熱電偶的應(yīng)用與發(fā)展
摘要：目前，對于熱電偶傳感器的研究已經(jīng)很透徹。在很多領(lǐng)域里，熱電偶的應(yīng)用是達(dá)到了舉足輕重的程度，應(yīng)用很廣泛，效果也很理想。但是，其發(fā)展還有很大的空間，對于它的性能、用途以及使用范圍還需進(jìn)一步了解。鑒于熱電偶的高速發(fā)展，本文主要對它的應(yīng)用與發(fā)展進(jìn)行闡述。
1熱電偶的工作原理
熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路,當(dāng)兩端存在溫度梯度時,回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在Seebeck電動勢——熱電動勢，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)。兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體為熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為自由端，自由端通常處于某個恒定的溫度下。根據(jù)熱電動勢與溫度的函數(shù)關(guān)系, 制成熱電偶分度表; 分度表是自由端溫度在0℃時的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時, 只要該材料兩個接點(diǎn)的溫度相同, 熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此, 在熱電偶測溫時, 可接入測量儀表, 測得熱電動勢后, 即可知道被測介質(zhì)的溫度。 兩種不同成份的導(dǎo)體（稱為熱電偶絲材或熱電極）兩端接合成回路，當(dāng)接合點(diǎn)的溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，而這種電動勢稱為熱電勢。熱電偶就是利用這種原理進(jìn)行溫度測量的，其中，直接用作測量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端（也稱為測量端），另一端叫做冷端（也稱為補(bǔ)償端）；冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢。
2熱電偶的種類及應(yīng)用
常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。所調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶我國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計型熱電偶。
（S型熱電偶）鉑銠10-鉑熱電偶 鉑銠10-鉑熱電偶（S型熱電偶）為貴金屬熱電偶。偶絲直徑規(guī)定為0.5mm，允許偏差-0.015mm，其正極（SP）的名義化學(xué)成分為鉑銠合金，其中含銠為10%，含鉑為90%，負(fù)極（SN）為純鉑，故俗稱單鉑銠熱電偶。該熱電偶長期最高使用溫度為1300℃，短期最高使用溫度為1600℃。
S型熱電偶在熱電偶系列中具有準(zhǔn)確度最高，穩(wěn)定性最好，測溫溫區(qū)寬，使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。它的物理，化學(xué)性能良好，熱電勢穩(wěn)定性及在高溫下抗氧化性能好，適用于氧化性和惰性氣氛中。由于S型熱電偶具有優(yōu)良的綜合性能，符合國際使用溫標(biāo)的S型熱電偶，長期以來曾作為國際溫標(biāo)的內(nèi)插儀器，
S型熱電偶不足之處是熱電勢，熱電勢率較小，靈敏讀低，高溫下機(jī)械強(qiáng)度下降，對污染非常敏感，貴金屬材料昂貴，因而一次性投資較大。
（R型熱電偶）鉑銠13-鉑熱電偶 鉑銠13-鉑熱電偶（R型熱電偶）為貴金屬熱電偶。偶絲直徑規(guī)定為0.5mm，允許偏差-0.015mm，其正極（RP）的名義化學(xué)成分為鉑銠合金，其中含銠為13%，含鉑為87%，負(fù)極（RN）為純鉑，長期最高使用溫度為1300℃，短期最高使用溫度為1600℃。
