热电偶的焊接与校验
热电偶的焊接与校验
热电偶的焊接与校验
实验目的
在冶金高温实验中，温度的准确测量和控制是必不可少的。在许多情况下，温度测量决定了整个实验的误差大小。测量温度的方法分为接触式和非接触式两种。采用接触式测温时，传感元件要紧靠被测物体或直接置于温度场中，测量结果经过二次仪表显示出来。而非接触式测温是利用被测物体的热辐射或辐射光谱分布随温度的变化来测量物体温度的。
热电偶是实验室中被大量使用的接触式测温元件，热电偶在使用一段时间后，其热电性能会发生变化，造成热电偶指示失真，用这种热电偶测温所得的温度准确性和可靠性大大降低。因此，当热电偶使用一段时间后，必须用标准热电偶对其进行检定，以确保其使用精度。本实验的主要目的是了解常用热电偶的性能及焊接校验方法。
热电偶的工作原理
在—个由不同金属导体A和B组成的闭合回路中，当此回路的两个接点保持在不同温度t1和t2时，只要两个接点有温差，回路中就会产生电流，即回路中存在一个电动势，这就是“塞贝克温差电动势”，简称“热电势”，记为E
。
AB 导体A、B称为热电偶的热电极。接点1通常是用焊接法连在一起，工作时将它置于被测温的场所，故称为工作端(热端)。接点2要求恒定在一定温度下．称为自由端(冷端)。
对于一定的金属来说，电势是温度的函数。如果热电偶的一端保持恒温t
，
而变化，一定的热电势对应一定的温度，热电偶的热电势将随另一端的温度t
1
所以用测量热电势的办法，可达到测温的目的。实验证明，当热电极材料选定后，热电偶的热电势仅与两个接点的温度有关，即：
EAB(t1,t0)=eAB(t1)-eAB(t0)
式中eAB(t1)、eAB(t0)分别为两个接点的分热电势。
对于一副选定的热电偶．当自由端湿度恒定时，沁eAB(t0)为常数，此时热电势就成为工作端温度t1的单值函数，即
EAB(t1,t0)=f(t1)
故通过测量热电势即可达到测温目的。通常t0保持在0℃，EAB(t1,0)的数值可由数字电压表读出，所对应的温度值可从“热电偶毫伏对照表”查出；所测得的温度也可用温度显示仪直接显示。若冷端温度不为0℃，则需对其进行修正。
热电偶材料
用做热电偶的材料应具有如下条件：
（1）热电势与温度的关系是线性关系。
（2）产生的热电势数值要高且稳定，并有重现性。
（3）热电偶的材料要有抗腐蚀性和一定的机械强度，易于加工。
常用热电偶中又分标准化热电偶和非标准化热电偶。国内常用标准化热电偶的特性如表1所示。
表1 国内常用的标准化热电偶的特性
热电偶名称分度号
热电极材料使用温度/℃使用条件极性识别成分长期短期
铂铑10-铂LB-3 + 较硬Pt90,Rh10
1300 1600
氧化性、中
性气氛
- 柔软Pt100
铂铑30-铂铑6LL-2 + 较硬Pt70,Rh30
1600 1800
氧化性、中
性气氛
- 柔软Pt94,Rh6
镍铬-镍硅EU2 + 不亲磁
1000 1200
氧化性、中
性气氛
- 稍亲磁
镍铬-考铜EA2 + 色较暗
600 800 - 银白色
铜-考铜CK + 红色Cu100
200 300 - 银白色Cu55,Ni45
非标准化热电偶使用较为普遍的是铂铑与钨铼系。国内生产的钨铼热电偶为WRe(5/20)，钨铼热电偶从1370℃起灵敏度开始下降，在2000℃时，数据分散，因此，使用温度应在2000℃以下。WRe(5/20)热电偶的均匀性差，无互换性，每批生产出的分度是不同的。
热电偶的焊接
热电偶的测量端通常采用焊接的方法形成，要求焊点要牢固，表面光滑，无污染变质及裂纹，焊点尽量小，通常为热电极丝直径的两倍。实验室焊接方法主要采用饱和食盐水焊接。焊接装置如图1所示。烧杯中盛有饱和氯化钠水溶液，热电偶作为电源的一极，用一段导体放入盐水中作为另一极，通过变压器调整输出电压，电弧高温能将热电偶工作端熔化成小球，焊接时将热电极与盐水稍接触起弧后迅速离开。该方法设备简单，操作方便，焊接端应注意避免出现气孔和夹杂。
图1 热电偶焊接示意图
热电偶的清洗
热电偶在检定前需进行清洗，以清除热电极表面的杂质、有机物和部分氧化物。清洗分两步进行：
(1)酸洗。目的是除去热电偶表面的有机物。将热电偶丝绕成直径80mm左右的圆环，放入30％-50％化学纯的盐酸或硝酸溶液中浸渍1h或者煮沸15min，再放入纯水中煮沸数次消除酸性。
(2)硼砂洗。目的是去除热电偶表面的氧化物。将酸洗后的热电偶丝放在固定架上，将热电偶丝加热到温度1100-1150℃，然后用硼砂块分别由热电偶丝上端慢慢接触丝，使硼砂熔化，沿丝流向下端，反复几次直到偶丝发亮，再缓冷至室温。清洗后的热电偶丝再放入纯水中煮沸数次，使热电偶丝表面上的硼砂彻底洗净。
热电偶的退火
退火可消除热电偶丝中的应力，提高热电偶的稳定性，退火按以下两步进行：
(1)通电退火。将清洗后的热电偶丝悬挂在固定架上，通以10．5A的电流，在ll00℃下退火1h。退火时要防止冷空气对流，电压升降必须缓慢，否则失去退火意义。
(2)炉内退火。通电退火后，仍有少量残余应力，将热电偶放在退火炉内进一步退火。退火炉均温区不小于500mm，温度住(1100± 20℃)内，在炉内保温2h，以确保退火效果。
热电偶校验
热电偶的检定校验就是将热电偶置于给定温度下测定其热电势，并确定热电势与温度的关系。实验室常用的检测方法是双极法(比较法)，检测步骤如下：
1)将标准热电偶与被检定热电偶捆扎成束，置于炉子的恒温带中。
2)将标准热电偶与被检定热电偶的冷端插在0℃的同一恒温器中，若冷端不能满足0℃，则需进行修正。
3）检定温度再标推热电偶证书上所给定的三个固定点温度附近进行，测量时炉内温度与固定点偏差不得超过±10℃。
4）标准——被测1——被测2——被侧3——被测3——被测2——被测1——标准。对每个温度测量次数不得少于4次，每测一次循环炉温波动个得大于±10℃。
5)测量完第一组数据后，再进行升温，待温度恒定后进行第二组数据测量。
6)将数据记录，并按前面讲的公式进行处理，即E
t被=E
t标
+ΔE
t
。
实验报告要求
(1)阐明热电偶标定的目的及意义。
(2)简述热电偶检定的原理、方法及步骤。
思考题
1) 实验室常用的热电偶有哪几种，各有什么优缺点，使用温度及气氛如何?
2)热电偶型号如何区分, 热电偶型号的确选择方法?