关于热电偶在工业生产中的应用王耀雷

关于热电偶在工业生产中的应用摘要热电偶是温度测量仪表中常用的测温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。他的主要特点就是测温范围宽，性能比较稳定，同时结构简单，动态响应好，便于自动控制和集中控制。文章主要介绍了热电偶的种类，工作原理、应用现状、应用前景。关键词：热电偶，原理，种类，应用，前景一．热电偶的工作原理与分类1.热电偶的工作原理任意两种材质不同的金属导体或半导体（称为热电偶丝材或热电极）A和B首尾连接成闭合回路,只要两接点T1和T2的温度不同,就会产生热电势,形成热电流,这就是热电效应。而这种电动势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。热电偶实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度.热电偶原理图对于热电偶的热电势，应注意如下几个问题：（1）热电偶的热电势是热电偶工作端的两端温度函数的差，而不是热电偶冷端与工作端，两端温度差的函数；（2）热电偶所产生的热电势的大小，当热电偶的材料是均匀时，与热电偶的长度和直径无关，只与热电偶材料的成份和两端的温差有关；（3）当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后，热电偶热电势的大小，只与热电偶的温度差有关；若热电偶冷端的温度保持一定，这进热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，如图所示。当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。2.热电偶的计算方法1、公式当热电偶的冷端温度t00℃时，由于热端与冷端的温差随冷端的变化而变化，所以测得的热电势EAB（t，t0）与冷端为0℃时所测得的热电势EAB（t，0℃）不等。若冷端温度高于0℃，则EAB（t，t0）EAB（t，0℃）。可以利用下式计算并修正测量误差EAB（t，0℃）=EAB（t，t0）+EAB（t0，0℃）2、举例9-1用镍铬-镍硅（K型）热电偶测炉温时，冷端温度t0=30℃，在直流毫伏表上测得的热电势EAB（t，30℃）=38.505mV，试求炉温为多少？解查镍铬-镍硅热电偶分度表，得到EAB（30℃，0℃）=1.203mV。根据计算公式有EAB（t，0℃）=EAB（t，30℃）+EAB（30℃，0℃）=（38.505+1.203）mV=39.708mV反查K型热电的偶分度表，得到t=960℃。该方法适用于热电偶冷端温度较恒定的情况。在智能化仪表中，查表及运算过程均可由计算机完成。3.热电偶的种类常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用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。标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。1)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。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。S型热电偶不足之处是热电势，热电势率较小，灵敏读低，对污染非常敏感，贵金属材料昂贵，因而一次性投资较大。2)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。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。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。3)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。其中含铑为30%，含铂为70%，负极（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，使用寿命长，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。4)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。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。5)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。6)J型热电偶,铁-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。7)T型热电偶,铜-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。二．应用现状1.在石油化工行业中的应用石油化工行业的大型加热炉的温度控制非常重要，是决定产品是否合格、所处理的产品是否合格的重要条件，急需一种测温高的同时柔韧性好、测温精度高、可靠性高的热电偶。比如催化剂厂生产的催化剂产品都需要严格温度的控制，因为催化剂一般成本比较高，并且对温度要求特别严格，如果温度控制不好那么烧制出来的产品都会报废，造成重大的损失。在几十米的加热空间里，对温度的要求是很严格的误差一般在±5℃，尤其在恒温段，直接关系到产品的质量，如果温度控制不好，生产出来的产品就会不合格造成重大损失。并且在一个炉子中根据生产的需要往往不是一支热电偶，而是很多只热电偶，每段的热电偶功能又有所不同，有的作为控制单元的采集点，有的作为显示单元的采集。在不如化工中的精馏，精馏是应用广泛的化工分离单元操作，但是精馏过程能耗巨大，提高精馏过程的能量利用率始终是研究的热点。热偶精馏由于既节能又节省设备投资引起了任部门的广泛关注。研究发现热偶精馏比常规精馏过程节能至少30%以上，但是以前由于受到技术工艺的影响而难以工业化。近年来，随着对节能要求的提高，且由于控制技术的提高，热偶精馏方面的研究取得了巨大的突破。一些有实力的大公司已经将其实现工业化。并且取得了比较好的效益。对于热偶精馏越来越受到企业的青睐，相在未来热偶会在工业生产中举足轻重。2.在热电偶生产企业中的应用单芯铠装热电偶是一种通用热电偶，以前使用热电偶的场合绝大多数都可以使用单芯铠装热电偶，具有铠装热电偶电缆生产能力的企业都可以生产单芯铠装热电偶，具有热电偶生产能力的企业也可以通过购买单芯铠装热电偶电缆生产单芯铠装热电偶。制造单芯铠装热电偶电缆时，不用担心同极或正负极打绞，也几乎不用担心不合格，与常规铠装热电偶电缆的生产过程、工艺方法和设备工装一样，不需另外投资设备即可大批量生产。我国第一家批量生产铠装热电偶电缆的重庆川仪，虽然是从日本引进全套设备和技术，铠装热电偶电缆的平均合格率也不超过90%。同等条件下如果生产单芯铠装热电偶，合格率至少达到99%，仅合格率提高一项每年即可减少损失100万元以上。单芯铠装热电偶不仅可轻易实现Ⅰ级精度，还可大量达到特Ⅰ级精度（±1.1℃或0.4%）。三．应用前景分析1.热电偶的市场总量分析热电偶属于现场检测用温度仪表，在所有检测与控制仪表中使用最普遍、使用量最大；属于易消耗品，使用寿命长的几年，短的只有几天甚至几小时。绝大多数企业都需要热电偶测温，使用多的每年上百万元，少则几千元，主要集中在化工、冶金、机械、电力、建材等行业。粗略统计国内热电偶年需求量约20亿元，其中装配热电偶约占30%、铠装热电偶约占50%、特种热电偶约占20%。2007年中国仪器仪表行业协会有会员915家，其中温度仪表专业约80家。全国现有热电偶生产企业约200家，其中年产值在3000万元以上的约20余家，主要是温度仪表行业的理事单位，热电偶销售总量在10亿元左右；年产值在1000万元左右的约60家，大多是以生产热电偶为主的新兴民营企业；年产值在500万元以下的有100多家，大多是跟风生产的企业。重庆有20多家热电偶生产企业，是全国最重要的热电偶生产基地，如川仪十七厂、材料研究所、迪洋仪表、长江仪表、大正仪表、五通仪表、川仪一厂、热工仪表、力川仪表、同创仪表、大清仪表、欧德仪表、盖德仪表、长川仪表、巨腾仪表、博格仪表等，热电偶的年总产值在3亿元左右。2.单芯铠装热电偶的技术经济性能以常规铠装热电偶的性价系数为1，根据各主要性能指标在热电偶使用中表现出的重要度或影响度，确定单芯铠装热电偶的性价系数，各项性价系数的乘积就是单芯铠装热电偶比较常规铠装热电偶的性价比，列表计算见表2。可见，单芯铠装热电偶的性价比是常规铠装热电偶的2倍以上。2009年以来的金融危机对我国仪表构成的应战，特殊是热电偶温度仪表，至今仍有宏大的影响。将来的若干年，我国热电偶的开展趋向