CN107576408A - 基于液态金属的热电偶 - Google Patents

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李斌帅
盛磊
刘静
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Abstract

本发明涉及温度测量元件领域，提供了一种基于液态金属的热电偶。该热电偶包括补偿导线、接线盒、防护管以及设置在防护管内的第一中空管和第二中空管，第一中空管的第一端和第二中空管的第一端均通过接线盒与补偿导线连接，第一中空管的第二端通过金属片与第二中空管的第二端连接，第一中空管中充注有第一液态金属，第二中空管中充注有第二液态金属，且第一液态金属和第二液态金属不相同。本发明结构简单、价格低廉，不仅实现了温度的快速检测，而且还利用了液态金属的特性大大提高了测量精度、扩大了测量范围和适用范围。

Description

基于液态金属的热电偶
技术领域
本发明涉及温度测量元件领域，具体涉及一种基于液态金属的热电偶。
背景技术
温度是工业生产过程中的一项重要参数，通常测量温度时都是将感温元件直接和被测对象相接触，当被测对象与感温元件达到热平衡时，也就是感温元件与被测对象的温度相等时，就可通过感温元件得到被测对象的温度。
其中，热电偶是应用最广泛的感温元件，热电偶是将两种不同的导体或半导体连接成闭合回路。热电偶有两个接触点：一个接触被测对象，称为热端，另一个连接二次仪表，称为冷端。
现有的耐高温热电偶为铂铑-铂热电偶，其材料昂贵，热电势率小，灵敏度低，高温下机械强度不足，对污染非常敏感，无法应用在冶金，化工等环境，具有非常大的局限性。
发明内容
本发明要解决的是现有技术中耐高温热电偶精度低、对环境敏感度高、测温范围窄、成本高的技术问题。
为解决上述问题，本发明提供了一种基于液态金属的热电偶，该热电偶包括补偿导线、接线盒、防护管以及设置在所述防护管内的第一中空管和第二中空管，所述第一中空管的第一端和所述第二中空管的第一端均通过所述接线盒与所述补偿导线连接，所述第一中空管的第二端通过金属片与所述第二中空管的第二端连接，所述第一中空管中充注有第一液态金属，所述第二中空管中充注有第二液态金属，且所述第一液态金属和所述第二液态金属不相同。
其中，所述第一液态金属和/或所述第二液态金属包括钠、钾、锂、铷、铯、汞、镓、铅铋合金、镓基合金、铟基合金、铋基合金或汞基合金。
其中，所述第一中空管和/或所述第二中空管的材质为氮化硼或氮化硅。
其中，所述防护管的材质为碳化硅、二氧化硅、刚玉或硼酸盐。
其中，所述补偿线包括合金丝和套设在所述合金丝上的保护层。
其中，所述合金丝包括铝丝、铜丝、不锈钢丝和镍丝。
其中，还包括均与所述第一中空管的第一端和所述第二中空管的第一端连接的温度显示仪、纪录仪和电子调节器。
其中，所述防护管的底部为封闭式结构。
其中，所述防护管的底部设有两个通孔，所述第一中空管的第二端和所述第二中空管的第二端分别穿过相应的所述通孔后通过所述金属片相互连接。
为解决上述问题，本发明还提供了一种基于液态金属的热电偶，该热电偶包括补偿导线、接线盒、防护管以及设置在所述防护管内的第一中空管和第二中空管，所述第一中空管的第一端和所述第二中空管的第一端均通过所述接线盒与所述补偿导线连接，所述防护管的底部为封闭式结构，所述第一中空管的第二端和所述第二中空管的第二端分别与所述防护管的底部的内壁连接，所述第一中空管中充注有第一液态金属，所述第二中空管中充注有第二液态金属，且所述第一液态金属和所述第二液态金属不相同。
