熱電偶電極材料和結(jié)構(gòu)要求

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根據(jù)熱電偶的測溫原理,似乎任意兩種不同的導(dǎo)體材料都可以作為熱電極組成熱電偶用來測量溫度,但實際并非如此,因為對熱電偶熱電極材料有一定要求; 
(1)熱電勢要足夠大,并且與溫度的關(guān)系最好呈線性或近線性; 
(2)在使用溫度范圍內(nèi),物理、化學(xué)性能穩(wěn)定; 
(3)熱電性能穩(wěn)定,易于復(fù)現(xiàn),同類熱電偶互換性好; 
(4)電導(dǎo)率高,電阻溫度系數(shù)要小; 
(5)加工方便,價格便宜。 
但是,完全滿足上述要求的材料很難找到。因此只能根據(jù)被測溫度的高低,選擇適當?shù)臒犭姌O材料。 
金、銀和鉑族金屬共八個元家,稱為貴金屑。由這些金屬及其合金構(gòu)成的熱電偶稱為資金屬熱電偶,除此之外統(tǒng)稱賤金屬熱電偶。同貴金屬熱電偶相比,賤金屑熱電偶具有靈敏度高,熱電特性近似線性,可在還原性氣氛中使用.但抗氧化耐腐蝕性欠佳,熱電極均勻性差,高溫穩(wěn)定性差,壽命短。貴金屬的缺點和優(yōu)點正好與賤金屬相反。 

熱電偶的材料、結(jié)構(gòu) 

1.熱電偶的材料組成熱電偶的兩根導(dǎo)體稱為熱電極,根據(jù)熱電效應(yīng)的原理,任意兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體都可作為熱電極組成熱電偶。但作為實用的測溫元件,不是所有的材料都適用于作熱電偶,對它們必須經(jīng)過嚴格的選擇。對制作熱電偶材料的基本要求如下。 
①能測量較高的溫度,并能在較寬的溫度范圍內(nèi)測量使用,經(jīng)長期使用后,其物理、化學(xué)性能及熱電特性穩(wěn)定。 
②兩種材料組成的熱電偶應(yīng)輸出較大的熱電勢,以得到較高的靈敏度,且熱電勢與溫度之間呈線性或近似線性的單值函數(shù)關(guān)系,這樣易于測量,且可得到較高的精確度。 
③電阻溫度系數(shù)和電阻率要小,否則熱電偶的電阻將隨工作端的溫度不同而有較大的變化,影響測量結(jié)果的精確性。 
④較好的工藝性能,便于成批生產(chǎn),且復(fù)現(xiàn)性好,便于制訂統(tǒng)一的分度表。 
⑤材料資源豐富,價格低廉。 
⑥材質(zhì)均勻,機械性能好。 
通常情況下,純金屬的熱電極容易復(fù)制,但其熱電勢小,平均約為20r/V/℃,非金屬電極的熱電勢較大,可達1mV/℃,且熔點高,但復(fù)制性和穩(wěn)定性都較差。合金熱電極的熱電性能和工藝性介于前面兩者之間,歷以合金熱電極用得較多。 
目前在國際上被公認為有代表性的或比較普遍采用的熱電偶并不多,這些熱電偶的熱電極材料都是經(jīng)過大量實驗并分別被應(yīng)用在各溫度范圍內(nèi),測量效果良好的材料。 

