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熱電偶工作原理及結構
檢修崗位
1.懂工作原理
1.1熱電偶測溫原理
兩種電子密度不同的導體構成閉合回路,如果兩接頭的溫度不同,回路中就有電流產生,這種現象成為熱電現象,相應的電動勢成為溫差電勢或熱電勢,它與溫度有一定的函數關系,利用此關系就可測量溫度。
這種現象包含的原理有: 帕爾帖定理----不同材料結合在一起,在其結合面產生電勢。 湯姆遜定理---由溫差引起的電勢。
當組成熱電偶的導體材料均勻時,其熱電勢的大小與導體本身的長度和直徑大小無關,只與導體材料的成分及兩端的溫度有關。因此,用各種不同的導體或半導體可做成各種用途的熱電偶,以滿足不同溫度對象測量的需要。
1.2熱電偶三大定律 均質導體定律
由單一均質金屬所形成之封閉回路，沿回路上每一點即使改變溫度也不會有電流產生。亦即，E = 0。
由2種均質金屬材料A與B所形成的熱電偶回路中，熱電勢E與接點處溫度t1、t2的相關函數關系，不受A與B之中間溫度t3與t4之影響。
中間金屬定律
在由A與B所形成之熱電偶回路兩接合點以外的任意點插入均質的第三金屬C，C之兩端接合點之溫度t3若為相同的話，E不受C插入之影響。
在由A與B所形成之熱電偶回路，將A與B的接合點打開并插入均質的金屬C時，A與C接合點的溫度與打開前接合點的溫度相等的話，E不受C插入的影響。
如右圖所示，對由A與B所形成之熱電偶插入第3之中間金屬C，形成由A與C、C與B之2組熱電偶。接合點溫度保持t1與t2的情況下，EAC + ECB = EAB。
如右圖所示任意數的異種金屬A、B、C???G所形成的封閉回路，封閉回路之全體或是全部的接合點保持在相等的溫度時，此回路的E=0。
如右圖所示，A與B所形成之熱電偶，兩接合點之溫度為t1與t2時之E為E12，t2與t3時之E為E13的話，E12 + E23 = E13。此時，稱t2為中間溫度。
以中間溫度t2選擇如0℃這樣的標準溫度，求得相對0℃任意的溫度t1、t2、t3???tn之熱電動勢，任意兩點間之熱電動勢便可以計算求得。
如右圖所示，對于使用補償導線之熱電偶回路適用以上之觀念。A與B為熱電偶，C與D為A、B用之補償導線，M為數字電壓計，計算后可得下面關系式：
E = EAB (t1) － EAB (t3) 也就是說，M所測定之電
位差是由t1、t3所決定，不受t2之影響。
2.懂設備結構
2.1熱電偶的結構
熱電偶是有兩根不同導體(或稱電極)構成的.這兩根導體一端焊接在一起,成為熱端(或稱工作端),測溫時將此端處于被測介質中。另一端稱為冷端(或自由端),接入二次儀表(顯示儀表)或電測設備。
a、普通型熱電偶:是應用更多的,主要用來測量氣體、蒸汽和液體等介質的溫度。根據測溫范圍及環境的不同,所用的熱電偶電極和保護套管的材料也不同,但因使用條件基本類似,所以這類熱電偶已標準化、系列化。按其安裝時的連接方法可分為螺紋連接合法蘭連接兩種。 b、鎧裝熱電偶:又稱纜式熱電偶,是由熱電極(多數采用的是鉑絲,也有用鎳絲的)、絕緣材料(通常為氧化鎂粉末)和金屬保護管三者結合,經拉制而成一個堅實的整體。
鎧裝熱電偶有單支(雙芯)和雙支(四芯)之分,其測量端有露頭型、接殼型和絕緣型三種基本形式。
鎧裝熱電偶的參比端(接線盒)形式有簡易式、防水式、防濺式、接插式和小接線盒式等。 鎧裝熱電偶具有體積小、精度高、反應迅速、耐震動、耐沖擊、機械強度高、可繞性好、壽命長、便于安裝等優點。外形尺寸有φ5、φ6、φ8多種,長度為10~1000mm。
2.2、常用熱電偶種類(八種)