本发明结构简单、价格低廉，通过在第一中空管和第二中空管中分别充注第一液态金属和第二液态金属，就可形成两种不同的导体；通过将第一中空管的第一端和第二中空管的第一端均通过接线盒与补偿导线连接、将第一中空管的第二端通过金属片或防护管与第二中空管的第二端连接，就可形成一个闭合回路。其中，第一中空管的第一端和第二中空管的第一端处形成的接点为冷端，第一中空管的第二端和第二中空管的第二端处形成的接点为热端。当检测温度时，该热电偶的冷端和热端之间就会产生温差，因塞贝克效应该温差会导致闭合回路中产生热电动势，通过查询热电偶分度表就可获取与该热电动势对应的温度即被测对象的温度。由此，该热电偶不仅实现了温度的快速检测，而且还利用了液态金属低熔点、高沸点、良好的导电性、导热性和化学稳定性的特点，大大提高了测量精度、扩大了测量范围和适用范围。
附图说明
图1是本发明实施例中一种基于液态金属的热电偶的主视图；
图2是本发明实施例1中图1在A处的放大图；
图3是本发明实施例2中图1在A处的放大图；
图4是本发明实施例3中图1在A处的放大图。
附图标记说明：
1、第一中空管；2、第二中空管；3、防护管；4、金属片；
5、接线盒；6、热端；7、冷端；8、导线引出盒。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，除非另有说明，术语“上”、“下”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在发明中的具体含义。
实施例1
结合1和图2所示，本发明实施例提供了一种基于液态金属的热电偶，该热电偶包括补偿导线、接线盒5、防护管3以及设置在防护管3内的第一中空管1和第二中空管2，第一中空管1的第一端和第二中空管2的第一端均通过接线盒5与补偿导线连接，防护管3的底部为封闭式结构，第一中空管1的第二端通过金属片4与第二中空管2的第二端连接，第一中空管1中充注有第一液态金属，第二中空管2中充注有第二液态金属，且第一液态金属和第二液态金属不相同。因此，从结构上看，本实施例中的热电偶属于绝缘型热电偶。
由此，通过将第一中空管1的第一端和第二中空管2的第一端均通过接线盒5与补偿导线连接、将第一中空管1的第二端通过金属片4与第二中空管2的第二端连接，就可形成一个闭合回路。其中，第一中空管1的第一端和第二中空管2的第一端处形成的接点为冷端7，第一中空管1的第二端和第二中空管2的第二端处形成的接点为热端6。
当需要检测温度时，将防护管3的底部与被测对象接触，通过被测对象与防护管3之间的导热、防护管3与第一中空管1和第二中空管2之间的辐射传热，被测对象的热量便可传递至热端6，进而热端6和冷端7之间就会产生温差。由于热端6的温度高于冷端7的温度，因此热端6处的第一液态金属和第二液态金属中的自由电子具有更大的动能，大量的自由电子会从热端6向冷端7移动，热端6因失去电子而带正电，冷端7因得到电子而带负电，进而回路中就会产生热电动势。而该热电动势大小和方向仅与第一液态金属和第二液态金属的种类以及冷端7和热端6的温度有关，而与该热电偶的形状尺寸无关，因此当第一液态金属和第二液态金属的种类确定后，热电动势就是关于冷端7和热端6温度的函数。因此当热电动势确定后，通过查询热电偶分度表就可获取与该热电动势对应的温度即被测对象的温度。具体地，热电动势EAB(T,T0)由两部分组成，一部分是第一中空管1和第二中空管2之间的接触电动势，另一部分是第一中空管1的温差电动势和第二中空管2的温差电动势之和，也就是说，EAB(T,T0)＝EAB(T)-EAB(T0)-EA(T，T0)+EB(T，T0)，其中，EAB(T)-EAB(T0)为接触电动势，为第一中空管1的温差电动势，为第二中空管2的温差电动势，σA为第一中空管1的温差电系数，σB为第二中空管2的温差电系数，T为热端6的温度，T0为冷端7的温度。
本实施例通过利用液态金属低熔点、高沸点、良好的导电性、导热性和化学稳定性的特点，大大提高了测量精度，扩大了测量范围，使该热电偶能够满足常温到两千度的测温要求。另外，由于液态金属无毒、难挥发、对环境敏感度低，因此该热电偶不仅可用于冶金、化工等污染严重的场合，而且还可用于与人体频繁接触的场合。