R型熱電偶在熱電偶系列中具有準(zhǔn)確度最高，穩(wěn)定性最好，測溫溫區(qū)寬，使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。其物理，化學(xué)性能良好，熱電勢穩(wěn)定性及在高溫下抗氧化性能好，適用于氧化性和惰性氣氛中。由于R型熱電偶的綜合性能與S型熱電偶相當(dāng)，在我國一直難于推廣，除在進(jìn)口設(shè)備上的測溫有所應(yīng)用外，國內(nèi)測溫很少采用。1967年至1971年間，英國NPL，美國NBS和加拿大NRC三大研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了一項合作研究，其結(jié)果表明，R型熱電偶的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性比S型熱電偶均好，我國目前尚未開展這方面的研究。
R型熱電偶不足之處是熱電勢，熱電勢率較小，靈敏讀低，高溫下機(jī)械強(qiáng)度下降，對污染非常敏感，貴金屬材料昂貴，因而一次性投資較大。
（B型熱電偶）鉑銠30-鉑銠6熱電偶
鉑銠30-鉑銠6熱電偶（B型熱電偶）為貴金屬熱電偶。偶絲直徑規(guī)定為0.5mm，允許偏差-0.015mm，其正極（BP）的名義化學(xué)成分為鉑銠合金，其中含銠為30%，含鉑為70%，負(fù)極（BN）為鉑銠合金，含銠為量6%，故俗稱雙鉑銠熱電偶。該熱電偶長期最高使用溫度為1600℃，短期最高使用溫度為1800℃。 B型熱電偶在熱電偶系列中具有準(zhǔn)確度最高，穩(wěn)定性最好，測溫溫區(qū)寬，使用壽命長，測溫上限高等優(yōu)點(diǎn)。適用于氧化性和惰性氣氛中，也可短期用于真空中，但不適用于還原性氣氛或含有金屬或非金屬蒸氣氣氛中。B型熱電偶一個明顯的優(yōu)點(diǎn)是不需用補(bǔ)償導(dǎo)線進(jìn)行補(bǔ)償，因為在0~50℃范圍內(nèi)熱電勢小于3μV。 B型熱電偶不足之處是熱電勢，熱電勢率較小，靈敏讀低，高溫下機(jī)械強(qiáng)度下降，對污染非常敏感，貴金屬材料昂貴，因而一次性投資較大。
（K型熱電偶）鎳鉻-鎳硅熱電偶
鎳鉻-鎳硅熱電偶（K型熱電偶）是目前用量最大的廉金屬熱電偶，其用量為其他熱電偶的總和。正極（KP）的名義化學(xué)成分為：Ni：Cr=90：10，負(fù)極（KN）的名義化學(xué)成分為：Ni：Si=97：3，其使用溫度為-200~1300℃。
K型熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性較好，抗氧化性能強(qiáng)，價格便宜等優(yōu)點(diǎn)，能用于氧化性惰性氣氛中。廣泛為用戶所采用。
K型熱電偶不能直接在高溫下用于硫，還原性或還原，氧化交替的氣氛中和真空中，也不推薦用于弱氧化氣氛中。
（N型熱電偶）鎳鉻硅-鎳硅熱電偶
鎳鉻硅-鎳硅熱電偶（N型熱電偶）為廉金屬熱電偶，是一種最新國際標(biāo)準(zhǔn)化的熱電偶，是在70年代初由澳大利亞國防部實驗室研制成功的它克服了K型熱電偶的兩個重要缺點(diǎn)：K型熱電偶在300~500℃間由于鎳鉻合金的晶格短程有序而引起的熱電動勢不穩(wěn)定；在800℃左右由于鎳鉻合金發(fā)生擇優(yōu)氧化引起的熱電動勢不穩(wěn)定。正極（NP）的名義化學(xué)成分為：Ni:Cr:Si=84.4:14.2:1.4，負(fù)極（NN）的名義化學(xué)成分為：Ni:Si:Mg=95.5:4.4:0.1，其使用溫度為-200~1300℃。
N型熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和均勻性較好，抗氧化性能強(qiáng)，價格便宜，不受短程有序化影響等優(yōu)點(diǎn),其綜合性能優(yōu)于K型熱電偶,是一種很有發(fā)展前途的熱電偶.
N型熱電偶不能直接在高溫下用于硫，還原性或還原，氧化交替的氣氛中和真空中，也不推薦用于弱氧化氣氛中。
（E型熱電偶）鎳鉻-銅鎳熱電偶
鎳鉻-銅鎳熱電偶（E型熱電偶）又稱鎳鉻-康銅熱電偶，也是一種廉金屬的熱電偶，正極（EP）為：鎳鉻10合金，化學(xué)成分與KP相同，負(fù)極（EN）為銅鎳合金，名義化學(xué)成分為：55%的銅，45%的鎳以及少量的錳，鈷，鐵等元素。該熱電偶的使用溫度為-200~900℃。
