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制作热电偶传感器材料的选择
 
更新时间:2012.10.25 浏览次数:
 

 

制作热电偶传感器材料的选择

热电偶是热电式传感器,元件的性质和参数随温度变化,对温度和温度有关量进行测量的装置.其中将温度转化为电阻和电势是目前最常用到的.而热电偶则是将温度转化为电动势的元件.本论文将着重介热电偶的材料组成.(1)

1.    热电效应

2.    热电偶的测温的基本原理

3.    热电偶制作的材料和比例

4.    不同材料的热电偶的性质

5.    热电偶材料的选择

   了解了不同热电偶不同型号和不同材料不同比例性质会有很大的不同,所以选择哪种材料要视具体的用途而定.

 

引言

  常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶,它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶,一般也没有统一的分度表,主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶我国从1988年1月1日起,热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产,并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。(2)

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   两种不同成份的导体或者半导体A B(称为热电偶丝材或热电极)两端接合成回路,当接合点的温度不同时,在回路中就会产生电动势,这种现象称为热电效应,而这种电动势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的,其中,直接用作测量介质温度的一端叫做工作端(也称为测量端),另一端叫做冷端(也称为补偿端);冷端与显示仪表或配套仪表连接,显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。(3)

  热电偶实际上是一种能量转换器,它将热能转换为电能,用所产生的热电势测量温度,对于热电偶的热电势,应注意如下几个问题:

  1:热电偶的热电势是热电偶工作端的两端温[2]度函数的差,而不是热电偶冷端与工作端,两端温度差的函数;

  2 :热电偶所产生的热电势的大小,当热电偶的材料是均匀时,与热电偶的长度和直径无关,只与热电偶材料的成份和两端的温差有关;(4)

3:当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后,热电偶热电势的大小,只与热电偶的温度差有关;若热电偶冷端的温度保持一定,这进热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来,构成一个闭合回路,如图所示。当导体A和B的两个执着点之间存在温差时,两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。

热电偶的材料

热电偶的电极主要是由贵金属按不同比例制作而成的.

1.贵金属

   贵金属主要指金银和铂族金属(钌、铑、钯、锇、铱、铂)等8种金属元素。这些金属大多数拥有美丽的色泽,对化学药品的抵抗力相当大,在一般条件下不易引起化学反应。它们被用来制作珠宝和纪念品,而且还有广泛的工业用途。铂和它的同系金属——钌、铑、钯、锇、铱和金一样,几乎完全成单质状态存在于自然界中。它们在地壳中的含量也和金相近,且它们的化学惰性和金比较也不相上下,但是人们发现并使用它们却远在金后。它们在自然界中的极度分散和它们的高熔点,可能是造成这种状况的原因。至今发现的最大的天然铂块是9.6千克。铂的熔点1772℃,钌的熔点2310℃,铑的熔点1966℃,钯的熔点1552℃,锇的熔点2054℃,铱的熔点2410℃,而金的熔点是1063℃。(5)

2. 铑(音老),RHODIUM,源自希腊文rhodon,意为“玫瑰”,因为铑盐的溶液呈现玫瑰的淡红色彩,1803年发现。除了制造合金外,铑可用作其他金属的光亮而坚硬的镀膜,例如,镀在银器或照相机零件上。将铑蒸发至玻璃表面上,形成一层薄腊,便造成一种特别优良的反射镜面。元素名称:铑

体积弹性模量:GPa 380原子化焓:kJ /mol @25℃ 556.5热容:J /(mol· K) 24.98 导电性:10^6/(cm ·Ω ) 0.211 导热系数:W/(m·K)150熔化热:(千焦/摩尔) 21.50汽化热:(千焦/摩尔) 493.0原子体积:(立方厘米/摩尔) 8.3元素在宇宙中的含量:(ppm) 0.0006元素符号:Rh元素英文名称:元素类型:金属元素 元素在太阳中的含量:(ppm) 0.002 地壳中含量:(ppm) 0.0002 相对原子质量:102.9原子序数:45质子数:45中子数: 同位素:摩尔质量:103原子半径:所属周期:5所属族数:VIII电子层排布: 2-8-18-16-1氧化态:Main Rh+3 other Rh-1, Rh0, Rh+1, Rh+2, Rh+4, Rh+5, Rh+6 晶体结构:晶胞为面心立方晶胞,每个晶胞含有4个金属原子。(7)

3.  