2.熱電偶的結(jié)構(gòu)熱電偶的核心就是熱電極,將兩個熱電極的一個端點焊接在一起組成熱接點,就構(gòu)成了熱電偶。熱電極的兩個引出線用耐高溫絕緣材料進行保護絕緣,并根據(jù)不同的用途作適當?shù)奶幚砭蜆?gòu)成了工作熱電偶。由于熱電偶廣泛地應(yīng)用于各種條件下的溫度測量,因而它的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的。工程上實際使用的熱電偶大多數(shù)是由接線盒、保護套管、絕緣套管和熱電極等部分組成的。 
1)接線盒熱電偶的接線盒是熱電勢的輸出連接端口,補償導(dǎo)線一端接在接線盒內(nèi),另一端接測量儀表。注意接線盒內(nèi)的兩個接線端有正負之分,已在接線端附近標明,千萬不能接錯,否則適得其反。為防止灰塵及有害物質(zhì)進入內(nèi)部,接線盒應(yīng)具有良好的密封性能。 
2)保護套管保護套管是熱電偶的外殼,可以防止熱電偶直接與被測介質(zhì)接觸,避免有害物質(zhì)的入侵腐蝕,同時還可以避免火焰或氣體的直接沖擊。 
對保護套管的材料的要求是:良好的導(dǎo)熱性能,物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定;有足夠的強度和剛度,耐熱、耐沖擊。保護套管采用的材料有金屬和非金屬兩種。 
3)絕緣套管絕緣套管用來防止熱電偶的兩個電極之間發(fā)生短路或漏電現(xiàn)象。絕緣材料的種類很多,分為有機絕緣材料和無機絕緣材料,具體應(yīng)用應(yīng)根據(jù)熱電偶的測溫范圍來選擇。 
4)熱電極熱電極是熱電偶的核心部件,熱電偶就是根據(jù)熱電極的材料來分類的。 

3.熱電偶的結(jié)構(gòu)分類熱電偶按其結(jié)構(gòu)又可分為普通型熱電偶、鎧裝熱電偶和薄膜熱電偶。 
1)普通型熱電偶普通型熱電偶主要用于測量氣體、蒸氣和液體等介質(zhì)的溫度?筛鶕(jù)測量條件和測量范圍來選用,為了防止有害介質(zhì)對熱電極的侵蝕,工業(yè)用的熱電偶一般都有保護套。熱電偶的外形有棒形、三角形、錐形等,它和外部設(shè)備的安裝方式有螺紋固定、法蘭盤固定等。其結(jié)構(gòu)如圖8-7所示。 
2)鎧裝熱電偶鎧裝熱電偶是將熱電極、絕緣材料和金屬保護管組合在一起,經(jīng)拉伸加工而成的一個堅實的組合體,所以又稱套管熱電偶,如圖8-8所示。它具有很大的呵撓性,其最小彎曲半徑通常是熱電偶直徑的5倍。此外它還具有測溫端熱容量小、動態(tài)響應(yīng)快、強度高、壽命長及適應(yīng)性強等優(yōu)點,是新近發(fā)展起來的具有很多優(yōu)點的特殊結(jié)構(gòu)的熱電偶,適用于位置狹小部位的溫度測量。 
3)薄膜熱電偶薄膜熱電偶的結(jié)構(gòu)如圖8-9所示,薄膜熱電偶有片狀、針狀等,其主要特點是熱容量小、動態(tài)響應(yīng)快,適宜測量面積或體積小,溫度變化快的物體。