E型熱電偶熱電動勢之大，靈敏度之高屬所有熱電偶之最，宜制成熱電堆，測量微小的溫度變化。對于高濕度氣氛的腐蝕不甚靈敏，宜用于濕度較高的環(huán)境。E熱電偶還具有穩(wěn)定性好，抗氧化性能優(yōu)于銅-康銅，鐵-康銅熱電偶，價格便宜等優(yōu)點(diǎn)，能用于氧化性和惰性氣氛中，廣泛為用戶采用。
E型熱電偶不能直接在高溫下用于硫，還原性氣氛中，熱電勢均勻性較熱電偶。
（J型熱電偶）鐵-銅鎳熱電偶
鐵-銅鎳熱電偶（J型熱電偶）又稱鐵-康銅熱電偶，也是一種價格低廉的廉金屬的熱電偶。它的正極（JP）的名義化學(xué)成分為純鐵，負(fù)極（JN）為銅鎳合金，常被含糊地稱之為康銅，其名義化學(xué)成分為：55%的銅和45%的鎳以及少量卻十分重要的錳，鈷，鐵等元素，盡管它叫康銅，但不同于鎳鉻-康銅和銅-康銅的康銅，故不能用EN和TN來替換。鐵-康銅熱電偶的覆蓋測量溫區(qū)為-200~1200℃，但通常使用的溫度范圍為0~750℃
J型熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和均勻性較好，價格便宜等優(yōu)點(diǎn),廣為用戶所采用。
J型熱電偶可用于真空，氧化，還原和惰性氣氛中，但正極鐵在高溫下氧化較快，故使用溫度受到限制，也不能直接無保護(hù)地在高溫下用于硫化氣氛中。
（T型熱電偶）銅-銅鎳熱電偶
銅-銅鎳熱電偶（T型熱電偶）又稱銅-康銅熱電偶，也是一種最佳的測量低溫的廉金屬的熱電偶。它的正極（TP）是純銅，負(fù)極（TN）為銅鎳合金，常之為康銅，它與鎳鉻-康銅的康銅EN通用，與鐵-康銅的康銅JN不能通用，盡管它們都叫康銅，銅-銅鎳熱電偶的蓋測量溫區(qū)為-200~350℃。
T型熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和均勻性較好，價格便宜等優(yōu)點(diǎn),特別在-200~0℃溫區(qū)內(nèi)使用，穩(wěn)定性更好，年穩(wěn)定性可小于±3μV，經(jīng)低溫檢定可作為二等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行低溫量值傳遞。
T型熱電偶的正極銅在高溫下抗氧化性能差，故使用溫度上限受到限制。
3熱電偶傳感器在具體工程中的應(yīng)用：
漏鋼是連鑄生產(chǎn)中一種災(zāi)難性的事故，漏鋼會損壞設(shè)備，降低作業(yè)率，給企業(yè)造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。連鑄漏鋼可分為粘結(jié)漏鋼、夾渣漏鋼、裂紋漏鋼等，漏鋼與鋼水成分、溫度、設(shè)備狀況、保護(hù)渣性能以及操作水平有密切聯(lián)系。生產(chǎn)過程中的漏鋼事故一般為鑄坯出生殼在結(jié)晶器內(nèi)發(fā)生粘結(jié)或其他異常情況沒有得到補(bǔ)救，出結(jié)晶器時沒有達(dá)到足夠的安全厚度而導(dǎo)致漏鋼。為了減少漏鋼事故發(fā)生，人們一直致力于開發(fā)漏鋼預(yù)報系統(tǒng)。通過在結(jié)晶器銅板中埋入溫度傳感器熱電偶對銅板進(jìn)行熱監(jiān)控，鐳目科技有限責(zé)任公司通過對影響漏鋼預(yù)報系統(tǒng)準(zhǔn)確率因素的研究，采取了一系列的改進(jìn)措施，成功研制出一種高準(zhǔn)確率的漏鋼預(yù)報系統(tǒng)，目前該系統(tǒng)已經(jīng)在國內(nèi)多家鋼廠成功運(yùn)行，得到了廣泛的好評。
漏鋼預(yù)報系統(tǒng)，是一種可以通過分析分布在結(jié)晶器壁上的熱電偶采集到的溫度變化，得知坯殼破裂處及其擴(kuò)展，從而檢測出漏鋼趨勢并進(jìn)行報警的設(shè)備。RAMON漏鋼預(yù)報系統(tǒng)主要由以下幾部份組成：現(xiàn)場操作箱、控制柜、工控機(jī)、熱電偶模塊、連接器、熱電偶、熱電偶保護(hù)套管、離線檢測裝置等部分組成。
正常澆注情況下， 由于結(jié)晶器內(nèi)新生高溫坯殼的不斷向下運(yùn)動，上排熱電偶溫度大于下排熱電偶的溫度；當(dāng)坯殼發(fā)生粘結(jié)被拉斷時，補(bǔ)入的鋼水直接和銅板接觸，上排熱電偶溫度升高，拉斷處會形成薄弱的坯殼并將繼續(xù)向下運(yùn)動，在鋼水靜壓力的作用下緊貼銅壁，使下排的熱電偶溫度也隨之上升 ”。當(dāng)粘結(jié)嚴(yán)重時，會使兩個熱電偶的溫升達(dá)到一定值，如果溫升超過允許值，系統(tǒng)便發(fā)出漏鋼報警。
