CN101821596A - 热电偶延伸导线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热电偶系统。所述热电偶系统包括具有正极引线和负极引线的热电偶。正极导线的第一端部与所述正极引线在第一接点处相连，正极导线的第二端部与第二接点相连。负极导线的第一端部与所述负极引线在第三接点处相连，负极导线的第二端部与第四接点相连。所述第二接点和所述第四接点构成了基准接点。对正极导线以及负极导线中的至少一者的导热率和规格中的至少一项进行选择，以控制分别由所述第一接点流向所述基准接点的热流以及由所述第三接点流向所述基准接点的热流，使得这两个热流之间的差值低于预定量。

Description

热电偶延伸导线

相关申请的交叉引用

本申请要求于2007年10月24日提交的美国临时专利申请No.60/982,292的优先权，其内容以引用方式并入本文。

背景技术

用于高温测量的热电偶通常由诸如铂之类的贵金属和铂合金制成。最为常见的热电偶为：(1)R型热电偶，其具有由铂和13％的铑构成的正极引线材料，以及由铂构成的负极引线；(2)S型热电偶，其具有由铂和10％的铑构成的正极引线材料，以及由铂构成的负极引线。

贵金属热电偶的缺点在于其成本高，其成本与铂以及铂/铑热电偶线的长度成正比。

在工业环境中，基准接点(reference junction)所处的仪表位置通常距离热电偶较远。尤其是，当对熔融金属的温度进行测量时，用于测量热电偶的电动势(emf)输出的仪表通常与热电偶的测量接点相距很远，例如距离达100英尺。将贵金属热电偶与测量接点之间的距离延长至100英尺或更远会使费用极为昂贵。另外，(例如)当热电偶仅用于某一种或某些测量时，如通常那样将其用于熔融金属的温度测量时，使用延长至100英尺或更远的贵金属热电偶其费用甚至会变得更为昂贵。

对于使用贵金属热电偶来测量熔融金属温度的测温系统，其通常通过如下方式将贵金属热电偶线的长度最大程度地缩短，所述方式为：在通常称作传感器或探针的连接装置中，利用由价格较低的金属/金属合金制成的连接导线，将热电偶与远处的测量仪器连接在一起。通常将这种连接导线称作延伸导线(extension wire)。

通过如下方式，可将延伸导线用于热电偶和远距离测量仪器间的连接，同时仍维持大多数应用可接受的测量精度，所述方式为：(1)对延伸导线的热电特性进行选择，使得在延伸导线的整个工作温度范围内，延伸导线的热电特性和与延伸导线相连接的贵金属热电偶的热电特性基本相同；并且(2)将正极热电偶线与正极延伸导线的接点以及负极热电偶线与负极延伸导线的接点维持为相同的温度。在这些条件下，在基准接点测得的电压理想上仅为测量接点与基准接点之间的温度差值的函数，而与在热电偶线与延伸导线连接处所形成的接点的温度无关。常规上，用以连接贵金属热电偶的正极热电偶引线的延伸导线由纯铜制成，而与负极引线连接的延伸导线由铜-镍合金制成。在美国专利No.3,926,681和US 4,002,500中，阐述了选择特定种类的材料，以使得某一种类型的延伸导线的热电特性与贵金属热电偶的热电特性相匹配，从而将由热电偶与延伸导线之间的热电特性失配所带来的误差降至最低。在“Manual on the Use of Thermocouples inTemperature Measurement”(热电偶测温使用手册)，ASTM Pub.470B，1981，27-35页中，对由热电偶与延伸导线的接点处的温度差所导致的测量误差进行了阐述，其中该接点处的温差是由于延伸导线与热电偶元件之间的热电特性失配所造成的。

如上所述，热电偶和延伸导线的正、负极接点(下文中称作中间接点(intermediate junctions))之间的温度差会导致热电偶emf的测量误差。现有技术中未曾讨论的是：这种中间接点之间的温度差可能是由于从正极中间接点流向相应的温度较低的基准接点的热流与从负极中间接点流向相应的温度较低的基准接点的热流这二者不同而造成的。在这两个接点接收相等的热量输入的条件下，这种热流差异会导致其中一个接点明显变冷。该温度差随着热电偶(更具体为中间接点)在暴露于高温环境而导致热量不断增加的状态下所经历的时间成比例地增加。

