正极连接补偿导线的红色线,而负极则连接剩下的颜色。一般的补偿导线的材质大部分都采用铜镍合金。     jb5安规与电磁兼容网
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图6.2热电藕的内部结构jb5安规与电磁兼容网
常用热电偶及其结构jb5安规与电磁兼容网
1, 铂铑10%-铂热电偶jb5安规与电磁兼容网
    铂姥10%-铂热电偶型号为WTLB，其中WT指热电偶，LB为分度号，铂铑合金丝为‘+’极，纯铂丝为‘一’极。在1300℃以下可以长期使用。在良好的环境条件下，可测量1600℃高温。一般它作为精密测量和基准热电偶使用。在氧化性和中性介质中，铂铑-铂热电偶的物理、化学性能稳定，但在高温时易受还原性气体侵袭而变质。它的热电势较弱，价格也较贵。jb5安规与电磁兼容网
2,  镍铬-镍硅(或镍铬-镍铝)jb5安规与电磁兼容网
热电偶镍铬-镍硅热电偶型号为VREU。EU是分度号。镍铬为‘+’极，镍硅为'一'极。在氧化性和中性介质中， 能在900℃以下长期使用，但不耐还原性介质。它的热电势大，并且与温度的线性关系较好，价格亦便宜，但精度偏低。jb5安规与电磁兼容网
3,  镍铬-考铜热电偶jb5安规与电磁兼容网
     镍铬-考铜热电偶型号为WREA。EA为分度号。镍铬为'+'板，考铜为'一'极。在还原性和中性介质，能在600℃的以下长期使用，在800℃时可短期使用。它灵敏度较高，价格便宜。jb5安规与电磁兼容网
4,  铂铑30%-铂铑6%热电偶jb5安规与电磁兼容网
     铂铑30%-铂铑6%热电偶型号为WRLL。LL为分度号。铂铑30%为'+'极，铂铑6%为‘-’极。它可在1600℃高温下长期使用，在1800℃短期使用。其热电偶性能稳定，精度高。适用于氧化性和中性介质，但它的热电势极小，价格较高。jb5安规与电磁兼容网
5,  铜-康铜热电偶jb5安规与电磁兼容网
     铜-康铜热电偶型号为WRCK。CK为分度号。铜为‘+’极，康铜为‘一’极。在300℃以下其线性关系较好，并且价格低廉。在实验室中它是使用较多的热电偶。jb5安规与电磁兼容网
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热电偶的焊接jb5安规与电磁兼容网
IEC要求jb5安规与电磁兼容网
4.0 PROCEDURES(见图6.3)jb5安规与电磁兼容网
4.1 Thermocouples shall be prepared by staff trained in preparation of thermocouples.jb5安规与电磁兼容网
4.2 Thermocouples are to be prepared as noted:jb5安规与电磁兼容网
4.2.1 Inner insulation stripped back approximately 1.5 mm from tip.jb5安规与电磁兼容网
4.2.2 Outer insulation, if any, stripped back approximately 15 mm fromjb5安规与电磁兼容网
tip.jb5安规与电磁兼容网
4.2.3 The tip is to be joined by a single          point weld. Other reliable and consistent methods of joining the thermocouple wires may be used upon prior acceptancejb5安规与电磁兼容网
of the CTL.jb5安规与电磁兼容网
Note – Dimensions given are typical, not required.jb5安规与电磁兼容网
即要求:露出金属端为1.5mm,  剥掉外层绝缘为15mmjb5安规与电磁兼容网
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图6.3热电藕焊点要求 jb5安规与电磁兼容网
焊接jb5安规与电磁兼容网
(大众版) 电容焊借助于一组并联的电容(其容量约在2000~3000μF,电压在50V以下)经验值是20000μF。在放电的瞬间产生火花使电偶丝熔接在一起，形成球状的焊点,如图6.4所示jb5安规与电磁兼容网
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图6.4自制电藕焊接装置jb5安规与电磁兼容网
在输入供电30Vdc左右的情况下, 用镊子夹住热电藕的一头(包含两根线)去接触金属块。即可, 接触时请闭眼。 jb5安规与电磁兼容网
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1、石墨电炉焊接(专业版)jb5安规与电磁兼容网
焊接设备线路如图6.5所示。它由自耦变压器、石墨电炉及连接导线组成。将两根不同的热电极丝用砂纸去掉表面氧化物，焊接端扭成麻花状，端部剪齐，把两根电极丝夹紧在由与地端相连的引出线的夹子上，转动自耦变压器手轮，使自耦变压器的输出电压在35伏左右，而后将电极丝插入石墨粉内，由于短路产生的电弧使两根热电极丝插入端熔结。jb5安规与电磁兼容网
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图6.5 石墨电炉焊接线路图jb5安规与电磁兼容网