铂 符号:Pt 元素原子量:195.1 元素类型:贵金属 原子体积:(立方厘米/摩尔)制作热电偶传感器材料的选择,热电偶选择,热电偶材料

9.10 元素在太阳中的含量:(ppm) 0.009 地壳中含量:(ppm) 0.001 元素在海水中的含量:(ppm) 太平洋表面 0.00000011莫氏硬度:4--4.5声音在其中的传播速率:(m/S) 2800氧化态:Main Pt+4 Other Pt0, Pt+2, Pt+5, Pt+6 电离能 (kJ /mol) M - M+ 870 M+ - M2+ 1791 M2+ - M3+ 2800 M3+ - M4+ 3900 M4+ - M5+ 5300 M5+ - M6+ 7200 M6+ - M7+ 8900 M7+ - M8+ 10500 M8+ - M9+ 12300 M9+ - M10+ 14100 晶体结构:等轴晶系,晶胞为面心立方晶胞,每个晶胞含有4个金属原子。晶胞参数:a = 392.42 pm b = 392.42 pm c = 392.42 pm α = 90° β = 90° γ = 90°(8)

4.

镍 元素原子量:58.69 元素类型:金属 原子体积:(立方厘米/摩尔) 6.59 元素在太阳中的含量:(ppm) 80 元素在海水中的含量:(ppm)  太平洋表面 0.0001  地壳中含量:(ppm)

80  原子序数:28 元素符号:Ni  元素中文名称:镍 元素英文名称:Nickel 相对原子质量:58.69 核内质子数:28 核外电子数:28  核电核数:28  质子质量:4.6844E-26 质子相对质量:28.196  所属周期:4  所属族数:VIII  摩尔质量:59  氢化物:NiH3 氧化物:NiO 最高价氧化物化学式:Ni2O3 氧化态: Main Ni+2 Other Ni-1, Ni0, Ni+1, Ni+3, Ni+4, Ni+6 密度:8.902   熔点:1453.0  沸点:2732.0   声音在其中的传播速率:(m/S)4900 电离能 (kJ/ mol) M - M+ 736.7 M+ - M2+ 1735.0 M2+ - M3+ 3393 M3+ - M4+ 5300 M4+ - M5+ 7280 M5+ - M6+ 10400 M6+ - M7+ 12800 M7+ - M8+ 15600 M8+ - M9+ 18600 M9+ - M10+ 21660 外围电子排布:3d8 4s2 核外电子排布:2,8,16,2  晶体结构:晶胞为面心立方晶胞,每个晶胞含有4个金属原子。 晶胞参数:aa = 352.4 pm b = 352.4 pm c = 352.4 pm α = 90° β = 90° γ = 90° 莫氏硬度:4 颜色和状态:银白色金属  原子半径:1.62 常见化合价:+2,+3 发现人:克朗斯塔特 发现时间和地点:1751 瑞典 元素来源:镍黄铁矿[(Ni,Fe)9S8](9)

5.

铬  银白色金属,质硬而脆。密度7.20克/立方厘米。熔点1857±20℃,沸点2672℃。化合价+2、+3和+6。电离能为6.766电子伏特。金属铬在酸中一般以表面钝化为其特征。一旦去钝化后,即易溶解于几乎所有的无机酸中,但不溶于硝酸。铬在硫酸中是可溶的,而在硝酸中则不易溶。在高温下被水蒸气所氧化,在1000℃下被一氧化碳所氧化。在高温下,铬与氮起反应并为熔融的碱金属所侵蚀。可溶于强碱溶液。铬具有很高的耐腐蚀性,在空气中,即便是在赤热的状态下,氧化也很慢。不溶于水(10)

6.    康铜

  康铜;konstantan alloy

  含40%镍,1.5%锰的铜合金。具有低的电阻率温度系数和中等电阻率(电阻率为48μΩ·cm)。可在较宽的温度范围内使用。有良好的加工性能和焊接性能。适宜在交流电路中使用,作精密电阻、滑动电阻、电阻应变计等,也可用于热电偶和热电偶补偿导线材料。(11)

7.    硅

 

硅guī(台湾、香港称矽xī)是一种化学元素,它的化学符号是Si,旧称矽。原子序数14,相对原子质量28.09,有无定形硅和晶体硅两种同素异形体,属于元素周期表上IVA族的类金属元素。 晶体结构:晶胞为面心立方晶胞。原子体积:(立方厘米/摩尔)  12.1 元素在太阳中的含量:(ppm) 900 元素在海水中的含量:(ppm)太平洋表面 0.03.(12)