提高贵金属温度测量方法的精度、尤其是提高熔融金属的温度测量精度在工业上是有经济效益的。因此，降低从热电偶与延伸导线的接点流过热电偶延伸导线的差分热流是有利的。

发明内容

上述问题通过本发明得以解决。本发明的特征在独立权利要求中加以描述。在从属权利要求中对优选实施方案进行了说明。本发明披露了一种热电偶系统。该热电偶系统包括具有正极引线(positive lead)和负极引线(negative lead)的热电偶。正极导线(positive wire)的第一端部与正极引线在第一接点处相连，正极导线的第二端部与第二接点相连。负极导线(negative wire)的第一端部与负极引线在第三接点处相连，负极导线的第二端部与第四接点相连。第二接点和第四接点构成了基准接点。对正极导线和负极导线中的至少一者的导热率和规格(gauge)中的至少一项进行选择，以控制分别从第一接点流向基准接点的热流以及从第三接点流向基准接点的热流，使得这两个热流之间的差值低于预定量。

附图简要说明

结合附图，可更好地理解本发明的上述内容以及下面的详细说明。为了示意本发明，在附图中示出了优选的实施方案。然而应理解到，本发明并不局限于所示出的精确的布置方式和仪器。

在附图中：

图1为热电偶A、B和C的示意图；

图2为热电偶电路的示意图；

图3为热电偶电路的emf与温度之间的关系图；

图4为已知温度传感器的示意图；

图5a为本发明第一实施方案的示意图；

图5b为本发明第二实施方案的示意图；

图5c为本发明第三实施方案的示意图。

发明详述

参见图1，该图示出了两个热电特性相同的热电偶。第一热电偶A(其基准接点温度T_基准＝32°F，测量接点处于某一中间温度I_中间)与第二热电偶B(其基准接点温度为该中间温度I_中间，测量接点的温度为待测温度T_测量)的组合相当于这样一个单独的热电偶，该单独的热电偶的基准接点温度为32°F，测量接点温度为待测温度T_测量，即，emf_A+emf_B＝emf_C，其中emf为热电偶所产生的电动势。简单来说，如果已知某一基准温度下的热电偶的emf与温度间的关系，则可预测到在任意其他基准温度下产生的emf。

实际结果为：可将其热电特性与热电偶对(thermocouple pair)B相同、但材料与之不同的延伸导线对(extension wire pair)A介入热电偶电路中(例如介于T_基准和I_中间之间)，而不会影响通过完整的热电偶C所测得的净emf值。

在许多使用延伸导线与外壳中的热电偶连接的工业应用中，在测量接点的温度可能会超过2500°F的情况下，位于外壳内的中间接点的温度不会超过400°F。类似地，在实践中，位于测量仪表处的基准接点的温度不会低于32°F。这样，由于延伸导线的工作温度范围有限，因此由价格低于贵金属热电偶的材料制成的延伸导线通常被用在工业应用中，以将热电偶延长至基准接点。理想的情况是，为了避免不准确，延伸导线和贵金属热电偶的热电特性应匹配，从而使得在32°F至400°F范围内的任何温度下，两根延伸导线之间形成的差分电动势(emf)与两根贵金属热电偶线之间形成的差分emf在极性和幅值方面均几乎相同。

图2示出了延伸导线(P_X、N_X)在S型和R型热电偶电路中的使用，其中贵金属热电偶P、N在点T_I处与中间接点连接，并且延伸导线P_X、N_X被插入中间接点和位于点T_R处的基准接点之间。这种热电偶组件的输出值可通过将所有接点在各端温度之间的电压加在一起而计算得到，例如：

其中：E_PX等于点T_I与点T_R间的emf；

E_P等于点T_M与点T_I间的emf；

E_N等于点T_I与点T_M间的emf；并且

E_NX等于点T_R与点T_I间的emf。

已经发现，除了由不具有匹配的热电特性(emf)的延伸导线所引起的误差之外，还存在其他会导致热电偶温度测量误差的原因。减少这些误差所带来的好处可远远超过使延伸导线与热电偶的emf特性相匹配所带来的好处。当各热电偶线和其相应的延伸导线相连接的接点之间存在温度差时，即使延伸导线对与热电偶的emf在各个温度下均精确匹配，也会产生某一种上述的误差，这也是本发明的目标所在。

