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熱電偶及其補償導線的實際應用

作時間：2017-08-22 來源：作者：

今年《電子報》第 19 期第 9 版刊載了陶波先生的《熱電偶測溫工作原理與數字溫控器》一文,簡明地講述了熱電偶的有關知識。對了解熱電偶測溫技術有一定幫助。或許由于篇幅關系,陶波先生未作進一步深入的闡述,以致或有部份讀者會感到文章"意猶未盡"。鑒于熱電偶在機械、軍工、科研、化工等領域應用極為廣泛,同時,還有為數不少的業內人士存在使用不當的情況。故再借《電子報》給予補充并發表筆者一孔之見,與廣大讀者朋友共同學習探討。

我們已經知道,熱電偶接線情況如圖 1 所示:

圖中 t 稱為熱端或測溫端;接儀表端子處的 t0,系冷端或稱為參比端。由于熱電偶長度有限,距離熱源很近,該處的環境溫度很不穩定。所以在實際時用時,都毫不例外地接上一段導線,"把冷端移至溫度較低且比較恒定的地方"。(見圖 2)。

而對導線的要求是,這二根導線必須分別和二根熱電偶絲的材料相同、或者熱電特性和熱電偶絲相接近,接了此導線后,其末端處的環境溫度(室溫)就比較低而相對恒定。測溫準確度就可以提高。所以稱它為補償導線。

某些場合,對測溫的準確度有很高的要求時(例如用標準熱電偶檢定下一級熱電偶),往往把冷端置于 0℃的油中。這時因為 t0==0,所以熱電偶的輸出 mV 值可簡寫成

EAB(t,t0)=f(t)

就變為該熱電偶的單一函數了。這樣,只要查一次溫度一毫伏對照表便可得知被測對象的確切溫度。

采用上述的"冷端零度恒溫法"測溫時,從熱電偶冷端的接線端子(0℃)上再用導線和 mV 表連接。這種導線應該是本身不產生電動勢的銅線。如果還是用補償導線的話,則冷端就仍然被延伸到 mV表的接線端子處。根據熱電偶"中間溫度定律",這零度恒溫就形同虛設了。

有些特種熱電偶也可以用來測量固體的溫度。但這種熱電偶的熱端大都焊有一塊面積較大的"平板",借以增大接觸面,從而獲得較多熱量以提高測量準確度。同時還要求被測面盡可能平滑,否則也將產生很大負誤差。

目前世界各國使用的熱電偶有二十余種之多。我國最常用的有三種。它們的部份參數、特點見

下列 1 表。鉑銠 10—鉑為貴金屬熱電偶;其余二類為廉金屬熱電偶。

從表 2 可知,三種熱電偶各有特點。即鉑銠 10—鉑的使用溫最度高;鎳鉻一銅鎳的熱電勢變化率大即靈敏度高(每變化 1℃時電壓變化將近 80μV);鎳絡一鎳硅的使用溫度較高,靈敏度也不錯。如何根據被測(控)溫對象,正確選擇和用好熱電偶,真還有些"學問"。大致歸納如下:

如果被測(控)溫對象超過 1300℃時,當然得選用鉑銠 10—鉑熱電偶無疑。但這種熱電偶只適宜在強氧化性氣氛中工作,而且十分"嬌氣",萬一在高溫時遇到還原性氣體或其它腐蝕性介質,就會立即改變其成份,產生誤差。同時因鉑、銠材料價格昂貴,為了節約起見,最大直徑只做到 0.5mm(每米約重8 克)。這么小的直徑,必然比大直徑的更容易變質。這一道理不難理解。尤其是它的熱電勢小,1300℃時也只有 13.155mV。只要變值±1%(13.020mV 或 13.287mV),就變成"1289℃"或"1311℃",誤差達到了±11℃之多。這么大的誤差顯然是無法容忍的。而有時甚至變值可多達幾十℃。

