热电偶温度计在水电工程中的使用方法研究

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1、热电偶的基本原理

　　热电偶温度计属于接触式温度测量仪表。是根据热电效应即塞贝克效应原理来测量温度的，是温度测量仪表中常用的测温元件。将不同材料的导体A、B接成闭合回路，接触测温点的一端称为测量端（或工作端），另一端称为参比端（或自由端）。若测量端和参比端所处温度t和t0不同，则在回路的A、B之间就产生一热电势EAB（t，t0），这种现象称为塞贝克效应，即热电效应。EAB大小随导体A、B的材料和两端温度t和t0而变，这种回路称为原型热电偶。在实际应用中，将A、B的一端焊接在一起作为热电偶的测量端放到被测温度t处，而将参比端分开，用导线接入显示仪表，并保持参比端接点温度t0稳定。显示仪表所测电势只随被测温度而t变化。

　　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，测得热电势后，即可知道被测介质的温度。

　　根据热电势与温度函数关系。可制成热电偶分度表。分度表是在自由端温度To=0℃的条件下得到的。不同的热电偶具有不同的分度表。

　　从理论上讲，任何两种导体都可以配制成热电偶，但实际上并不是所有材料都能制作热电偶，故对热电极材料必须满足以下几点：

　　（1）热电偶材料受温度作用后能产生较高的热电势，热电势和温度之间的关系最好呈线性或近似线性的单值函数关系；

　　（2）能测量较高的温度，并在较宽的温度范国内应用，经长期使用后，物理、化学性能及热电特性保持稳定；

　　（3）要求材料的电阻温度系数要小，电阻率高，导电性能好，热容量要小；复现性要好，便于大批生产和互换，便于制定统一的分度表；

　　（4）机械性能好，材质均匀；

　　（5）资源丰富，价格便宜。

　　为了保证热电偶可靠和稳定地工作对热电偶有如下要求：

　　（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。

　　热电偶温度计的特点有：

　　（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。

　　（2）测量范围广。常用的热电偶从-50～+1600℃均可连续测量，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）。

　　（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。热电偶是一种感温元件，它能将温度信号转换成热电势信号，通过与电气测量仪表的配合，就能测量出被测的温度。

　　2、热电欧温度计的选择

　　常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶，按IEC国际标准生产。热电偶的分度号有主要有S、R、B、N、K、E、J、T等几种。其中S、R、B属于贵金属热电偶，N、K、E、J、T属于廉金属热电偶。

　　S分度号的特点是抗氧化性能强，宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，长期使用温度1400℃，短期1600℃。在所有热电偶中，S分度号的精确度等级最高，通常用作标准热电偶；

　　R分度号与S分度号相比除热电动势大15%左右，其它性能几乎完全相同；

　　B分度号在室温下热电动势极小，故在测量时一般不用补偿导线。它的长期使用温度为1600℃，短期1800℃。可在氧化性或中性气氛中使用，也可在真空条件下短期使用。

　　N分度号的特点是1300℃下高温抗氧化能力强，热电动势的长期稳定性及短期热循环的复现性好，耐核辐照及耐低温性能也好，可以部分代替S分度号热电偶；

　　K分度号的特点是抗氧化性能强，宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，长期使用温度1000℃，短期1200℃。在所有热电偶中使用最广泛；

　　E分度号的特点是在常用热电偶中，其热电动势最大，即灵敏度最高。宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，使用温度0-800℃；

　　J分度号的特点是既可用于氧化性气氛（使用温度上限750℃），也可用于还原性气氛（使用温度上限950℃），并且耐H2及CO气体腐蚀，多用于炼油及化工；

　　T分度号的特点是在所有廉金属热电偶中精确度等级最高，通常用来测量300℃以下的温度。

　　由于热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。必须指出，热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t0≠0℃时对测温的影响。

　　在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100℃。冷端温度补偿器的型号应与热电偶的型号相符，并在规定温度范围内使用；冷端温度补偿器与热电偶连接时极性不能接错；根据补偿器的平衡点温度调整仪表起始点，使指针批示在平衡点温度；具有自动补偿机构的显示仪表不安装补偿器；补偿器必须定期检查和检定。

　　热电偶温度计在工业生产中有着非常广泛的应用，热电偶的选择首先应根据被测温度的上限，正确地选择热电偶的热电极及保护套管；根据被测对象的结构及安装特点，选择热电偶的规格及尺寸。热电偶按结构形式可分为普通工业型、铠装型及特殊型等。