热电偶的型号(不同型号材料的组成和比例)

S型

(S型热电偶)铂铑10-铂热电偶

       铂铑10-铂热电偶S型热电偶)为贵金属热电偶。偶丝直径规定为0.5mm,允许偏差-0.015mm,其正极(SP)的名义化学成分为铂铑合金,其中含铑为10%,含铂为90%,负极(SN)为纯铂,故俗称单铂铑热电偶。该热电偶长期最高使用温度为1300℃,短期最高使用温度为1600℃。

       S型热电偶在热电偶系列中具有准确度最高,稳定性最好,测温温区宽,使用寿命长等优点。它的物理,化学性能良好,热电势稳定性及在高温下抗氧化性能好,适用于氧化性和惰性气氛中。由于S型热电偶具有优良的综合性能,符合国际使用温标的S型热电偶,长期以来曾作为国际温标的内插仪器,“ITS-90”虽规定今后不再作为国际温标的内查仪器,但国际温度咨询委员会(CCT)认为S型热电偶仍可用于近似实现国际温标。

       S型热电偶不足之处是热电势,热电势率较小,灵敏读低,高温下机械强度下降,对污染非常敏感,贵金属材料昂贵,因而一次性投资较大。制作热电偶传感器材料的选择,热电偶选择,热电偶材料 

R型

(R型热电偶)铂铑13-铂热电偶

       铂铑13-铂热电偶(R型热电偶)为贵金属热电偶。偶丝直径规定为0.5mm,允许偏差-0.015mm,其正极(RP)的名义化学成分为铂铑合金,其中含铑为13%,含铂为87%,负极(RN)为纯铂,长期最高使用温度为1300℃,短期最高使用温度为1600℃。

       R型热电偶在热电偶系列中具有准确度最高,稳定性最好,测温温区宽,使用寿命长等优点。其物理,化学性能良好,热电势稳定性及在高温下抗氧化性能好,适用于氧化性和惰性气氛中。由于R型热电偶的综合性能与S型热电偶相当,在我国一直难于推广,除在进口设备上的测温有所应用外,国内测温很少采用。1967年至1971年间,英国NPL,美国NBS和加拿大NRC三大研究机构进行了一项合作研究,其结果表明,R型热电偶的稳定性和复现性比S型热电偶均好,我国目前尚未开展这方面的研究。

      R型热电偶不足之处是热电势,热电势率较小,灵敏读低,高温下机械强度下降,对污染非常敏感,贵金属材料昂贵,因而一次性投资较大。

B型

(B型热电偶)铂铑30-铂铑6热电偶

       铂铑30-铂铑6热电偶(B型热电偶)为贵金属热电偶。偶丝直径规定为0.5mm,允许偏差-0.015mm,其正极(BP)的名义化学成分为铂铑合金,其中含铑为30%,含铂为70%,负极(BN)为铂铑合金,含铑为量6%,故俗称双铂铑热电偶。该热电偶长期最高使用温度为1600℃,短期最高使用温度为1800℃。

       B型热电偶在热电偶系列中具有准确度最高,稳定性最好,测温温区宽,使用寿命长,测温上限高等优点。适用于氧化性和惰性气氛中,也可短期用于真空中,但不适用于还原性气氛或含有金属或非金属蒸气气氛中。B型热电偶一个明显的优点是不需用补偿导线进行补偿,因为在0~50℃范围内热电势小于3μV。

       B型热电偶不足之处是热电势,热电势率较小,灵敏读低,高温下机械强度下降,对污染非常敏感,贵金属材料昂贵,因而一次性投资较大。

K型

(K型热电偶)镍铬-镍硅热电偶

       镍铬-镍硅热电偶(K型热电偶)是目前用量最大的廉金属热电偶,其用量为其他热电偶的总和。正极(KP)的名义化学成分为:Ni:Cr=90:10,负极(KN)的名义化学成分为:Ni:Si=97:3,其使用温度为-200~1300℃。

