热电偶温度计的测温原理选型及其应用文档格式.docx
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5.1.3热辐射………………………………………………………………10
5.1.4冷端温度………………………………………………………………11
5.2热电偶温度计的选型………………………………………………………11
六现场安装及其注意事项………………………………………………………………13
七总结……………………………………………………………………………………13
八参考文献………………………………………………………………………………15
一、摘要
热电偶温度计是一种最简单﹑最普通,测温范围最广的温度传感器,是科研﹑生产最常用的温度传感器。
在使用时不注意,也会引起较大测量误差。
针对当前存在的问题,详细探讨影响测量误差的主要因素:
热电偶插入深度﹑响应时间﹑热辐射及冷端温度等因素对测量的影响;
在使用时应该怎样选择热电偶温度计,以及使用时的一些安装注意事项,这对提高测量精度,延长热电偶寿命,都有一定的意义。
二、热电偶温度计的测温原理
热电偶温度计是一种感温元件,把温度信号转换成热电动势信号,通过电气仪表转换成被测介质的温度。
热电偶测温的基本原理是两种不同成份的均质导体组成闭合回路,当两端温度不同时,回路中就会产生电势,这种现象称为热电效应(或者塞贝克效应)。
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°
C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。
热电偶温度计测温原理图如图所示:
其中,T是热端、工作端或者测量端,
称为冷端、自由端或者参比端。
A和B称为热电极,热电势
的大小由接触电势和温差电势决定。
(1)接触电势:
也叫珀尔电势,其大小表示为:
其中:
——导体A和B在温度为T时的接触电势,A和B的顺序代表电动势的方向;
k——玻尔兹曼常数;
T——接触处的绝对温度;
e——单位电荷量;
、
——分别为金属A和B的自由电子密度。
由接触电势的公式可知:
接触电势的数值取决于导体材料的性质和接触点的温度;
接触点的温度越高,接触电势越大;
两种导体电子密度的比值越大,接触电势也越大。
(2)温差电势:
是基于汤姆逊效应产生的,即同一导体的两端因其温度不同而产生的电动势。
其大小表示为:
Δa、δB——分别为导体A和B的汤姆逊系数;
eA(T,
)、eB(T,
)——分别为导体A和B两端温度在T和
(T>
)时的温差电势;
K——玻尔兹曼常数;
温差电势的大小与导体材料的性质及两端的温度差有关,温差越大,温差电势也越大,当T=T0时,温差电势为零。
(3)热电偶温度计闭合回路的总热电势
如图所示,热电偶闭合回路中,回路总电势由4个部分组成,2个温差电势:
(T,
)和
),2个接触电势
(T)和
(
),其大小和方向如图中所示,则总电势为
由上面的式子可知,热电偶总电势与两接点温度有关。
若使冷端温度
固定,即ƒ(
)=C(常数),则对确定的热电偶材料,其总电势
只与热端温度T有关,即
所以,热电偶所产生的热电势
只和热端温度T有关,因此测得热电势的大小,就可求得热端温度T,这就是用热电偶测量温度的工作原理。
三、热电偶温度计的组成结构及其作用和特点
1、热电偶温度计的组成结构
从结构形式上看,热电偶可以分为:
普通型、铠装型、薄膜型三种。
热电偶的基本结构是热电极,绝缘材料和保护管;
并与显示仪表、记录仪表或计算机等配套使用。
在现场使用中根据环境,被测介质等多种因素研制成适合各种环境的热电偶。
热电偶简单分为装配式热电偶,铠装式热电偶和特殊形式热电偶;
按使用环境细分有耐高温热电偶,耐磨热电偶,耐腐热电偶,耐高压热电偶,隔爆热电偶,铝液测温用热电偶,循环硫化床用热电偶,水泥回转窑炉用热电偶,阳极焙烧炉用热电偶,高温热风炉用热电偶,汽化炉用热电偶,渗碳炉用热电偶,高温盐浴炉用热电偶,铜、铁及钢水用热电偶,抗氧化钨铼热电偶,真空炉用热电偶,铂铑热电偶等
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。
2、热电偶温度计的作用和特点
(1)作用:
热电偶温度计实际上是一种能量转换器,它将热能转换为电能,用所产生的热电势测量温度。
用于测量各种温度物体,测量范围极大,远远大于酒精、水银温度计。
它适用于炼钢炉、炼焦炉等高温地区,也可测量液态氢、液态氮等低温物体。
(2)特点:
①测量精度高:
热电偶与被测对象直接接触,把温度信号直接转换成直流电势信号,便于信号的传递与显示,不受中间介质的影响;
