热电偶测温原理和各类热电偶的特点

热电偶测温仪是电子产品热设计领域应用最为广泛的测温仪器。本文对热电偶的测温原理进行介绍。

热电偶测温原理和各类热电偶的特点

热电偶的测温基于塞贝克效应。即当两种不同的金属组成回路时,两个节点间的温差会导致回路中产生电势。这种由于温差导致的电势称为热电势。

结点1和结点2之间温差与热电势之间存在一一对应的函数关系。因此,可以通过测量两点之间的电势来换算结点1和结点2之间的温差。

需要注意的是,不同金属相互接触时,由于自由电子密度不同,电子将会从密度高的区域扩散到密度低的区域,从而产生接触电势。显然接触电势与自由电子的扩散速率有关,而电子的扩散速率与温度直接相关。以上图为例,A、B两种金属存在两个结点,假设结点1温度更高,且A中的自由电子密度更大,那么,回路中将会出现这种情况:在结点1处,A中的自由电子将转移到B中的速率更快,自由电子在回路中的移动方向是逆时针,电流方向为顺时针,图中的电压表指针将向右偏斜。

当两个结点温度相同时,电子转移的速率相同,两端处于电势平衡状态,回路中则不会出现电流。

另外,对于相同的导体,当两端温度不同时,也会产生电势。高温端的电子能量要比低温端的电子能量高,电子将会从这个方向朝低温端转移,于是低温端电势更低。这种电势称为温差电势。

实际测得的热电势为:

热电势 = 温差电势 + 接触电势

在实际的测量中,温差电势比接触电势小很多,一般可以略去不考虑。这样,对于一个由不同金属构成的回路,当其中一端的温度固定为T0时,测得的电势将只与另一端的温度有关。

对于实际的测试,我们知道,我们很难保证参考端的温度恒定。比如,测试某板卡上内存颗粒的温度时,室内温度有可能是20℃,也有可能是25℃,甚至,有时候整个模块都会放置到温箱中去。这样,冷端的温度将处于千变万化之中。对于这一问题,常用的热电偶测试仪器是采用如下方法进行破除的。

首先,热电偶测温原理中有一条中间温度定律。定律内容是:

热电偶AB在结点温度为T、T0是的热电势Eab(T,T0)等于热电偶AB在结点温度T、Tc和Tc、T0时的热电势的代数和:

Eab(T,T0) = Eab)(T,Tc) + Eab(Tc,T0)

这样,当参考端温度不为零时,可以依照这一规律来进行修正。

电路内部,存在如下图所示意的一个补偿电桥。其基本思想是,补偿电桥与参考端处于同一温度下,补偿电桥中的电阻将会随温度的变化而变化,由此产生电势的变化。经过一定的电阻匹配性设计,这种电势的变化,恰好可以补偿参考端温度变化引起的电势改变。于是,参考端温度的变化就被充分考虑在内了。

热电偶测温原理和各类热电偶的特点

看起来,几个热敏电阻,几个电流表,成本应该极低。但精度的控制,是所有测量仪器的核心竞争力。从上述的热电偶的测温原理可以看出,补偿电桥是保障热电偶测温准确的关键组成部分。补偿电桥设计的是否合理,将极大影响测温仪在不同环境温度下的测温精度。遗憾的是,目前应用最广的安捷伦数据采集仪/数据采集卡是美国制造。国产的具有类似功能的测量仪器,虽然价格有巨大优势,但由于众所周知的缺陷,几乎没有能够构成威胁的品牌。

常用热电偶线的分度号主要有S、R、B、N、K、E、J、T等几种。

其中S、R、B属于贵金属热电偶线。N、K、E、J、T属于廉金属热电偶线。

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℃。在所有热电偶线中,S分度号的精确度等级最高,通常用作标准热电偶线使用。  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分度号热电偶线;

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℃。在所有热电偶线中使用最为广泛。

E分度号的特点是在常用热电偶线中,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线中精确度等级最高,通常用来测量300℃以下的温度。

