热电偶工作原理及结构

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1.懂工作原理

1.1热电偶测温原理

     两种电子密度不同的导体构成闭合回路,如果两接头的温度不同,回路中就有电流产生,这种现象成为热电现象,相应的电动势成为温差电势或热电势,它与温度有一定的函数关系,利用此关系就可测量温度。

    这种现象包含的原理有: 帕尔帖定理----不同材料结合在一起,在其结合面产生电势。 汤姆逊定理---由温差引起的电势。

   当组成热电偶的导体材料均匀时,其热电势的大小与导体本身的长度和直径大小无关,只与导体材料的成分及两端的温度有关。因此,用各种不同的导体或半导体可做成各种用途的热电偶,以满足不同温度对象测量的需要。

 1.2热电偶三大定律 均质导体定律

由单一均质金属所形成之封闭回路，沿回路上每一点即使改变温度也不会有电流产生。亦即，E = 0。

由2种均质金属材料A与B所形成的热电偶回路中，热电势E与接点处温度t1、t2的相关函数关系，不受A与B之中间温度t3与t4之影响。 

中间金属定律

在由A与B所形成之热电偶回路两接合点以外的任意点插入均质的第三金属C，C之两端接合点之温度t3若为相同的话，E不受C插入之影响。

在由A与B所形成之热电偶回路，将A与B的接合点打开并插入均质的金属C时，A与C接合点的温度与打开前接合点的温度相等的话，E不受C插入的影响。

如右图所示，对由A与B所形成之热电偶插入第3之中间金属C，形成由A与C、C与B之2组热电偶。接合点温度保持t1与t2的情况下，EAC + ECB = EAB。

   如右图所示任意数的异种金属A、B、C‧‧‧G所形成的封闭回路，封闭回路之全体或是全部的接合点保持在相等的温度时，此回路的E=0。 

    如右图所示，A与B所形成之热电偶，两接合点之温度为t1与t2时之E为E12，t2与t3时之E为E13的话，E12 + E23 = E13。此时，称t2为中间温度。

  以中间温度t2选择如0℃这样的标准温度，求得相对0℃任意的温度t1、t2、t3‧‧‧tn之热电动势，任意两点间之热电动势便可以计算求得。

如右图所示，对于使用补偿导线之热电偶回路适用以上之观念。A与B为热电偶，C与D为A、B用之补偿导线，M为数字电压计，计算后可得下面关系式： 

  E = EAB (t1)  － EAB (t3)   也就是说，M所测定之电

位差是由t1、t3所决定，不受t2之影响。 

2.懂设备结构

2.1热电偶的结构

    热电偶是有两根不同导体(或称电极)构成的.这两根导体一端焊接在一起,成为热端(或称工作端),测温时将此端处于被测介质中。另一端称为冷端(或自由端),接入二次仪表(显示仪表)或电测设备。

    a、普通型热电偶:是应用更多的,主要用来测量气体、蒸汽和液体等介质的温度。根据测温范围及环境的不同,所用的热电偶电极和保护套管的材料也不同,但因使用条件基本类似,所以这类热电偶已标准化、系列化。按其安装时的连接方法可分为螺纹连接合法兰连接两种。     b、铠装热电偶:又称缆式热电偶,是由热电极(多数采用的是铂丝,也有用镍丝的)、绝缘材料(通常为氧化镁粉末)和金属保护管三者结合,经拉制而成一个坚实的整体。

铠装热电偶有单支(双芯)和双支(四芯)之分,其测量端有露头型、接壳型和绝缘型三种基本形式。

铠装热电偶的参比端(接线盒)形式有简易式、防水式、防溅式、接插式和小接线盒式等。 铠装热电偶具有体积小、精度高、反应迅速、耐震动、耐冲击、机械强度高、可绕性好、寿命长、便于安装等优点。外形尺寸有φ5、φ6、φ8多种,长度为10~1000mm。

2.2、常用热电偶种类(八种)