焊接时要注意掌握插入时间，若时间太长，熔结点会因电极丝继续熔化而掉落，并增加氧化；时间太短，则因电极丝未熔化而没有熔结。自耦变压器的输出电压，应根据焊接时的具体情况作适当调整。jb5安规与电磁兼容网
2、水银焊接jb5安规与电磁兼容网
    焊接设备线路同图6.6，只不过是将石墨电炉换成了玻璃缸，缸内盛水银，水银上面覆盖一层油用以阻止水银蒸发。jb5安规与电磁兼容网
    水银焊接其基本操作同石墨电炉焊接。由于水银的导电性比石墨强，故焊接电压可稍低些，水银焊接的速度要比石墨电炉焊接时快，焊接点的质量要比用石墨电炉焊接?谩?span style="display:none">jb5安规与电磁兼容网
3、电容焊接jb5安规与电磁兼容网
焊接设备线路如图6.19所示。220伏的交流电压由自耦变压器降压后，经桥式整流后得到直流电。当切换开关K使ab接通，则电容充电；当切换开关使cd接通，由于接在接线柱1、2上的两根电极丝短路，故电容充电，电极丝的触点因短路产生的电弧而熔结。jb5安规与电磁兼容网
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图6.6 电容焊接设备线路图jb5安规与电磁兼容网
    焊接时的直流电压可转动自耦变压器的手轮来调节，电容的容量也有专门的分路开关可供选择。焊接时若直流电压较高，则电容的容量应小些；直流电压比较低，则电容的容量应选得大些。电阻R为限流电阻。其功用是保护直流电压表。jb5安规与电磁兼容网
4、气焊jb5安规与电磁兼容网
气焊时必须开足乙炔气，而氧气要开得小一些，使其形成焰芯，使热电偶丝焊接成球的焊点。jb5安规与电磁兼容网
(注意)热电偶的接点焊好以后，须进行质量检查，看焊接点是否有裂缝、假焊等现象，否则需重新焊接.jb5安规与电磁兼容网
当我们把热电耦的两根线焊接到一起的时候, 会将第三种金属加到热电耦线路中,但只要热电耦两端的温度的一样的, 焊接应该不会造成误差. 不过 的确会限制我们可以加到垓接点的最高温度参见下图6.7.如果想要达到较高的量测温度, 就必须将接点予以熔接. 但是熔接也不是一个可以随便进行的过程, 如果过热的话, 就会造成电耦变质恶化, 而且电耦线进行熔接所使用的熔接气体与大气都有可能扩散到电耦金属内部而改变其特性.这样的困难又会因为需要结合的两种金属的性质差异极大而加剧.所以才采用电容放电技术可包一致性.
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图6.7热电耦的焊接jb5安规与电磁兼容网
固定热电偶热端的方法jb5安规与电磁兼容网
实验室中在壁面上固定热电偶热端的方法有如下三种方式：jb5安规与电磁兼容网
1）点接触jb5安规与电磁兼容网
    点接触固定法系将热电偶的工作端?附踊蚯督臃绞焦潭ㄔ诒诿嫔夏车恪Ｇ罢哂糜诒”冢笳哂糜诤癖凇Ｕ庵纸峁怪率雇ü鹊缗妓可⑹У娜攘縌，仅由该点供应，温度场变化较大，故测温误差较大。jb5安规与电磁兼容网
2）平行焊接触jb5安规与电磁兼容网
    平行焊接触系将热电偶的二根丝分别焊在被测璧面上，两焊点的间距保持1~5mm。由于热电偶散失的热量来源于两根电热丝之间的一个小区域。单位面积散失的热量较小，温度场的变化不大，测温误差不大。它适用于等温体和均匀材质的壁面。jb5安规与电磁兼容网
3)等温线接触jb5安规与电磁兼容网
    等温线接触系热电偶的工作端同壁面某点接触后其热电偶丝沿等温面敷设一段距离(约50倍热电偶丝的直径)后引出。这种固定方法的测温误差为最小，是实验研究中应用最广泛的方法。jb5安规与电磁兼容网
对于非金属壁面，往往先将热电偶焊接在导热性能良好的金属薄片上，如铜片，然后将该薄片和壁面紧密接触。由此可得到满意的测量结果。jb5安规与电磁兼容网
若被测壁面的一侧是流体，需注意热电偶丝固定在壁面上以后，流体流动受到影响，引起流动场的改变，相应地改变了流体与壁面间的传热情况和壁面温度场，产生较大的测温误差，为了减少对流体流动的影响，推荐采用嵌接法，并在焊接后将表面磨光，保持壁面的平滑。同时，热电偶导线必须从流体的下游方向引出，使导线对流动的影响发生在测温之后，从而达到使测温误差为最小。jb5安规与电磁兼容网
测量壁面温度时尚需注意测温点的选择。根据壁面测温的要求选取具有代表性的点作为测温点。例如:拟测量管子横断面的壁温，而且断面上存在温度分布。对于这种情况，可选取几个测温点，由各点的温度来计算其平均值表示该断面的壁温。jb5安规与电磁兼容网
总结jb5安规与电磁兼容网
为了保证测量温度的精度，除了上述感温元件的安装之外，尚须注意测温显示仪表和连接导线的安装。如，显示仪表是否远离强电场、强磁场;导线是否需要屏蔽，导线的电阻是否有要求;仪表的型号，规格是否与感温元件匹配，其测量精度是否符合要求。总之，显示仪表的安装需要符合该仪表样本中规定的安装要求执行。jb5安规与电磁兼容网
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参考文献:jb5安规与电磁兼容网
1. 测量仪表与测量方法jb5安规与电磁兼容网
2. 热电偶温度计制造与标定jb5安规与电磁兼容网
3. 热电偶原理测温及其应用定则jb5安规与电磁兼容网
4. 热电阻和热电偶的测量原理及区别jb5安规与电磁兼容网
5  .IEC: Laboratory Procedure for Preparation, Attachment, Extension and Use of Thermocouplesjb5安规与电磁兼容网