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热电偶及其补偿导线的实际应用

作时间：2017-08-22 来源：作者：

今年《电子报》第 19 期第 9 版刊载了陶波先生的《热电偶测温工作原理与数字温控器》一文,简明地讲述了热电偶的有关知识。对了解热电偶测温技术有一定帮助。或许由于篇幅关系,陶波先生未作进一步深入的阐述,以致或有部份读者会感到文章"意犹未尽"。鉴于热电偶在机械、军工、科研、化工等领域应用极为广泛,同时,还有为数不少的业内人士存在使用不当的情况。故再借《电子报》给予补充并发表笔者一孔之见,与广大读者朋友共同学习探讨。

我们已经知道,热电偶接线情况如图 1 所示:

图中 t 称为热端或测温端;接仪表端子处的 t0,系冷端或称为参比端。由于热电偶长度有限,距离热源很近,该处的环境温度很不稳定。所以在实际时用时,都毫不例外地接上一段导线,"把冷端移至温度较低且比较恒定的地方"。(见图 2)。

而对导线的要求是,这二根导线必须分别和二根热电偶丝的材料相同、或者热电特性和热电偶丝相接近,接了此导线后,其末端处的环境温度(室温)就比较低而相对恒定。测温准确度就可以提高。所以称它为补偿导线。

某些场合,对测温的准确度有很高的要求时(例如用标准热电偶检定下一级热电偶),往往把冷端置于 0℃的油中。这时因为 t0==0,所以热电偶的输出 mV 值可简写成

EAB(t,t0)=f(t)

就变为该热电偶的单一函数了。这样,只要查一次温度一毫伏对照表便可得知被测对象的确切温度。

采用上述的"冷端零度恒温法"测温时,从热电偶冷端的接线端子(0℃)上再用导线和 mV 表连接。这种导线应该是本身不产生电动势的铜线。如果还是用补偿导线的话,则冷端就仍然被延伸到 mV表的接线端子处。根据热电偶"中间温度定律",这零度恒温就形同虚设了。

有些特种热电偶也可以用来测量固体的温度。但这种热电偶的热端大都焊有一块面积较大的"平板",借以增大接触面,从而获得较多热量以提高测量准确度。同时还要求被测面尽可能平滑,否则也将产生很大负误差。

目前shijie各国使用的热电偶有二十余种之多。我国#常用的有三种。它们的部份参数、特点见

下列 1 表。铂铑 10—铂为贵金属热电偶;其余二类为廉金属热电偶。

从表 2 可知,三种热电偶各有特点。即铂铑 10—铂的使用温#度高;镍铬一铜镍的热电势变化率大即灵敏度高(每变化 1℃时电压变化将近 80μV);镍络一镍硅的使用温度较高,灵敏度也不错。如何根据被测(控)温对象,正确选择和用好热电偶,真还有些"学问"。大致归纳如下:

如果被测(控)温对象超过 1300℃时,当然得选用铂铑 10—铂热电偶无疑。但这种热电偶只适宜在强氧化性气氛中工作,而且十分"娇气",万一在高温时遇到还原性气体或其它腐蚀性介质,就会立即改变其成份,产生误差。同时因铂、铑材料价格昂贵,为了节约起见,#大直径只做到 0.5mm(每米约重8 克)。这么小的直径,必然比大直径的更容易变质。这一道理不难理解。尤其是它的热电势小,1300℃时也只有 13.155mV。只要变值±1%(13.020mV 或 13.287mV),就变成"1289℃"或"1311℃",误差达到了±11℃之多。这么大的误差显然是无法容忍的。而有时甚至变值可多达几十℃。

关于保护管的问题,大约有如下几点需要注意:

1.对于铂铑 10—铂热电偶,觉对不能像镍络一镍硅或镍铬一铜镍一样直接套上金属材料的保护管。因为金属在高温下,分子比较活跃,有金属"蒸汽"逸出,附着于偶丝上,改变其材质成份,于是产生误差。

2.铂铑 10—铂热电偶即使采用瓷保护管,也要求瓷材料的氧化铝成份纯度极高,至少达 95%以上。否则,氧化铝中的杂质在高温下也会玷污偶丝。

3.使用铂铑 10—铂热电偶,还要求测(控)温场所的空气相对纯净,不含还原性以及酸、碱、油、盐等腐蚀性气体。这是由于偶丝虽然被保护管封闭,但封闭的管子有"呼吸作用"。这是笔者从事温度测控工作三十年积累的实践经验,绝非凭空忆想。

4.上面已经述及,镍铬一铜镍热电偶的主要特点是热电势大即灵敏度高,故在上世纪 80 年代前,多数单位遇有 600℃以下的测、控温对象时,往往shou先考虑采用它,以期获得较好的分辨率和灵敏度。但这一优点,随着电子技术的进步、温度仪表各项性能的不断提高而丧失了。笔者在此建议:凡是1100℃以下的对象(例如一个对象是 1000℃另一对象是 500℃),一律采用镍络一镍硅热电偶,以避免搞错等管理上的麻烦。同时,还只须使用一种测控温仪表(备品减少了),节约了资金。

5.那么,对于 1100℃以上的场合是否必须采用铂铑 10—铂热电偶呢?回答是否定的。在 1200℃至1100℃左右,完全可以采用镍络一镍硅热电偶。如果在保护管中充填氧化镁粉以隔绝空气,则使用寿命还可以大幅提高。又如测量液体(例如盐浴),则因有腐蚀作用,#好采用高耐热钢的外保护管。

6.镍铬一镍硅热电偶的#高使用温度可达 1300℃,但寿命较短。因此,若温度虽高但工作的时间不太长,也可以不用铂铑 10—铂热电偶。想想看,一支铂铑 10—铂热电偶的代价足以购买三、四十支镍铬一镍硅热电偶,为了经济效益,你将作何选择?