       K型热电偶具有线性度好,热电动势较大,灵敏度高,稳定性和均匀性较好,抗氧化性能强,价格便宜等优点,能用于氧化性惰性气氛中。广泛为用户所采用。

       K型热电偶不能直接在高温下用于硫,还原性或还原,氧化交替的气氛中和真空中,也不推荐用于弱氧化气氛中。

N型

(N型热电偶)镍铬硅-镍硅热电偶

        镍铬硅-镍硅热电偶(N型热电偶)为廉金属热电偶,是一种最新国际标准化的热电偶,是在70年代初由澳大利亚国防部实验室研制成功的它克服了K型热电偶的两个重要缺点:K型热电偶在300~500℃间由于镍铬合金的晶格短程有序而引起的热电动势不稳定;在800℃左右由于镍铬合金发生择优氧化引起的热电动势不稳定。正极(NP)的名义化学成分为:Ni:Cr:Si=84.4:14.2:1.4,负极(NN)的名义化学成分为:Ni:Si:Mg=95.5:4.4:0.1,其使用温度为-200~1300℃。

       N型热电偶具有线性度好,热电动势较大,灵敏度较高,稳定性和均匀性较好,抗氧化性能强,价格便宜,不受短程有序化影响等优点,其综合性能优于K型热电偶,是一种很有发展前途的热电偶.

       N型热电偶不能直接在高温下用于硫,还原性或还原,氧化交替的气氛中和真空中,也不推荐用于弱氧化气氛中。

E型

(E型热电偶)镍铬-铜镍热电偶

       镍铬-铜镍热电偶(E型热电偶)又称镍铬-康铜热电偶,也是一种廉金属的热电偶,正极(EP)为:镍铬10合金,化学成分与KP相同,负极(EN)为铜镍合金,名义化学成分为:55%的铜,45%的镍以及少量的锰,钴,铁等元素。该热电偶的使用温度为-200~900℃。

       E型热电偶热电动势之大,灵敏度之高属所有热电偶之最,宜制成热电堆,测量微小的温度变化。对于高湿度气氛的腐蚀不甚灵敏,宜用于湿度较高的环境。E热电偶还具有稳定性好,抗氧化性能优于铜-康铜,铁-康铜热电偶,价格便宜等优点,能用于氧化性和惰性气氛中,广泛为用户采用。

       E型热电偶不能直接在高温下用于硫,还原性气氛中,热电势均匀性较差。

J型

(J型热电偶)铁-铜镍热电偶

        铁-铜镍热电偶(J型热电偶)又称铁-康铜热电偶,也是一种价格低廉的廉金属的热电偶。它的正极(JP)的名义化学成分为纯铁,负极(JN)为铜镍合金,常被含糊地称之为康铜,其名义化学成分为:55%的铜和45%的镍以及少量却十分重要的锰,钴,铁等元素,尽管它叫康铜,但不同于镍铬-康铜和铜-康铜的康铜,故不能用EN和TN来替换。铁-康铜热电偶的覆盖测量温区为-200~1200℃,但通常使用的温度范围为0~750℃

J型热电偶具有线性度好,热电动势较大,灵敏度较高,稳定性和均匀性较好,价格便宜等优点,广为用户所采用。

       J型热电偶可用于真空,氧化,还原和惰性气氛中,但正极铁在高温下氧化较快,故使用温度受到限制,也不能直接无保护地在高温下用于硫化气氛中。

T型

(T型热电偶)铜-铜镍热电偶

       铜-铜镍热电偶(T型热电偶)又称铜-康铜热电偶,也是一种最佳的测量低温的廉金属的热电偶。它的正极(TP)是纯铜,负极(TN)为铜镍合金,常之为康铜,它与镍铬-康铜的康铜EN通用,与铁-康铜的康铜JN不能通用,尽管它们都叫康铜,铜-铜镍热电偶的盖测量温区为-200~350℃。

       T型热电偶具有线性度好,热电动势较大,灵敏度较高,稳定性和均匀性较好,价格便宜等优点,特别在-200~0℃温区内使用,稳定性更好,年稳定性可小于±3μV,经低温检定可作为二等标准进行低温量值传递。

      T型热电偶的正极铜在高温下抗氧化性能差,故使用温度上限受到限制(13)

结论和总结

    根据所要测量温度的范围不同,例如高温 1000 ℃左右就可以选择K和N等型号,要是测量低温可以用T型.要是去南极测温就可以用它.在不同的环境下,测试的物体不同所用的传感器的型号也有相应的变化.同种型号的传感器根据金属参杂的不同比例,性质也随之变化,例如N型中Ni:Cr:Si=84.4:14.2:1.4,负极(NN)的名义化学成分为:Ni:Si:Mg=95.5:4.4:0.1,其使用温度为-200~1300℃。随着金属比例和性质的改变测温范围也发生变化.制作热电偶传感器材料的选择,热电偶选择,热电偶材料

 

 
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