(S型热电偶)铂铑10-铂热电偶

铂铑10-铂热电偶(S型热电偶)为贵金属热电偶。偶丝直径规定为0.5mm,允许偏差-0.015mm,其正极(SP)的名义化学成分为铂铑合金,其中含铑为10%,含铂为90%,负极(SN)为纯铂,故俗称单铂铑热电偶。该热电偶长期最高使用温度为1300℃,短期最高使用温度为1600℃。

S型热电偶在热电偶系列中具有准确度最高,稳定性最好,测温温区宽,使用寿命长等优点。它的物理,化学性能良好,热电势稳定性及在高温下抗氧化性能好,适用于氧化性和惰性气氛中。由于S型热电偶具有优良的综合性能,符合国际使用温标的S型热电偶,长期以来曾作为国际温标的内插仪器,“ITS-90”虽规定今后不再作为国际温标的内查仪器,但国际温度咨询委员会(CCT)认为S型热电偶仍可用于近似实现国际温标。  S型热电偶不足之处是热电势,热电势率较小,灵敏读低,高温下机械强度下降,对污染非常敏感,贵

金属材料昂贵,因而一次性投资较大。

 (R型热电偶)铂铑13-铂热电偶

铂铑13-铂热电偶(R型热电偶)为贵金属热电偶。偶丝直径规定为0.5mm,允许偏差-0.015mm,其正极(RP)的名义化学成分为铂铑合金,其中含铑为13%,含铂为87%,负极(RN)为纯铂,长期最高使用温度为1300℃,短期最高使用温度为1600℃。

R型热电偶在热电偶系列中具有准确度最高,稳定性最好,测温温区宽,使用寿命长等优点。其物理,化学性能良好,热电势稳定性及在高温下抗氧化性能好,适用于氧化性和惰性气氛中。由于R型热电偶的综合性能与S型热电偶相当,在我国一直难于推广,除在进口设备上的测温有所应用外,国内测温很少采用。1967年至1971年间,英国NPL,美国NBS和加拿大NRC三大研究机构进行了一项合作研究,其结果表明,R型热电偶的稳定性和复现性比S型热电偶均好,我国目前尚未开展这方面的研究。

R型热电偶不足之处是热电势,热电势率较小,灵敏读低,高温下机械强度下降,对污染非常敏感,贵金属材料昂贵,因而一次性投资较大。

 (B型热电偶)铂铑30-铂铑6热电偶

铂铑30-铂铑6热电偶(B型热电偶)为贵金属热电偶。偶丝直径规定为0.5mm,允许偏差-0.015mm,其正极(BP)的名义化学成分为铂铑合金,其中含铑为30%,含铂为70%,负极(使用寿命BN)为铂铑合金,含铑为量6%,故俗称双铂铑热电偶。该热电偶长期最高使用温度为1600℃,短期最高使用温度为1800℃。

B型热电偶在热电偶系列中具有准确度最高,稳定性最好,测温温区宽,长,测温上限高等优点。适用于氧化性和惰性气氛中,也可短期用于真空中,但不适用于还原性气氛或含有金属或非金属蒸气气氛中。B型热电偶一个明显的优点是不需用补偿导线进行补偿,因为在0~50℃范围内热电势小于3μV。

B型热电偶不足之处是热电势,热电势率较小,灵敏读低,高温下机械强度下降,对污染非常敏感,贵金属材料昂贵,因而一次性投资较大。

(K型热电偶)镍铬镍硅热电偶

镍铬-镍硅热电偶(K型热电偶)是目前用量最大的廉金属热电偶,其用量为其他热电偶的总和。正极(KP)的名义化学成分为:Ni:Cr=90:10,负极(KN)的名义化学成分为:Ni:Si=97:3,其使用温度为-200~1300℃。