参见图2，令：T_(PX至P)≠T_(NX至N)

图3为正极(P)热电偶线P和负极(N)热电偶线N、以及相应的延伸导线PX和NX的emf与温度间的关系图(参见“Manual onthe Use of Thermocouples in Temperature Measurement”，ASTM Pub.470B，1981，34页)。如下关系式在延伸导线工作范围内的任何温度T下均适用：

热电偶输出值＝延伸导线对输出值

E_P-E_N＝E_PX-E_NX

整理得到：

E_P-E_PX＝E_N-E_NX

如果在P与PX接合处T_P以及N与NX接合处T_N这两个接点之间存在温度差，即T_P≠T_N，则这两个接点上会存在不希望出现的具有一定幅值的emf：

ΔE＝(E_P-E_PX)_TP-(E_N-E_NX)_TN

ΔE＝(E_P-E_PX)_TP-(E_P-E_PX)_TN

当T_P≠T_N时，不管误差是导致正偏差还是导致负偏差，ΔE的符号均取决于T_P≠T_N的幅值以及PX和NX与P和N间的emf关系。

有多种原因造成在T_P≠T_N的情况下产生误差，这是市售的热电偶组件本身所固有的。已经观察到，在延伸导线的长度与热电偶贵金属线的长度相比显得过长的热电偶组件中，在T_P≠T_N的情况下，误差的可能性增大。这种情况在铂基贵金属热电偶系统中极为常见，其中出于对铂基金属的成本与延伸导线的成本这二者的对比考虑，因此贵金属热电偶的长度被尽可能地缩短。

已经观察到，在延伸导线与贵金属热电偶线的直径不一致、T_P≠T_N的热电偶组件中，误差进一步增加。这在(例如)专利文献No.GB 719026、US 2,993,944、US 2,999,121和US 3,298,874所描述的一次性热电偶装置中是极为明显的。

已经观察到，在由延伸导线材料构成的导体间的物理线直径不一致、T_P≠T_N的热电偶组件中，误差进一步增加，其中由延伸导线材料构成的导体介于温度电路之中，其提供用于使热电偶电路的若干部分即时连接和断开的手段。美国专利文献US 4,229,230公开了这种连接元件不对称的实例。

在将延伸导线用于热电偶电路中时，除了由上述emf影响而导致温度测量误差外，另一种导致误差的原因为：PX延伸导线和NX延伸导线中由高温的中间接点流至低温基准接点的热流的差异。当正极接点与负极接点间的导热率并非无穷大时，这种热流差异会造成正极中间接点与负极中间接点间的温度差异。通过简单回顾稳态一维热传导定律，可有助于解释本发明所克服的困难。

当诸如延伸导线的物体内存在温度梯度时，热能会由高温区域流向低温区域。这种现象被称作热传导，傅里叶定律对该现象进行了描述。对于一维热流而言：

$q=-k\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dx}}$

其中热通量q(瓦/米²)取决于给定的温度分布T，导热系数k(瓦/米·开尔文)为在垂直于热传导方向的单位面积内的传热速率。按照惯例，负号表示热量沿着温度梯度方向流动。

如果热流(以瓦为单位)通过限定的横截面积A，则该方程变为：

将热流公式沿材料的厚度Δx积分，得到：

$q=\frac{\mathrm{kA}}{\mathrm{\Δx}}(T_1-T_2)$

其中T₁和T₂为该物体的两个边界处的温度。

在理解了热传导之后，便能够认识到延伸导线的导热率的差异如何能够导致实际温度误差。

例如，多数贵金属热电偶系统利用铜和铜-镍延伸导线对，从而在中间接点处将具有测量接点的贵金属热电偶与具有基准接点的测量仪表连接在一起。中间接点和基准接点的结构均被设计为使正极接点和负极接点维持在基本相等的温度下。然而，由于正极中间接点和负极中间接点必须为电绝缘的，因此这两个接点之间的导热率是有限的，这样正极接点和负极接点便不会维持在绝对相等的温度下。