4.常用熱電偶常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。所謂標準熱電偶是指國家標準規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差,并有統(tǒng)一的標準分度表的熱電偶,它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標準熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標準熱電偶,一般也沒有統(tǒng)一的分度表,主要用于某些特殊場合的測量。 
國際電工委員會(IEC)推薦了8種類型的標準熱電偶,我國從1988年1月1日起,熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標準生產(chǎn),并指定S、B、E、K、N、R、J、T八種標準熱電偶為我國統(tǒng)一沒計型熱電偶。 
1)鉑銠10-鉑熱電偶鉑銠10-鉑熱電偶(S型熱電偶)為貴金屬熱電偶。偶絲直徑規(guī)定為0.5mm,其正極(SP)為鉑銠合金,其中含銠為10%,含鉑為90%,負極(SN)為純鉑,故俗稱單鉑銠熱電偶。該熱電偶可用于較高的溫度測量,長期最高測量溫度為1300℃,短期最高測量溫度為1600℃。 
S型熱電偶在熱電偶系列中具有準確度高、穩(wěn)定性好、測溫范圍寬、使用壽命長等優(yōu)點。 
它的物理、化學(xué)穩(wěn)定性能良好,熱電勢穩(wěn)定性及在高溫下抗氧化性能好,適用于氧化性和惰性氣氛中,一般用于較為精密的測量。此外,鉑銠10-鉑熱電偶還用于工業(yè)測溫。 
由于S型熱電偶具有優(yōu)良的綜合性能,符合國際使用溫標的S型熱電偶,長期以來作為國際溫標的內(nèi)插儀器,“ITS-90”雖規(guī)定今后不再作為國際溫標基準,但國際溫度咨詢委員會(CCT)認為S型熱電偶仍可用于近似實現(xiàn)國際溫標。 
S型熱電偶不足之處是熱電勢較小,炅敏度低,高溫下機械強度下降,對污染非常敏感,材料昂貴,因而一次性投資較大。在高溫還原介質(zhì)中容易被侵蝕和污染,而失去測量精確度。 
2)鉑銠13-鉑熱電偶鉑銠13-鉑熱電偶(R型熱電偶)為貴金屬熱電偶。偶絲直徑規(guī)定為0.5mm,其正極(RP)為鉑銠合金,其中含銠為13%,含鉑為87%,負極(RN)為純鉑,長期最高使用溫度為1300℃,短期最高使用溫度為1600℃。 
R型熱電偶在熱電偶系列中具有準確度高、穩(wěn)定性好、測溫溫區(qū)寬、使用壽命長等優(yōu)點。 
其物理、化學(xué)性能良好,熱電勢穩(wěn)定性及在高溫下抗氧化性能好,適用于氧化性和惰性氣氛中。由于R型熱電偶的綜合性能與s型熱電偶的相當,所以在我國一直難于推廣,除在進口設(shè)備上的測溫有所應(yīng)用外,國內(nèi)測溫很少采用。 
研究表明,R型熱電偶的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性均比S型熱電偶的好。但R型熱電偶不足之處是熱電勢率較小,靈敏度低,高溫下機械強度下降,對污染非常敏感,材料昂貴,因而一次性投資較大。 
3)鉑銠30-鉑銠6熱電偶鉑銠30-鉑銠6熱電偶(B型熱電偶)為貴金屬熱電偶。偶絲直徑規(guī)定為o-5mm.其正極(BP)為鉑銠合金,其中含銠為30%,含鉑為70%,負極(BN)為鉑銠合金,含銠為量6%,故俗稱雙鉑銠熱電偶。該熱電偶長期最高使用溫度為1600℃,短期最高使用溫度為1800℃。 
B型熱電偶在熱電偶系列中具有準確度高、穩(wěn)定性好、測溫溫區(qū)寬、使用壽命長、測溫上限高等優(yōu)點。它適用于氧化性和惰性氣氛中,也可短期用于真空中,但不適用于還原性氣氛或含有金屬或非金屬蒸氣氣氛中。B型熱電偶一個明顯的優(yōu)點是無須使用補償導(dǎo)線進行補償,因為在O~50℃范圍內(nèi)熟電勢小于3riV。 
B型熱電偶不足之處是熱電勢率較小,靈敏度低,高溫下機械強度下降,對污染非常敏感,材料價格昂貴,因而一次性投資較大。 
4)鎳鉻一鎳硅熱電偶鎳鉻一鎳硅熱電偶(K型熱電偶)是目前用量最大的廉金屬熱電偶,其用量為其他熱電偶的總和。正極(KP)成分為Ni:Cr一90:10,負極(KN)成分為Ni:Si一97:3。該熱電偶可以在1000℃環(huán)境下長時間工作,短時間可到1300℃。 
K型熱電偶與S型熱電偶相比具有線性度好,熱電勢較大,靈敏度高,穩(wěn)定性和均勻性較好,在高溫下抗氧化及抗腐蝕性能強,價格便宜等優(yōu)點,能用于氧化性惰性氣氛中。但K型熱電偶易受還原性氣體的有害影響。 
5)鎳鉻硅一鎳硅熱電偶鎳鉻硅一鎳硅熱電偶(N型熱電偶)為廉金屬熱電偶,是一種最新國際標準熱電偶,正極(NP)成分為Ni:Cr:Si一84.4:14.2:1.4,負極(NN)成分為Ni:Si:Mg一95.5:4.4:0.1,其使用溫度為-200~1300℃。 
它克服了K型熱電偶的兩個重要缺點:K型熱電偶在300~500℃間會由于鎳鉻合金的晶格短程有序而引起的熱電勢不穩(wěn)定;在800℃左右會由于鎳鉻合金發(fā)生擇優(yōu)氧化引起的熱電勢不穗定。 
N型熱電偶具有線性度好,熱電勢較大,靈敏度較高,穩(wěn)定性和均勻性較好,抗氧化性能強,價格便宜,不受短程有序化影響等優(yōu)點,其綜合性能優(yōu)于K型熱電偶的,是一種很有發(fā)展前途的熱電偶。 
N型熱電偶不能直接在高溫下用于硫、還原性或還原、氧化交替的氣氛中和真空中,也不推薦用于弱氧化氣氛中。 
6)鎳鉻一銅鎳熱電偶鎳鉻一銅鎳熱電偶(E型熱電偶)又稱鎳鉻一康銅熱電偶,也是一種廉金屬的熱電偶,正極(EP)為鎳鉻10合金,成分為Ni:Cr-90:10,負極(EN)為銅鎳合金,成分為55%的銅、45%的鎳,以及少量的錳、鉆、鐵等元素。該熱電偶的使用溫度為-200~900℃。