關于保護管的問題,大約有如下幾點需要注意:

1.對于鉑銠 10—鉑熱電偶,絕對不能像鎳絡一鎳硅或鎳鉻一銅鎳一樣直接套上金屬材料的保護管。因為金屬在高溫下,分子比較活躍,有金屬"蒸汽"逸出,附著于偶絲上,改變其材質成份,于是產生誤差。

2.鉑銠 10—鉑熱電偶即使采用瓷保護管,也要求瓷材料的氧化鋁成份純度極高,至少達 95%以上。否則,氧化鋁中的雜質在高溫下也會玷污偶絲。

3.使用鉑銠 10—鉑熱電偶,還要求測(控)溫場所的空氣相對純凈,不含還原性以及酸、堿、油、鹽等腐蝕性氣體。這是由于偶絲雖然被保護管封閉,但封閉的管子有"呼吸作用"。這是筆者從事溫度測控工作三十年積累的實踐經驗,絕非憑空憶想。

4.上面已經述及,鎳鉻一銅鎳熱電偶的主要特點是熱電勢大即靈敏度高,故在上世紀 80 年代前,多數單位遇有 600℃以下的測、控溫對象時,往往首先考慮采用它,以期獲得較好的分辨率和靈敏度。但這一優點,隨著電子技術的進步、溫度儀表各項性能的不斷提高而喪失了。筆者在此建議:凡是1100℃以下的對象(例如一個對象是 1000℃另一對象是 500℃),一律采用鎳絡一鎳硅熱電偶,以避免搞錯等管理上的麻煩。同時,還只須使用一種測控溫儀表(備品減少了),節約了資金。

5.那么,對于 1100℃以上的場合是否必須采用鉑銠 10—鉑熱電偶呢?回答是否定的。在 1200℃至1100℃左右,完全可以采用鎳絡一鎳硅熱電偶。如果在保護管中充填氧化鎂粉以隔絕空氣,則使用壽命還可以大幅提高。又如測量液體(例如鹽浴),則因有腐蝕作用,最好采用高耐熱鋼的外保護管。

6.鎳鉻一鎳硅熱電偶的最高使用溫度可達 1300℃,但壽命較短。因此,若溫度雖高但工作的時間不太長,也可以不用鉑銠 10—鉑熱電偶。想想看,一支鉑銠 10—鉑熱電偶的代價足以購買三、四十支鎳鉻一鎳硅熱電偶,為了經濟效益,你將作何選擇?

7.在此還需提醒讀者朋友,國家規定一般廉金屬熱電偶絲的的直徑是 2.5mm,但現在有些商家為了降低成本,仍在用 1.5mm(截面減少近 2/3)。壽命大打折扣。購買時務必注意。

下面再簡單地談一下補償導線;

補償導線按材料分,可分為補償型(即材料雖和熱電偶不同但在室溫范圍的熱電特性和熱電偶相近),和延長型(即材料完全和熱電偶相同)兩類。其中鉑銠 10—鉑熱電偶因價格昂貴不可能采用同種材料,所以只有一種補償型的;鎳鉻一鎳硅熱電偶的補償導線,則既有補償型又有延長型(原因是:延長型材料是鎳和鉻,價格比較貴一些;補償型材料以銅為主,價廉且電阻值小)。而鎳鉻一銅鎳因本身就屬于廉金屬,故就不必再生產補償型了。

補償型補償導線的型號表述,是以與其配用熱電偶的分度號后面加上C字(例如鉑銠10—鉑熱電偶的補償導線以SLK表示);延長型補償導線的型號,則是以與其配用熱電偶的分度號再上X(例如鎳鉻一鎳硅熱電偶的延長型補償導線用 KX 表示)。

補償導線有單股(硬)和多股(軟)兩類。其截面積有 0.5～2.5mm 2 之間共四種規格。另外,它還有"一般用"和"耐熱用"之分,耐熱用補償導線用聚四氟乙烯或玻璃纖維作絕緣層,適宜用于環境溫度較高的場合。表 3 為"一般用"補償導線部份數據:

同樣,對于補償導線的應用,筆者也有幾點經驗,供朋友們參考。

如前所述,補償導線(室溫附近)的熱電特性必須和與之配套的熱電偶相接近,被測溫度才能得到完善的補償。因而對補償導線的成份同樣有一定的要求。但近二十年來,市場上的補償導線魚龍混雜,一些小作坊和不法商人用鐵絲冒充鎳鉻絲、用銅絲冒充銅鎳絲等等。在我匱子內收集有不少于 20個"品牌"的各類假補償導線。這些"補償導線"的補償量有補償不足的;有補償過度的;也有補償量等于零的;甚至還有"反補償"(即是產生負電勢,抵消一部份總電壓)的。形形色色,不一而足。因此,請注意下列幾點。

1.補償導線要直接到生產單位購買。千萬不要去小商鋪買。因為真假補償導線的價格可相差二至三倍之多。商家為了利潤,自然更趨向于選擇廉價的品種。我收集的二十種假補償線,多半是來自上海某知名五金街的商鋪。另有一部份是直接向西安某縣幾家生產單位索取(而他們也供應真品,但價格貴二、三倍)。

2.對在用的或新購的補償導線。可以用測熱電勢的方法來鑒別其真偽和優劣。方法是截取一段(例如 300～500mm)補償導線,將其兩端的絕緣層剝去。一端用鋼絲鉗等工具將兩根偶絲緊緊絞合起來,這樣就做成了一支臨時"熱電偶"。把絞合的一端(熱端)放入沸騰的熱水(或熱水瓶)中,另一端(冷端)接有"冷端溫度自動補償"的便攜式測溫儀表(注意正、負極)。測溫儀如顯示 97～103℃范圍內就系真品;如誤差在±6℃左右則為劣質品,但免強可用;又如測溫儀顯示零度或只有幾十度甚至是負值,則系假貨。就千萬不可繼續使用,否則將產生極大的誤差,影響產品質量甚至使之成為廢品。相關推薦：雙金屬溫度計

3.補償導線的線徑,和熱電偶絲一樣,也有多種規格。市場供應最粗的一種為 2.5mm 2 (見表 3)。這種導線的負極既粗又硬,與熱電偶、儀表的連接都十分困難。那么,導線制造廠為什么要生產這么粗的導線呢?因為導線單位長度的電阻值,因線徑的不同而大相徑庭。當然導線越粗,電阻值就越小。用于上世紀六、七十年代的低輸入電阻的動圈式儀表上,可以使儀表的輸入端分得盡可能多的電壓(見圖 3)。

設熱電偶的熱電勢為 E,儀表分得的電壓為 U,則

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

當然 R1 越小儀表實際得到的電壓就越高,誤差也就越小。但如今動圈式儀表早已淘汰,取而代之的是各類電子儀表,其輸入阻抗都在幾十千歐姆以上。對補償導線不大于幾十歐姆的電阻值已是微不足道了。所以,宜選用較細的 1.5mm 2 的補償導線為好。

4.對于鎳鉻一鎳硅熱電偶的補償導線,筆者曾從價格及使用效果等各方面作過一些研究,結論是1.5mm 2 延長導線的成本反而比 2.5mm 2 補償導線(正極銅線負極銅鎳合金線)為低。而機械強度、溫度補償準確度、穿管和接線的方便度以及使用壽命等等更是大大優于后者。筆者曾就此在中國自動化學會上海地區發表過論文一篇(后由《自動化儀表》雜志轉載),得到大型國企上海石化等多家單位采納。又因鎳鉻絲和鎳硅絲強度高,即使采用了 1.0mm 2 的導線,也不易折斷。由此,筆者建議,今后不要再去購買補償型的了。