7.在此还需提醒读者朋友,guojia规定一般廉金属热电偶丝的的直径是 2.5mm,但现在有些商家为了降低成本,仍在用 1.5mm(截面减少近 2/3)。寿命大打折扣。购买时务必注意。

下面再简单地谈一下补偿导线;

补偿导线按材料分,可分为补偿型(即材料虽和热电偶不同但在室温范围的热电特性和热电偶相近),和延长型(即材料完全和热电偶相同)两类。其中铂铑 10—铂热电偶因价格昂贵不可能采用同种材料,所以只有一种补偿型的;镍铬一镍硅热电偶的补偿导线,则既有补偿型又有延长型(原因是:延长型材料是镍和铬,价格比较贵一些;补偿型材料以铜为主,价廉且电阻值小)。而镍铬一铜镍因本身就属于廉金属,故就不必再生产补偿型了。

补偿型补偿导线的型号表述,是以与其配用热电偶的分度号后面加上C字(例如铂铑10—铂热电偶的补偿导线以SC表示);延长型补偿导线的型号,则是以与其配用热电偶的分度号再上X(例如镍铬一镍硅热电偶的延长型补偿导线用 KX 表示)。

补偿导线有单股(硬)和多股(软)两类。其截面积有 0.5～2.5mm 2 之间共四种规格。另外,它还有"一般用"和"耐热用"之分,耐热用补偿导线用聚四氟乙烯或玻璃纤维作绝缘层,适宜用于环境温度较高的场合。表 3 为"一般用"补偿导线部份数据:

同样,对于补偿导线的应用,笔者也有几点经验,供朋友们参考。

如前所述,补偿导线(室温附近)的热电特性必须和与之配套的热电偶相接近,被测温度才能得到完善的补偿。因而对补偿导线的成份同样有一定的要求。但近二十年来,市场上的补偿导线鱼龙混杂,一些小作坊和不法商人用铁丝冒充镍铬丝、用铜丝冒充铜镍丝等等。在我匮子内收集有不少于 20个"品牌"的各类假补偿导线。这些"补偿导线"的补偿量有补偿不足的;有补偿过度的;也有补偿量等于零的;甚至还有"反补偿"(即是产生负电势,抵消一部份总电压)的。形形色色,不一而足。因此,请注意下列几点。

1.补偿导线要直接到生产单位购买。千万不要去小商铺买。因为真假补偿导线的价格可相差二至三倍之多。商家为了利润,自然更趋向于选择廉价的品种。我收集的二十种假补偿线,多半是来自上海某知名五金街的商铺。另有一部份是直接向江苏某县几家生产单位索取(而他们也供应真品,但价格贵二、三倍)。

2.对在用的或新购的补偿导线。可以用测热电势的方法来鉴别其真伪和优劣。方法是截取一段(例如 300～500mm)补偿导线,将其两端的绝缘层剥去。一端用钢丝钳等工具将两根偶丝紧紧绞合起来,这样就做成了一支临时"热电偶"。把绞合的一端(热端)放入沸腾的热水(或热水瓶)中,另一端(冷端)接有"冷端温度自动补偿"的便携式测温仪表(注意正、负极)。测温仪如显示 97～103℃范围内就系真品;如误差在±6℃左右则为劣质品,但免强可用;又如测温仪显示零度或只有几十度甚至是负值,则系假货。就千万不可继续使用,否则将产生极大的误差,影响产品质量甚至使之成为废品。相关tuijian：双金属温度计

3.补偿导线的线径,和热电偶丝一样,也有多种规格。市场供应#粗的一种为 2.5mm 2 (见表 3)。这种导线的负极既粗又硬,与热电偶、仪表的连接都十分困难。那么,导线制造厂为什么要生产这么粗的导线呢?因为导线单位长度的电阻值,因线径的不同而大相径庭。当然导线越粗,电阻值就越小。用于上世纪六、七十年代的低输入电阻的动圈式仪表上,可以使仪表的输入端分得尽可能多的电压(见图 3)。

设热电偶的热电势为 E,仪表分得的电压为 U,则

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

当然 R1 越小仪表实际得到的电压就越高,误差也就越小。但如今动圈式仪表早已淘汰,取而代之的是各类电子仪表,其输入阻抗都在几十千欧姆以上。对补偿导线不大于几十欧姆的电阻值已是微不足道了。所以,宜选用较细的 1.5mm 2 的补偿导线为好。

4.对于镍铬一镍硅热电偶的补偿导线,笔者曾从价格及使用效果等各方面作过一些研究,结论是1.5mm 2 延长导线的成本反而比 2.5mm 2 补偿导线(正极铜线负极铜镍合金线)为低。而机械强度、温度补偿准确度、穿管和接线的方便度以及使用寿命等等更是大大优于后者。笔者曾就此在中国自动化学会上海地区发表过论文一篇(后由《自动化仪表》杂志转载),得到大型国企上海石化等多家单位采纳。又因镍铬丝和镍硅丝强度高,即使采用了 1.0mm 2 的导线,也不易折断。由此,笔者建议,今后不要再去购买补偿型的了。