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1、热电偶测温原理及其焊接2008-12-05 09:19:27安规与电磁兼容网 来源： 作者:前言 热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是： 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。 测量范围广。常用的热电偶从-50+1600C均可边续测量，某些特殊热电偶最低可测到 -269C（如金铁镍铬），最高可达+2800C（如钨-铼）。 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。热电偶测温基本原理首先，介绍一下热电偶，热电偶是温度测量中应用最广泛的温度器件，他的主要特点就是测吻 范围宽，性比较稳定，同时结
2、构简单，动态响应好，更能够远传4-20mA电信号，便于自动控制 和集中控制。热电偶的测温原理是基于热电效应。当两种不同的导体或半导体A和B的两端 相接成闭合回路，就组成热电偶，如图6.1所示。图6. 1热电效应示評s 如果A和B的两个接点温度不同（假定），则在该回路中就会产生电流，这表明了该回路中 存在电动势，这个物理现象称为热电效应或塞贝克效应，相应的电动势称为塞贝克电势。显然, 回路中产生的热电势大小仅与组成回路的两种导体或半导体A、B的材料性质及两个接点的温 度 有关，热电势用符号 表示。闭合回路中产生的热电势有两种电势组成；温差电势和接触电 势。温差电势是指同一导体的两端因温度不同而产
3、生的电势，不同的导体具有不同的电子密度， 所以他们产生的电势也不相同，而接触电势顾名思义就是指两种不同的导体相接触时，因为他 们的电子密度不同所以产生一定的电子扩散，当他们达到一定的平衡后所形成的电势，接触电 势的大小取决于两种不同导体的材料性质以及他们接触点的温度。目前国际上应用的热电偶具 有一个标准规范，国际上规定热电偶分为八个不同的分度，分别为R，S，K，N，E，J和T，其测 量温度的最低可测零下270摄氏度，最高可达1800摄氏度，其中B，R，S属于铂系列的热电偶, 由于铂属于贵重金属，所以他们又被称为贵金属热电偶而剩下的几个则称为廉价金属热电偶。热电偶的结构有两种，普通型和铠装型如图
4、6.2。普通性热电偶一般由热电极，绝缘管，保护套 管和接线盒等部分组成，而铠装型热电偶则是将热电偶丝，绝缘材料和金属保护套管三者组合 装配后，经过拉伸加工而成的一种坚实的组合体。但是热电偶的电信号却需要一种特殊的导线 来进行传递，这种导线我们称为补偿导线。不同的热电偶需要不同的补偿导线，其主要作用就 是与热电偶连接，使热电偶的参比端远离电源，从而使参比端温度稳定。补偿导线又分为补偿型 和延长型两种，延长导线的化学成分与被补偿的热电偶相同，但是实际中，延长型的导线也并 不是?腿鹊缗枷嗤 闹实慕鹗？ 一般采?腿鹊缗季哂邢嗤 缱用芏鹊牡枷叽 妗2钩廿枷叩挠肴 鹊缗嫉牧咭话愣际呛苊髁？热电偶的正极连接
5、补偿导线的红色线，而负极则连接剩下的颜 色。一般的补偿导线的材质大部分都采用铜镍合金。图6.2热电藕的内部结构常用热电偶及其结构1,铂铑10%-铂热电偶铂姥10%-铂热电偶型号为WTLB，其中WT指热电偶，LB为分度号，铂铑合金丝为+极, 纯铂丝为一极。在1300 r以下可以长期使用。在良好的环境条件下，可测量1600 r高温。 一般它作为精密测量和基准热电偶使用。在氧化性和中性介质中，铂铑-铂热电偶的物理、化 学性能稳定，但在高温时易受还原性气体侵袭而变质。它的热电势较弱，价格也较贵。2，镍铬-镍硅（或镍铬-镍铝）热电偶镍铬-镍硅热电偶型号为VREU。EU是分度号。镍铬为+极，镍硅为一极。在
6、氧化性 和中性介质中，能在900r以下长期使用，但不耐还原性介质。它的热电势大，并且与温度 的线性关系较好，价格亦便宜，但精度偏低。3，镍铬-考铜热电偶镍铬-考铜热电偶型号为WREA。EA为分度号。镍铬为+板，考铜为一极。在还原性和中 性介质，能在600 r的以下长期使用，在800 r时可短期使用。它灵敏度较高，价格便宜。4,铂铑30%-铂铑6%热电偶铂铑30%-铂铑6%热电偶型号为WRLL。LL为分度号。铂铑30%为+极，铂铑6%为- 极。它可在1600 r高温下长期使用，在1800 r短期使用。其热电偶性能稳定，精度高。适用 于氧化性和中性介质，但它的热电势极小，价格较高。5,铜-康铜热电
7、偶铜-康铜热电偶型号为WRCK。CK为分度号。铜为+极，康铜为一极。在300C以下其 线性关系较好，并且价格低廉。在实验室中它是使用较多的热电偶。热电偶的焊接IEC要求4.0 PROCEDURES（见图 6.3）4.1 Thermocouples shall be prepared by staff tra ined in preparati on of thermocouples.4.2 Thermocouples are to be prepared as no ted:4.2.1 Inner insulation stripped back approximately 1.5 mm fr