　　常用的普通工业型热电偶有：

　　1.铂铑10一铂热电偶：属于贵重金属热电偶，正极为铂铑合金，负极为铂，短期工作温度为1600℃，长期工作温度为1300℃，物理、化学稳定性好，一般用于准确度要求较高的高温测量。但材料较贵，热电势较小，分度号为S。

　　2.镍铬一镍硅热电偶：它是非贵重金属中性能最稳定的一种，应用很广，正极为镍铬。短期工作温度为1200℃，长期工作温度为900℃。此种热电偶的热电势比上一种大4到5倍，而且线性度更好，误差一般在（6－8）℃。但其热电极不易做得很均匀，较易氧化，稳定性差。分度号为K.

　　3.镍铬一康铜热电偶：正极是镍铬，短期工作温度为800℃，长期工作温度为60℃。它是热电势最大的一种热电偶，测量准确度较高，但极易氧化。分度号为E.

　　4.铜一康铜热电偶：这是在低温下应用得很普遍的热电偶，测量温度范围（-200－+200）℃，稳定性好，低温时灵敏度高并且价格低廉。分度号为T。

　　铠装热电偶是由热电极、绝缘材料和金属套管三者组合加工而成，它可以做得很细很长，在使用中可以随测量需要进行弯曲，其特点是：热情性小、热接点处的热容量小、寿命较长、适应性强等，应用广泛。

　　实际使用时特别要注意补偿导线的使用。通常接在仪表和接线盒之间的补偿导线，其热电性质与所用热电偶相同或相近，与热电偶连接后不会产生大的附加热电势，不会影响热电偶回路的总热电势。如果用普通导线来代替补偿导线，就起不到补偿作用，从而降低测温的准确性。所以，使用单位在安装仪表敷线时应注意：补偿导线与热电偶连接时，极性切勿接反，否则测温误差反而增大。

　　实际测量中，如果测量值偏离实际值太多，除热电偶安装位置不当外，还有可能是热电偶偶丝被氧化、热电偶测量端焊点出现砂眼等。

　　3、热电偶温度计的安装

　　热电偶和热电阻温度计属于接触式温度计，由于其无法替代的优点成为工矿企业和科研院所常用的温度测量仪表。正确的安装热电偶和热电阻传感器是保证其测量精度和使用寿命的重要因素。下面根据平时的使用情况以几种常用的安装方式作些介绍，希望能给大家的实际工作提供点参考。

　　首先热电偶和热电阻的安装应尽可能保持垂直，以防止保护套管在高温下产生变形，但在有流速的情况下，则必须迎着被测介质的流向插入，以保证测温元件与流体的充分接触以保证其测量精度。另外热电偶和热电阻应尽量安装在有保护层的管道内，以防止热量散失。其次当热电偶和热电阻传感器安装在负压管道中时，必须保证测量处具有良好的密封性，以防止外界冷空气进入，使读数偏低。当热电偶和热电阻传感器安装在户外时，热电偶和热电阻传感器的接线盒面盖应向上，入线口应向下，以避免雨水或灰尘进入接线盒，而损坏热电偶和热电阻接线盒内的接线影响其测量精度。应经常检查热电偶和热电阻温度计各处的接线情况，特别是热电偶温度计由于其补偿导线的材料硬度较高，非常容易从接线柱脱离造成断路故障，因此要接线良好不要过多碰动温度计的接线并经常检查，以获得正确的测量温度。

　　热电偶安装时应放置在尽可能靠近所要测的温度控制点。为防止热量沿热电偶传走或防止保护管影响被测温度，热电偶应浸入所测流体之中，深度至少为直径的10倍。当测量固体温度时，热电偶应当顶着该材料或与该材料紧密接触。为了使导热误差减至最小，应减小接点附近的温度梯度。

　　当用热电偶测量管道中的气体温度时，如果管壁温度明显地较高或较低，则热电偶将对之辐射或吸收热量，从而显著改变被测温度。这时，可以用一辐射屏蔽罩来使其温度接近气体温度，采用所谓的屏罩式热电偶。

　　选择测温点时应具有代表性，例如测量管道中流体温度时，热电偶的测量端应处于管道中流速最大处。一般来说，热电偶的保护套管末端应越过流速中心线。