預(yù)報系統(tǒng)可分為手動操作或自動控制。當(dāng)選擇人工控制時，操作人員根據(jù)系統(tǒng)畫面及報警，手動控制相應(yīng)系統(tǒng)； 在自動狀態(tài)下， 當(dāng)出現(xiàn)非正常狀態(tài)時，系統(tǒng)自動降低相應(yīng)流的拉速并發(fā)出警報，相應(yīng)流自動減速，以便使裂口愈口。提供的愈合時間是根據(jù)不同鋼種預(yù)先設(shè)定的。自發(fā)生報警恢復(fù)至正常狀態(tài)，不需人工操作。
影響預(yù)報準(zhǔn)確度的因素：在連鑄生產(chǎn)過程中，結(jié)晶器內(nèi)實際沒有黏結(jié)，但是由于某些原因?qū)е聼犭娕紲囟惹€波動過大而產(chǎn)生漏鋼預(yù)報即誤報；但結(jié)晶器內(nèi)實際發(fā)生了黏結(jié)，而由于熱電偶沒有檢測到等原因漏鋼預(yù)報系統(tǒng)沒有預(yù)報而發(fā)生漏鋼事故，就是漏報。經(jīng)過現(xiàn)場試驗分析確定誤報、漏報發(fā)生的原因主要有以下幾種：(1)熱電偶線下檢測質(zhì)量不合格，熱電偶存在質(zhì)量問題。在使用過程中熱電偶性能不穩(wěn)定或失去熱電特性，溫度曲線波動過大，造成誤報，誤報頻繁系統(tǒng)被迫關(guān)閉，將產(chǎn)生漏報。(2)熱電偶裝配方式不夠合理或者密封不好，使用一段時間后，熱電偶與結(jié)晶器安裝槽不能緊密接觸，進(jìn)水及油污將使測量溫度與實際溫度偏差大，溫度曲線呈波動狀，造成誤報。(3)電氣設(shè)計不合理、電磁干擾嚴(yán)重，在熱電偶信號傳輸過程中發(fā)生失真現(xiàn)象，使溫度曲線波動，將產(chǎn)生誤報和漏報。(4)在漏鋼預(yù)報系統(tǒng)中，相應(yīng)鋼種組報警參數(shù)值設(shè)置較小或較大，也會產(chǎn)生誤報和漏報。(5)算法不合理，也將產(chǎn)生誤報和漏報。
4熱電偶的發(fā)展
國內(nèi)外的許多研究機(jī)構(gòu)和制造商，根據(jù)工業(yè)過程自動化的檢測和控制要求，不斷設(shè)計和制造出許多新的熱電偶，目前的發(fā)展趨勢大致如下:
1) 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)鎧裝化
鎧裝熱電偶具有壽命長、可彎曲、熱響應(yīng)時間小、耐震動等的優(yōu)點(diǎn)，倍受用戶青睞。它將逐步地代替過去用絕緣瓷珠穿絲的裝配結(jié)構(gòu)型式。
2) 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)安裝套管化
由于熱電偶檢測元件實現(xiàn)了鎧裝化，因此可以做到整機(jī)與套管分離成兩部分，用戶可以預(yù)先將套管安裝在工業(yè)過程設(shè)備上，熱電偶可以在不停機(jī)的情況下安裝或拆卸，設(shè)備中的介質(zhì)不泄漏，既可靠又安全。
3) 檢測、信號轉(zhuǎn)換和現(xiàn)場顯示一體化
隨著電子產(chǎn)品的小型化，原來作為直流4～20mA或1～5V標(biāo)準(zhǔn)信號傳輸?shù)臒犭娕枷盗械臏囟茸兯推饕惨研⌒突梢园惭b在現(xiàn)場的熱電偶接線盒內(nèi)與熱電偶成為一體，且只需用兩根普通導(dǎo)線連接而不必使用較為昂貴的補(bǔ)償導(dǎo)線。檢測、信號轉(zhuǎn)換和顯示成為一體的帶轉(zhuǎn)換器、帶顯示的熱電偶則可滿足現(xiàn)場顯示的需要。
近年來，現(xiàn)場總線已廣泛應(yīng)用于許多自動化控制領(lǐng)域，帶智能型轉(zhuǎn)換器的熱電偶也已面世。它采用二線制4～20mA或數(shù)字化輸，通過手持終端操作器接在4～20mA任意位置，實現(xiàn)數(shù)字信號通訊的現(xiàn)場或遠(yuǎn)距離重調(diào)。它還具有PID的控制功能。在這種情況下，4～20mA作為控制輸出，過程變量是測量的溫度值,，設(shè)置則可由操作者直接或使用一個可組態(tài)的設(shè)置操作器來調(diào)整，其輸出信號可接到執(zhí)行單元；同時信號的數(shù)字部分提供過程變量、輸出、設(shè)置和其他轉(zhuǎn)換參數(shù)或PID參數(shù)
總結(jié)：熱電偶的應(yīng)用在工業(yè)中隨處可見，學(xué)習(xí)好熱電偶有利于我們將來的發(fā)展，這樣才能不斷的進(jìn)步。