E型熱電偶熱電勢之大,靈敏度之高屬所有熱電偶之最,能測量微小的溫度變化。對于高濕度氣氛的腐蝕不甚靈敏,宜用于濕度較高的環(huán)境。E型熱電偶還具有穩(wěn)定性好,抗氧化性能優(yōu)于銅一康銅、鐵一康銅熱電偶,價格便宜等優(yōu)點,能用于氧化性和惰性氣氛中,廣泛為用戶采用。 
E型熱電偶不能直接在高溫下用于硫、還原性氣氛中,熱電勢均勻性較差。 
7)鐵一銅鎳熱電偶鐵一銅鎳熱電偶(J型熱電偶)又稱鐵一康銅熱電偶,也是一種廉金屬的熱電偶。它的正極(JP)為純鐵,負極(JN)為銅鎳合金,常被含糊地稱為康銅,其成分為55%的銅、45%的鎳,以及少量卻十分重要的錳、鈷、鐵等元素,盡管稱為康銅,但不同于鎳鉻一康銅和銅一康銅的康銅,故不能用EN和TN來替換。鐵一康銅熱電偶的覆蓋測量溫區(qū)為-200~1200℃,但通常使用的溫度范圍為0~750℃。 
J型熱電偶具有線性度好,熱電勢較大,靈敏度較高,穩(wěn)定性和均勻性較好,價格便宜等優(yōu)點,廣為用戶所采用。 
J型熱電偶可用于真空、氧化、還原和惰性氣氛中,但正極鐵在高溫下氧化較快,故使用溫度受到限制,也不能直接無保護地在離溫下用于硫化氣氛中。 
8)銅一銅鎳熱電偶銅一銅鎳熱電偶(T型熱電偶)又稱銅一康銅熱電偶,也是一種最佳的測量低溫的廉金屬的熱電偶。它的正極(TP)是純銅,負極(TN)為銅鎳合金,常稱之為康銅,它與鎳鉻一康銅的康銅EN通用,與鐵一康銅的康銅JN不能通用,盡管它們都稱為康銅,銅一銅鎳熱電偶的覆蓋測量溫區(qū)為-200~350℃。 
T型熱電偶具有線性度好,熱電勢較大,靈敏度較高,穩(wěn)定性和均勻性較好,價格便宜等優(yōu)點,特別在-200~O℃溫區(qū)內(nèi)使用,穩(wěn)定性更好,穩(wěn)定性可小于±3)uV,經(jīng)低溫檢定可作為二等標準進行低溫量值傳遞。 
T型熱電偶的正極銅在高溫下抗氧化性能差,故使用溫度上限受到限制。 
目前,工業(yè)上常用的五種標準化熱電偶,即鉑銠10-鉑、鉑銠30-鉑銠6、鎳鉻一鎳硅、鎳鉻硅一鎳硅、鎳鉻一銅鎳熱電偶,測量端溫度每10℃間隔的分度表如表8-1~表8-5所示,更為詳細的每1℃問隔的分度表可在國標等資料中查找。 

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