8、om tip.4.2.2 Outer insulation, if any, stripped back approximately 15 mm fromtip.4.2.3 The tip is to be joined by a sin glepoint weld. Other reliable and con siste nt methodsof jo ining the thermocouple wires may be used upon prior accepta neeof the CTL.Note 一 Dimensions given are typical, not requi
9、red.即要求:露出金属端为1.5mm,剥掉外层绝缘为15mm在输入供电 30Vdc 左右的情况下, 用镊子夹住热电藕的一头（包含两根线）去接触金属块。即可, 接触时请闭眼。1、石墨电炉焊接（专业版）焊接设备线路如图 6.5 所示。它由自耦变压器、石墨电炉及连接导线组成。将两根不同的热电极 丝用砂纸去掉表面氧化物，焊接端扭成麻花状，端部剪齐，把两根电极丝夹紧在由与地端相连的 引出线的夹子上，转动自耦变压器手轮，使自耦变压器的输出电压在 35 伏左右，而后将电极丝 插入石墨粉内，由于短路产生的电弧使两根热电极丝插入端熔结。图6.5石墨电炉焊接线路图焊接时要注意掌握插入时间，若时间太长，熔结点会因
10、电极丝继续熔化而掉落，并增加氧化；时 间太短，则因电极丝未熔化而没有熔结。自耦变压器的输出电压，应根据焊接时的具体情况作适 当调整。2、水银焊接焊接设备线路同图6.6,只不过是将石墨电炉换成了玻璃缸，缸内盛水银，水银上面覆盖一层 油用以阻止水银蒸发。水银焊接其基本操作同石墨电炉焊接。由于水银的导电性比石墨强，故焊接电压可稍低些， 水银焊接的速度要比石墨电炉焊接时快，焊接点的质量要比用石墨电炉焊接？谩?spa n style=display:nonejb5安规与电磁兼容网3、电容焊接焊接设备线路如图6.19所示。220伏的交流电压由自耦变压器降压后，经桥式整流后得到直流 电。当切换开关K使ab接
11、通，则电容充电；当切换开关使cd接通，由于接在接线柱1、2上的 两根电极丝短路，故电容充电，电极丝的触点因短路产生的电弧而熔结。图6.6电容焊接设备线路图焊接时的直流电压可转动自耦变压器的手轮来调节，电容的容量也有专门的分路开关可供选 择。焊接时若直流电压较高，则电容的容量应小些；直流电压比较低，则电容的容量应选得大些。 电阻R为限流电阻。其功用是保护直流电压表。4、气焊气焊时必须开足乙炔气，而氧气要开得小一些，使其形成焰芯，使热电偶丝焊接成球的焊点。（注意）热电偶的接点焊好以后，须进行质量检查，看焊接点是否有裂缝、假焊等现象，否则需重 新焊接.当我们把热电耦的两根线焊接到一起的时候，会将第三
12、种金属加到热电耦线路中，但只要热电耦 两端的温度的一样的，焊接应该不会造成误差.不过的确会限制我们可以加到垓接点的最高温 度参见下图6.7.如果想要达到较高的量测温度，就必须将接点予以熔接但是熔接也不是一个可 以随便进行的过程，如果过热的话，就会造成电耦变质恶化，而且电耦线进行熔接所使用的熔接 气体与大气都有可能扩散到电耦金属内部而改变其特性这样的困难又会因为需要结合的两种金 属的性质差异极大而加剧所以才采用电容放电技术可包一致性IPb, SnlJiiiiclinii Fd - Ph Su-C s fe - C圍 图 6.7 热电耦的焊接固定热电偶热端的方法实验室中在壁面上固定热电偶热端的方法
13、有如下三种方式：1）点接触点接触固定法系将热电偶的工作端？附踊蚯督臃绞焦潭彳诒诿嫔夏车恪G罢哂糜诒”冢 笳哂 糜诤癖凇u庵纸峁怪率雇u鹊缗妓可y娜攘縌，仅由该点供应，温度场变化较大，故测温误 差较大。2）平行焊接触平行焊接触系将热电偶的二根丝分别焊在被测璧面上，两焊点的间距保持15mm。由于热电 偶散失的热量来源于两根电热丝之间的一个小区域。单位面积散失的热量较小，温度场的变化不 大，测温误差不大。它适用于等温体和均匀材质的壁面。3）等温线接触等温线接触系热电偶的工作端同壁面某点接触后其热电偶丝沿等温面敷设一段距离（约50倍 热电偶丝的直径）后引出。这种固定方法的测温误差为最小，是实验研究中应
14、用最广泛的方法。对于非金属壁面，往往先将热电偶焊接在导热性能良好的金属薄片上，如铜片，然后将该薄片和 壁面紧密接触。由此可得到满意的测量结果。若被测壁面的一侧是流体，需注意热电偶丝固定在壁面上以后，流体流动受到影响，引起流动场 的改变，相应地改变了流体与壁面间的传热情况和壁面温度场，产生较大的测温误差，为了减少 对流体流动的影响，推荐采用嵌接法，并在焊接后将表面磨光，保持壁面的平滑。同时，热电偶 导线必须从流体的下游方向引出，使导线对流动的影响发生在测温之后，从而达到使测温误差为 最小。测量壁面温度时尚需注意测温点的选择。根据壁面测温的要求选取具有代表性的点作为测温点。 例如:拟测量管子横断面
15、的壁温，而且断面上存在温度分布。对于这种情况，可选取几个测温点， 由各点的温度来计算其平均值表示该断面的壁温。总结为了保证测量温度的精度，除了上述感温元件的安装之外，尚须注意测温显示仪表和连接导线的 安装。如，显示仪表是否远离强电场、强磁场;导线是否需要屏蔽，导线的电阻是否有要求;仪表 的型号，规格是否与感温元件匹配，其测量精度是否符合要求。总之，显示仪表的安装需要符合 该仪表样本中规定的安装要求执行。参考文献：1. 测量仪表与测量方法2. 热电偶温度计制造与标定3. 热电偶原理测温及其应用定则4. 热电阻和热电偶的测量原理及区别5 .IEC: Laboratory Procedure for Preparation, Attachment, Extension and Use of Thermocouples