国家及国际标准化组织(National and International standardsorganizations)规定用于延长贵金属热电偶的正极热电偶的延伸导线的铜线在68°F下的导热系数k为约390W/(m.K)；而用于延长负极引线的铜-镍延伸导线在68°F下的导热系数k为约85W/(m.K)。如果向这两个延伸导线脚(extension wire leg)中的每一个的热端所输入的热量保持为相同的值，并且每条导线的导线横截面积相等，则随着时间的延长，由于导热率较高的导线向导线冷端(基准接点)方向的热传导损失更大，因此导热率较高的导线的热端温度会低于导热率较低的导线的热端温度。相应地，由于导热率较高的延伸导线向导线冷端方向的热流更大，因此导热率较高的延伸导线的冷端温度会稍高于导热率较低的延伸导线的冷端温度。通常设置在这两条延伸导线周围的隔热电绝缘材料加剧了这一效果，其中该隔热电绝缘材料防止各条导线与周围环境进行热交换，并提高电绝缘程度。如图3中所解释的那样，随着在导线热端的持续的热输入，沿着延伸导线、在这两条分开的导线的热端和冷端之间的温度梯度变得更为不同，从而导致温度测量的误差变大。

延伸导线内的热流为导线的导热系数及导线规格的函数。因此，可通过针对导线的规格、导热系数、或这二者选择特定的值，来控制各延伸导线中的热流。在实践中已经发现，在贵金属热电偶系统中，对于常规与贵金属热电偶一起使用的铜延伸导线和铜-镍延伸导线，仅仅依靠充分地降低铜延伸导线的规格和增大铜-镍延伸导线的直径以使延伸导线通路内的热流相等，这是不切实际的，这是因为较细的铜线易于断裂，并且/或者具有较大规格的铜-镍合金线成本过高。因此，希望选择用于延伸导线的替代材料，使得在可接受的导线规格和热电特性范围内，该替代材料的导热系数能够提供热均衡。

现在参见图4，其示例性地示出一个已知的热电偶系统10，该热电偶系统10包括：传感器12，其包括贵金属热电偶14(贵金属热电偶14具有测量接点16和正、负极热电偶引线14a、14b)；测量仪表28，包括基准接点26a、26b；以及延伸导线24a、24b，其将传感器12与测量仪表28连接在一起。传感器12还包括冷端18a、18b以及连接器接点(connector junction)22a、22b。连接导线20a、20b将正极热电偶引线14a和负极热电偶引线14b分别与连接器接点22a、22b连接在一起。延伸导线24a、24b分别将连接导线20a、20b与基准接点26a、26b连接在一起。

在图4所示的已知的热电偶系统10中，与热电偶14的正极引线14a相连的连接导线20a和延伸导线24a通常由68°F下的标称导热系数为约390W/(m·K)的铜(Cu)制成。与热电偶14的负极引线14b相连的连接导线20b和延伸导线24b由68下下的标称导热系数为85W/(m·K)的铜-镍合金(CuNi)制成。由于20b和24b的材料理想地具有相同的热电特性，并且20a和24a的材料具有相同的热电特性，因此该热电偶系统与在接点18b和26b之间具有单一一根导线(在接点18a和26a之间同样如此)的热电偶系统的测量结果相同。然而，如上所述，在该已知系统中，由于各延伸导线/连接导线固有的导热率和热辐射的差异，因此通过正极连接导线20a/正极延伸导线24a流向基准接点26a的热流与通过负极连接导线20b/负极延伸导线24b流向基准接点26b的热流是不同的。由于在接点18a和18b处存在差分电动势(emf)，因此热流的差异可导致测量误差。