②动态响应时间快:
热电偶对温度变化反应灵敏,可以远传4-20mA电信号,便于自动控制和集中控制;
③测量范围广:
可达-200~2000℃以上,是应用最广的测温传感器;
④结构简单、体积小、易加工,性能可靠,机械强度好;
⑤使用寿命长,安装方便。
四、热电偶温度计测温技术中涉及到的定则
1、均质导体定则
由均质材料(指电子密度处处相同)构成的热电偶,热电势仅与组成热电偶的材料、热端和冷端的温度有关,而与热电偶的几何形状、尺寸大小和沿电极温度分布无关。
结论:
(1)热电偶必须由两种不同性质的材料组成,且热电偶两接点温度不同。
(2)由一种材料组成的闭合回路存在温差时,回路如果产生热电势,便说明该材料是不均匀的。
这也是检查热电极材料均匀性的一种方法。
2、中间导体定则
在热电偶回路的任何地方插入第三种均质导体,只要保证插入的第三种导体两端温度相同,则插入第三种导体后,对热电偶回路中的总电势没有影响。
如图所示:
作用:
为在热电偶回路中连接仪表、连接导线等提供理论依据。
即只要保证连接导线、仪表等接入时两端温度相同,则不影响回路热电势。
3、连接导体和中间温度定则
在热电偶回路中,若热电极A、B分别与导体A’、B’相连,接点温度分别为T,
和
时,则回路总电势为热电偶的热电势EAB(T,
)与连接导体热电势EA’B’(
,
)的代数和—连接导体定律。
在热电偶回路中应用补偿导线提供了理论依据;
为制定和使用热电偶分度表奠定了基础。
五、热电偶温度计的误差分析及选型
1、影响测量误差的主要因素
(1)插入深度
其中包括:
a.测温点的选择:
热电偶的安装位置,即测温点的选择是最重要的。
测温点的位置,对于生产工艺过程而言,一定要具有典型性、代表性,否则将失去测量与控制的意义。
b.插入深度:
由热传导而引起的误差,与插入深度有关。
而插入深度又与保护管材质有关。
金属保护管因其导热性能好,其插入深度应该深一些(约为直径的15—20倍),陶瓷材料绝热性能好,可插入浅一些(约为直径的10-15倍)。
(2)响应时间:
接触法测温的基本原理是测温元件要与被测对象达到热平衡。
因此,在测温时需要保持一定时间,才能使两者达到热平衡。
而保持时间的长短,同测温元件的热响应时间有关。
而热响应时间主要取决于传感器的结构及测量条件,差别极大。
对于气体介质,尤其是静止气体,至少应保持30min以上才能达到平衡;
对于液体而言,最快也要在5min以上。
对于温度不断变化的被测场所,尤其是瞬间变化过程,全过程仅1秒钟,则要求传感器的响应时间在毫秒级。
因此,普通的温度传感器不仅跟不上被测对象的温度变化速度出现滞后,而且也会因达不到热平衡而产生测量误差。
最好选择响应快的传感器。
对热电偶而言除保护管影响外,热电偶的测量端直径也是其主要因素,即偶丝越细,测量端直径越小,其热响应时间越短。
测温元件热响应误差可通过下式确定[1]。
Δθ=Δθ0exp(-t/τ)⑴
其中t—测量时间S,
Δθ—在t时刻,测温元件引起的误差,K或℃
Δθ0—“t=0”时刻,测温元件引起的误差,K或℃
τ—时间常数Se——自然对数的底(2.718)
因此,当t=τ时,则Δθ=Δθ0/e即为0.368,
如果当t=2τ时,则Δθ=Δθ0/e2即为0.135。
当被测对象的温度,以一定的速度α(k/s或℃/s)上升或下降时,经过足够的时间后,所产生的响应误差可用下式表示:
Δθ∞=-ατ⑵
其中Δθ∞—经过足够时间后,测温元件引起的误差。
由式⑵式可以看出,响应误差与时间常数(τ)成正比。
(3)热辐射
插入炉内用于测温的热电偶,将被高温物体发出的热辐射加热。
假定炉内气体是透明的,而且,热电偶与炉壁的温差较大时,将因能量交换而产生测温误差。
在单位时间内,两者交换的辐射能为P,可用下式表示:
P=σε(Tw4-Tt4)(2—3)
其中σ—斯忒藩—波尔兹常数ε—发射率
Tt—热电偶的温度,KTw—炉壁的温度,K
在单位时间内,热电偶同周围的气体(温度为T),通过对流及热传导也将发生热量交换的能量为P′
P′=αA(T-Tt)(2—4)
其中α—热导率,A—热电偶的表面积
在正常状态下,P=P′,其误差为:
Tt-T=σε(Tt4-Tw4)/αА(2—5)
对于单位面积而言其误差为
Tt-T=σε(Tt4-Tw4)/α(2—6)
因此,为了减少热辐射误差,应增大热传导,并使炉壁温度Tw,尽可能接近热电偶的温度Tt。
另外,在安装时还应注意:
热电偶安装位置,应尽可能避开从固体发出的热辐射,使其不能辐射到热电偶表面;
热电偶最好带有热辐射遮蔽套;
热阻抗增加的影响。
(4)冷端温度:
在热电偶测温的过程中,要求热电偶冷端温度必须保持在0°
,但是在实际测量过程中,热电偶的热端与冷端离得很近;