B型------鉑銠30-鉑銠6
R型-----鉑銠13-鉑
S型------鉑銠10-鉑
E型------鎳鉻-康銅
J型------鐵-康銅
K型------鎳鉻-鎳鋁
T型------銅-康銅
N型------鎳鉻硅-鎳硅
其中:B、R、S屬于貴金屬熱電偶;K、E、N、J屬于廉金屬熱電偶; T型熱電偶用于測量低溫。
3.會異常分析
3.1熱電偶測溫系統常見故障原因及處理方法 故障現象
可能原因
處理方法
熱電偶比實際值小 熱電極短路
找出短路原因,如因潮濕所至,則需要進行干燥;如因絕緣端子損壞所至,則需更換絕緣子 熱電偶的接線柱處積灰,造成短路 清掃積灰
補償導線線間短路 找出短路點,加強絕緣或更換補償導線 熱電偶熱電極變質 在長度允許的情況下,剪去變質段重新焊接,或更換新熱電偶 補償導線與熱電偶極性接反
重新接正確
補償導線與熱電偶不配套 更換相配套的補償導線
熱電偶安裝位置不當或插入深度不符合要求 重新按規定安裝
熱電偶冷端溫度補償不符合要求
調整冷端補償器
熱電偶與顯示儀表不配套 更換熱電偶或顯示儀表使之相配
熱電勢比實際值大 熱電偶與顯示儀表不配套
更換熱電偶或顯示儀表使之相配
補償導線與熱電偶不配套 更換相配套的補償導線
有直流干擾信號進入 排除直流干擾 熱電勢輸出不穩定 熱電偶接線柱與熱電極接觸不良
將接線柱螺絲擰緊
熱電偶安裝不牢或外部震動
緊固熱電偶,消除震動或采取減震措施 熱電極將斷未斷 修復或更換熱電偶
外界干擾(交流漏電,電磁感應等) 查出干擾源,采取屏蔽措施
熱電偶熱電勢誤差大 熱電極變質 更換熱電極
熱電偶安裝位置不當 改變安裝位置
保護管表面積灰
清除積灰
4.能遵守工藝紀律
4.1熱電偶安裝及注意事項
a在管道安裝中，感溫元件的工作端應置于管道中流速更大處。熱電偶的保護套管的末端應越過流束中心線5~10mm。
b感溫元件與被測介質形成逆流，應迎著氣流流向插入，至少應與被測介質流束方向成90°。特別情況下也不能順流安裝測溫元件，否則會產生測溫誤差。
c 插深一般不應小于300mm，如果插入深度不夠，外露部分又空氣流通，這樣所測出的溫度比實際溫度低3~4度。
d在測溫元件安裝時，應防止電磁場干擾的引入而影響準確測量。
在接線時一定要確保良好接觸，擰緊空心螺栓，然后蓋緊接線盒蓋子，對不得不露在空中的熱電偶更好加防雨措施，以防雨淋損壞元件。為保護補償導線不受外來的機械損傷和由于外磁場而造成對儀表的影響，補償導線應加以屏蔽，并且不準有曲折迂回的情況。
e熱電偶和熱電阻應盡量垂直裝在水平或垂直管道上，安裝時應有保護套管，以方便檢修和更換。
f測量管道內溫度時，元件長度應在管道中心線上（即保護管插入深度應為管徑的一半）。 g熱電偶的冷端應處在同一環境溫度下，應使用同型號的補償導線，且正負要接對。 h高溫區使用耐高溫電纜或耐高溫補償線。 4.2必須遵守的工藝紀律
故障分析
1 拆卸、復裝、搬運儀表設備必須使用專用的
工器具，輕拿、輕放 不準碰撞和損傷
2復裝儀表設備緊固件必須完整、齊全，螺栓
均勻用力上緊
不準短缺螺栓和墊圈
3 重要的保護、聯鎖系統靜態試驗時，必須從
就地儀表處模擬動作；試驗結束后必須馬上恢復就地儀表至正常工作狀態
不準從DCS系統內強制節點狀態進行試驗
4 各測量元件引線必須固定牢固、壓接良好；
必須避開熱源及機械轉動部分
不準亂接亂引；不準使引線受到擠壓或過熱影響
5 信號接入DCS系統的現場設備,在拆線后必
須將線頭包好，防止線路短路或接地而損壞DCS系統卡件 線頭不準短路、接地
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