现在参见图5a，其示出了本发明的第一优选实施方案，该实施方案所具有的正极延伸导线部分24a′与24a不同，除此之外，该系统在其他方面均与上述图4中的已知系统是相同的。在第一优选实施方案中，用于延伸导线24a′的优选材料为铜和锰的合金(CuMn)，该合金在68°F下的标称导热系数为155W/(m·K)，在32°F至400°F的温度范围内，该合金的标称导热系数可在145W/(m·K)至190W/(m·K)之间改变。优选的是，延伸导线24a′中的锰的百分比为1％±0.35％。在第一优选实施方案中，有目的地对延伸导线24a′、24b的导热率和/或规格进行选择，从而对由冷端18a、18b分别向测量接点26a、26b方向流动的热流进行控制，使得由冷端18a向基准接点26a方向流动的热流与由冷端18b向基准接点26b方向流动的热流的差值低于预定值，优选各热流的值基本相等。

现在参见图5b，其示出了本发明的第二优选实施方案，该实施方案所具有的正极连接导线20a′与20a不同，除此之外，该系统在其他方面均与上述图4中的已知系统是相同的。在第二优选实施方案中，利用热传导较低的连接导线20a′作为隔热体(thermal break)。在第二优选实施方案中，连接导线20a′的优选材料为标称导热系数为155W/(m·K)的铜和锰的合金(CuMn)，在32°F至400°F的温度范围内，该合金的标称导热系数可在140W/(m·K)至190W/(m·K)之间改变。优选的是，连接导线20a′中的锰的百分比为1％±0.35％。在第二优选实施方案中，有目的地对连接导线20a′、20b的导热率和/或规格进行选择，从而对由冷端18a、18b分别经连接导线20a′、20b而向延伸导线24a、24b方向流动的热流进行控制，使得当Cu/CuNi延伸导线24a、24b与基准接点26a、26b连接时，所述热流优选基本相等，但这不是必须的。需要注意的是，尽管所示出的连接导线20a′、20b位于传感器12内，但是连接导线20a′、20b也可位于传感器12外部。

现在参见图5c，其示出了本发明的第三优选实施方案，该实施方案具有正极连接导线20a′和正极延伸导线24a′，除此之外，该系统在其他方面均与上述图4中的已知系统是相同的。在第三优选实施方案中，连接导线20a′和延伸导线24a′的优选材料为标称导热系数为155W/(m·K)的铜和锰的合金，在32°F至400°F的温度范围内，该合金的标称导热系数可在145W/(m·K)至190W/(m·K)之间改变。优选的是，连接导线20a′和延伸导线24a′中的锰的百分比为1％±0.35％。在第三优选实施方案中，在连接导线20a′、20b与相应的延伸导线24a′、24b之间的接点处连接有相同的金属。有目的地对延伸导线20a′、20b以及24a′、24b的导热率和/或规格进行选择，从而对由冷端18a、18b分别向测量接点26a、26b方向流动的热流进行控制，使得由冷端18a流向基准接点26a方向的热流与由冷端18b流向基准接点26b方向的热流的差值低于预定值，优选各热流基本相等。由于可通过调整连接导线20a′和延伸导线24a′中的一者或这二者的规格来控制热流，因此在选择导线的规格方面可获得更大的灵活性。

本发明并不局限于使用贵金属热电偶和由CuNi合金制成的负极延伸导线的热电偶系统。优选实施方案中所使用的CuMn合金同样适用于其中常规正极延伸导线为非合金铜的任何热电偶系统。这种热电偶系统包括(但不限于)利用B型、K型和T型热电偶、以及R型和S型热电偶的热电偶系统。此外，通过选择延伸导线的组成来使延伸导线中的热流相等的思想适用于任何类型的热电偶系统，其并不局限于用于延伸导线的材料的任何特定选择。

理想的情况是，由冷端经各自的延伸导线而流向测量接点的热流应相等，以便完全消除误差源。然而，本领域的技术人员应理解到，无需为了使误差大幅降低而使热流完全相等，尤其是用相同的热电偶传感器进行连续测量时更是如此。此外，尽管本发明的经济效益尤其适于将其应用在利用贵金属传感器的一次性温度传感器上，但是使导线中由中间接点至基准接点的热流相等的思想适用于任何热电偶系统，其中在这些热电偶系统中，流过延伸导线的热流的不均等所导致的误差会造成温度测量产生误差。