K型热电偶具有线性度好,热电动势较大,灵敏度高,稳定性和均匀性较好,抗氧化性能强,价格便宜等优点,能用于氧化性惰性气氛中。广泛为用户所采用。

K型热电偶不能直接在高温下用于硫,还原性或还原,氧化交替的气氛中和真空中,也不推荐用于弱氧化气氛中。

镍铬-镍硅热电偶材料性能参数

(N型热电偶)镍铬硅镍硅热电偶

镍铬硅-镍硅热电偶(N型热电偶)为廉金属热电偶,是一种最新国际标准化的热电偶,是在70年代初由澳大利亚国防部实验室研制成功的它克服了K型热电偶的两个重要缺点:K型热电偶在300~500℃间由于镍铬合金的晶格短程有序而引起的热电动势不稳定;在800℃左右由于镍铬合金发生择优氧化引起的热电动势不稳定。正极(NP)的名义化学成分为:Ni:Cr:Si=84.4:14.2:1.4,负极(NN)的名义化学成分为:Ni:Si:Mg=95.5:4.4:0.1,其使用温度为-200~1300℃。

N型热电偶具有线性度好,热电动势较大,灵敏度较高,稳定性和均匀性较好,抗氧化性能强,价格便宜,不受短程有序化影响等优点,其综合性能优于K型热电偶,是一种很有发展前途的热电偶.

N型热电偶不能直接在高温下用于硫,还原性或还原,氧化交替的气氛中和真空中,也不推荐用于弱氧化气氛中。

 (E型热电偶)镍铬铜镍热电偶

镍铬-铜镍热电偶(E型热电偶)又称镍铬-康铜热电偶,也是一种廉金属的热电偶,正极(EP)为:镍铬10合金,化学成分与KP相同,负极(EN)为铜镍合金,名义化学成分为:55%的铜,45%的镍以及少量的锰,钴,铁等元素。该热电偶的使用温度为-200~900℃。   E型热电偶热电动势之大,灵敏度之高属所有热电偶之最,宜制成热电堆,测量微小的温度变化。对于高湿度气氛的腐蚀不甚灵敏,宜用于湿度较高的环境。E热电偶还具有稳定性好,抗氧化性能优于铜-康铜,铁-康铜热电偶,价格便宜等优点,能用于氧化性和惰性气氛中,广泛为用户采用。

E型热电偶不能直接在高温下用于硫,还原性气氛中,热电势均匀性较差。

 (J型热电偶)铜镍热电偶

铁-铜镍热电偶(J型热电偶)又称铁-康铜热电偶,也是一种价格低廉的廉金属的热电偶。它的正极(JP)的名义化学成分为纯铁,负极(JN)为铜镍合金,常被含糊地称之为康铜,其名义化学成分为:55%的铜和45%的镍以及少量却十分重要的锰,钴,铁等元素,尽管它叫康铜,但不同于镍铬-康铜和铜-康铜的康铜,故不能用EN和TN来替换。铁-康铜热电偶的覆盖测量温区为-200~1200℃,但通常使用的温度范围为0~750℃

J型热电偶具有线性度好,热电动势较大,灵敏度较高,稳定性和均匀性较好,价格便宜等优点,广为用户所采用。

J型热电偶可用于真空,氧化,还原和惰性气氛中,但正极铁在高温下氧化较快,故使用温度受到限制,也不能直接无保护地在高温下用于硫化气氛中。

 (T型热电偶)铜镍热电偶

铜-铜镍热电偶(T型热电偶)又称铜-康铜热电偶,也是一种最佳的测量低温的廉金属的热电偶。它的正极(TP)是纯铜,负极(TN)为铜镍合金,常之为康铜,它与镍铬-康铜的康铜EN通用,与铁-康铜的康铜JN不能通用,尽管它们都叫康铜,铜-铜镍热电偶的盖测量温区为-200~350℃。

T型热电偶具有线性度好,热电动势较大,灵敏度较高,稳定性和均匀性较好,价格便宜等优点,特别在-200~0℃温区内使用,稳定性更好,年稳定性可小于±3μV,经低温检定可作为二等标准进行低温量值传递。

T型热电偶的正极铜在高温下抗氧化性能差,故使用温度上限受到限制。

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