      B型------铂铑30-铂铑6                                                                                  

R型-----铂铑13-铂      

S型------铂铑10-铂                

E型------镍铬-康铜     

J型------铁-康铜                    

K型------镍铬-镍铝     

T型------铜-康铜                   

N型------镍铬硅-镍硅

   其中:B、R、S属于贵金属热电偶;K、E、N、J属于廉金属热电偶; T型热电偶用于测量低温。

3.会异常分析

3.1热电偶测温系统常见故障原因及处理方法  故障现象

可能原因    

处理方法

 热电偶比实际值小 热电极短路

找出短路原因,如因潮湿所至,则需要进行干燥;如因绝缘端子损坏所至,则需更换绝缘子  热电偶的接线柱处积灰,造成短路  清扫积灰

 补偿导线线间短路 找出短路点,加强绝缘或更换补偿导线  热电偶热电极变质   在长度允许的情况下,剪去变质段重新焊接,或更换新热电偶  补偿导线与热电偶极性接反

重新接正确 

 补偿导线与热电偶不配套 更换相配套的补偿导线

 热电偶安装位置不当或插入深度不符合要求 重新按规定安装 

 热电偶冷端温度补偿不符合要求

调整冷端补偿器

热电偶与显示仪表不配套 更换热电偶或显示仪表使之相配

热电势比实际值大    热电偶与显示仪表不配套  

更换热电偶或显示仪表使之相配

 补偿导线与热电偶不配套 更换相配套的补偿导线

有直流干扰信号进入 排除直流干扰 热电势输出不稳定 热电偶接线柱与热电极接触不良

  将接线柱螺丝拧紧 

   热电偶安装不牢或外部震动

紧固热电偶,消除震动或采取减震措施  热电极将断未断  修复或更换热电偶 

外界干扰(交流漏电,电磁感应等)  查出干扰源,采取屏蔽措施 

  热电偶热电势误差大 热电极变质     更换热电极 

 热电偶安装位置不当 改变安装位置 

保护管表面积灰

  清除积灰

4.能遵守工艺纪律

4.1热电偶安装及注意事项

a在管道安装中，感温元件的工作端应置于管道中流速更大处。热电偶的保护套管的末端应越过流束中心线5~10mm。

b感温元件与被测介质形成逆流，应迎着气流流向插入，至少应与被测介质流束方向成90°。特别情况下也不能顺流安装测温元件，否则会产生测温误差。

c 插深一般不应小于300mm，如果插入深度不够，外露部分又空气流通，这样所测出的温度比实际温度低3~4度。

d在测温元件安装时，应防止电磁场干扰的引入而影响准确测量。

在接线时一定要确保良好接触，拧紧空心螺栓，然后盖紧接线盒盖子，对不得不露在空中的热电偶更好加防雨措施，以防雨淋损坏元件。为保护补偿导线不受外来的机械损伤和由于外磁场而造成对仪表的影响，补偿导线应加以屏蔽，并且不准有曲折迂回的情况。

e热电偶和热电阻应尽量垂直装在水平或垂直管道上，安装时应有保护套管，以方便检修和更换。

f测量管道内温度时，元件长度应在管道中心线上（即保护管插入深度应为管径的一半）。 g热电偶的冷端应处在同一环境温度下，应使用同型号的补偿导线，且正负要接对。 h高温区使用耐高温电缆或耐高温补偿线。 4.2必须遵守的工艺纪律

故障分析

1 拆卸、复装、搬运仪表设备必须使用专用的

工器具，轻拿、轻放 不准碰撞和损伤

 2复装仪表设备紧固件必须完整、齐全，螺栓

均匀用力上紧

不准短缺螺栓和垫圈

3 重要的保护、联锁系统静态试验时，必须从

就地仪表处模拟动作；试验结束后必须马上恢复就地仪表至正常工作状态

不准从DCS系统内强制节点状态进行试验

4 各测量元件引线必须固定牢固、压接良好；

必须避开热源及机械转动部分

不准乱接乱引；不准使引线受到挤压或过热影响

5 信号接入DCS系统的现场设备,在拆线后必

须将线头包好，防止线路短路或接地而损坏DCS系统卡件 线头不准短路、接地