冷端又暴露在空间;
受到设备温度和环境温度的影响,等种种原因使冷端温度偏离0℃,因此测量结果就产生了偏差。
所以要用分度表对热电偶进行标定,实现对温度的准确测量。
具体措施是对冷端温度的变化所引起的冷端温度误差予以补偿。
方法:
a、补偿导线法;
b、冷端恒温法;
c、计算修正法;
d、模拟补偿法;
e、数字补偿法。
2、热电偶温度计的选型
在熟悉被测对象、掌握各种热电偶特性的基础上,根据使用气氛、温度的高低正确地选择热电偶。
一般按照下面几个原则来选择:
(1)按使用温度选择
当T<1000℃时,多选用廉金属热电偶,如K型热电偶。
特点:
使用温度范围宽,高温下性能较稳定;
当T=-200~300℃时,最好选用T型热电偶,廉金属热电偶中准确度最高的;
或者选择E型热电偶,廉金属金属中热电势变化率最大、灵敏度最高;
当T=1000~1400℃时,多选用R、S型热电偶;
当T<1300℃时,可选用N型或者K型热电偶;
当T=1400~1800℃时,多选用B型热电偶。
当T<1600℃时,短期可用S型或R型热电偶。
当T>1800℃时,常选用钨铼热电偶。
(2)根据被测介质选择
①氧化性气氛:
当T<1300℃时,多选用N型或K型热电偶,廉金属热电偶中抗氧化性最强;
当T>1300℃时,选用铂铑系热电偶。
②真空、还原性气氛:
当T<950℃时,选用J型热电偶,既可以在氧化性气氛下工作,又可以在还原性气氛下工作工作;
当T>1600℃时,应选用钨铼热电偶。
(3)根据热电偶丝的直径与长度选择
热电极直径:
由材料的价格、机械强度、电导率、用途及测温范围等决定。
长度:
由插入深度及安装条件决定。
①对于快速反应,选用细直径的电极丝;
②细直径的电极测量端越小、越灵敏,但电阻也越大;
③粗直径的热电极丝,提高了测温范围和寿命,但要延长响应时间;
④热电偶丝的直径与长度,不影响热电势的大小,但与热电偶的使用寿命、动态响应特性及线路电阻有关。
六、现场安装及其注意事项
1、安装方向:
与被测介质形成逆流或正交。
如图所示:
2、安装位置:
工作端应处于管道中流速最大的地方;
保护管的末端应越过管道中心线约5~10mm。
3、插入深度:
插入深度增加,测温误差将减小;
斜插或沿管道轴线方向安装;
在最大的允许插入深度条件下,尽可能深插。
4、细管道内(直径<80mm)流体温度的测量
常因插入深度不够而引起测量误差;
安装时应接扩大管,选择适宜部位,减小或消除该误差。
5、负压管道中流体温度的测量
必须保证其密封性,防外界冷空气吸入,使测量值偏低。
6、接线盒的安装:
穿管前检查导线及电缆等有无断头和绝缘性能;
管内导线不得有接头或加接线盒;
接线盒盖朝上以免雨水或其他流体的侵入。
7、如果被测物体很小安装时注意不要改变原来的热传导及对流条件。
七、总结
热电偶测温是应用最广泛的测温元件之一,应用热电偶测温,其测温范围广,在一定温度范围内使用精度高,性能稳定,结构简单,使用方便,动态特性好,把温度信号直接转换为直流电势信号进行测量。
热电偶温度计测温属于接触式测温,直接与被测对象接触,不受中间介质的影响,可以减小测量的误差,提高测量的精度。
但是因为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。
通过这次的课程设计,我对自己所学的专业和方向有了更深的认识和了解,仪表的学习和使用对我们过程控制方向的同学是很重要的。
学习完《自动检测技术与仪表》这门课程以后,对课程的系统框架结构有了一个清晰地认识,但是要具体到哪一个传感器或者是哪一种检测仪表,我就有些模糊了,基本都是记忆的知识点,太多了,比较混乱。
但是通过这次课程设计以后,我对课程的知识点不再那么模糊,让我学到了许多关于热电偶测温系统方面的知识。
首先,对于热电偶的工作原理及用途有了更进一步的认识。
因为课程设计的任务,在我选定课题后,我必须熟悉这个课题有关的内容,才能完成我的课程设计。
期间,我也遇到了一些困难,对影响热电偶测温的因素不太明白,因为教材上没有更多的说明。
因为近期图书馆都没有开放,所以我只能请同学帮忙,还有上网查资料,在同学的帮助和自己的努力下,我很快就把这一知识点弄明白了。
只有通过自己的努力与实践,才能真正的掌握知识,通过这次课程设计,我才切身体会到“纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行”的学习态度。
八、参考文献
1、王俊杰《检测技术与仪表》第二版,武汉理工大学出版社
2、施仁《自动化仪表与过程控制》,电子工业出版社,1990
3、童敏明,唐守峰《检测与转换技术》,中国矿业大学出版社,2008
4、王魁汉,温度测量技术,东北工学院出版社,1992