本领域的技术人员应理解到，可在不脱离本发明思想的范围内对本发明上述实施方案进行改变。因此应理解到，本发明并不局限于所公开的特定实施方案，而是涵盖由所附权利要求所限定的本发明精神和范围内的任何实施方案。

Claims (14)

1.一种热电偶系统，包括：

热电偶，其具有正极引线和负极引线，所述正极引线和所述负极引线在测量接点处连接在一起，以及

至少一根正极导线以及至少一根负极导线，所述正极导线的第一端部与所述正极引线在第一接点处相连，所述正极导线的第二端部与第二接点相连，所述负极导线的第一端部与所述负极引线在第三接点处相连，所述负极导线的第二端部与第四接点相连，所述第二接点和所述第四接点构成基准接点，所述基准接点的温度低于所述测量接点的温度，其中对所述至少一根正极导线以及所述至少一根负极导线中的至少一者的导热率和规格中的至少一项进行选择，以控制分别由所述第一接点流向基准接点方向的热流以及由所述第三接点流向基准接点方向的热流，使得这两个热流之间的差值低于预定量。

2.权利要求1所述的热电偶系统，其中通过所述至少一根正极导线的热流量与通过所述至少一根负极导线的热流量基本相等。

3.权利要求1所述的热电偶系统，其中所述至少一根正极导线包括正极连接导线和正极延伸导线，其中所述正极延伸导线控制通过所述至少一根正极导线的热流。

4.权利要求1所述的热电偶系统，其中所述至少一根正极导线包括正极连接导线和正极延伸导线，其中所述正极连接导线控制通过所述至少一根正极导线的热流。

5.权利要求1所述的热电偶系统，其中所述至少一根正极导线包括正极连接导线和正极延伸导线，其中所述正极连接导线由非合金铜制成，并且所述正极延伸导线由铜-锰合金制成。

6.权利要求1所述的热电偶系统，其中所述至少一根正极导线包括正极连接导线和正极延伸导线，其中所述正极连接导线由铜-锰合金制成，并且所述正极延伸导线由非合金铜制成。

7.权利要求1所述的热电偶系统，其中所述至少一根正极导线包括正极连接导线和正极延伸导线，其中所述正极连接导线由铜-锰合金制成，并且所述正极延伸导线也由所述铜-锰合金制成。

8.一种热电偶系统，包括：

具有正极引线和负极引线的R型或S型热电偶；以及

与所述R型或S型热电偶的正极引线电连接的正极导线，其中所述正极导线基本上由0.65％至1.35％的锰、以及余量的铜构成。

9.权利要求7所述的热电偶系统，其中所述正极导线与所述热电偶的所述正极引线直接连接。

10.权利要求7所述的热电偶系统，其中所述热电偶被容纳在具有连接器的传感器内，并且所述正极导线与所述热电偶的正极引线通过所述连接器而连接在一起。

11.一种正极热电偶连接导线/延伸导线组合物，该组合物与铂/铂-铑热电偶系统中的负极铜-镍热电偶连接导线/延伸导线一同使用，其中所述热电偶系统中的热电偶的正极引线为选自由铂-10％铑以及铂-13％铑所组成的组中的铂-铑合金，并且所述正极热电偶连接导线/延伸导线组合物基本上由0.65重量％至1.35重量％的锰、以及余量的铜构成。

12.一种正极热电偶连接导线/延伸导线组合物，该组合物用作铂/铂-铑热电偶系统中的热电偶延伸导线，其中所述热电偶系统中的热电偶的正极引线为选自由铂-10％铑以及铂-13％铑所组成的组中的铂-铑合金，负极引线为铂，并且负极延伸导线由标称为0.5％至1.5％的镍、0.25％至0.40％的锰、以及余量的铜构成，所述正极热电偶连接导线/延伸导线组合物在32°F至400°F温度范围内的导热率在100W/(m·K)至250W/(m·K)之间。

13.权利要求11所述的正极连接导线/延伸导线，其中所述组合物在32°F至400°F温度范围内的导热率在145W/(m·K)至190W/(m·K)之间。

14.权利要求11所述的正极延伸导线，其中所述组合物为：0.65重量％至1.35重量％的锰、以及余量的铜。

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