优选地，第一液态金属和/或第二液态金属包括钠、钾、锂、铷、铯、汞、镓、铅铋合金、镓基合金、铟基合金、铋基合金或汞基合金。进一步地，还可在第一液态金属和/或第二液态金属表面进行电化学修饰，以改善其表面特性，例如可在其表面进行氧化处理或镀设其他金属。
优选地，第一中空管1和/或第二中空管2的材质为氮化硼或氮化硅。由于氮化硼或氮化硅具有良好的热稳定性、可接受3000度高温热蚀，因此可大大提高该热电偶的测量范围。
优选地，防护管3的材质为碳化硅、二氧化硅、刚玉或硼酸盐。
优选地，补偿线包括合金丝和套设在合金丝上的保护层。其中，合金丝包括铝丝、铜丝、不锈钢丝和镍丝，以保证该合金丝的抗拉强度≥12.5N/mm2，伸长率≥125％，经电压5000V/1min而不击穿。
另外，还包括均与第一中空管1的第一端和第二中空管2的第一端连接的温度显示仪、纪录仪和电子调节器。
进一步地，还包括与接线盒连接的导线引出盒8，导线引出盒8用于引出补偿线。
实施例2
结合图3所示，本实施例中的基于液态金属的热电偶的结构与原理与实施例1相同，本实施例不再赘述。
不同之处在于，防护管3的底部设有两个通孔，第一中空管1的第二端和第二中空管2的第二端分别穿过相应的通孔后通过金属片4相互连接。因此，从结构上看，本实施例中的热电偶属于露出型热电偶。
由此，该热电偶的热端6可直接与被测对象接触，也就是说，被测对象直接通过导热的方式将热量传递至该热电偶的热端6，从而可显著提高该热电偶的灵敏度，减小检测时间，提高检测效率。
实施例3
结合图4所示，本发明还提供了一种基于液态金属的热电偶，该热电偶包括补偿导线、接线盒5、防护管3以及设置在防护管3内的第一中空管1和第二中空管2，第一中空管1的第一端和第二中空管2的第一端均通过接线盒5与补偿导线连接，防护管3的底部为封闭式结构，第一中空管1的第二端和第二中空管2的第二端分别与防护管3的底部的内壁连接，第一中空管1中充注有第一液态金属，第二中空管2中充注有第二液态金属，且第一液态金属和第二液态金属不相同。
本实施例中的基于液态金属的热电偶的结构与原理与实施例1相同，本实施例不再赘述。
不同之处在于，防护管3的底部为封闭式结构，第一中空管1的第二端和第二中空管2的第二端分别与防护管3的底部的内壁连接，也就是说，第一中空管1的第二端通过防护管3与第二中空管2的第二端连接。因此，从结构上看，本实施例中的热电偶属于接地型热电偶。
当需要检测温度时，将防护管3的底部与被测对象接触，通过被测对象与防护管3之间以及防护管3与第一中空管1和第二中空管2之间的导热，被测对象的热量便可传递至热端6。
因此，本实施例通过利用液态金属低熔点、高沸点、良好的导电性、导热性和化学稳定性的特点，大大提高了测量精度，扩大了测量范围，使该热电偶能够满足常温到两千度的测温要求。另外，由于液态金属无毒、难挥发、对环境敏感度低，因此该热电偶不仅可用于冶金、化工等污染严重的场合，而且还可用于与人体频繁接触的场合。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于液态金属的热电偶，其特征在于，包括补偿导线、接线盒、防护管以及设置在所述防护管内的第一中空管和第二中空管，所述第一中空管的第一端和所述第二中空管的第一端均通过所述接线盒与所述补偿导线连接，所述第一中空管的第二端通过金属片与所述第二中空管的第二端连接，所述第一中空管中充注有第一液态金属，所述第二中空管中充注有第二液态金属，且所述第一液态金属和所述第二液态金属不相同。
2.根据权利要求1所述的基于液态金属的热电偶，其特征在于，所述第一液态金属和/或所述第二液态金属包括钠、钾、锂、铷、铯、汞、镓、铅铋合金、镓基合金、铟基合金、铋基合金或汞基合金。
3.根据权利要求1所述的基于液态金属的热电偶，其特征在于，所述第一中空管和/或所述第二中空管的材质为氮化硼或氮化硅。
4.根据权利要求1所述的基于液态金属的热电偶，其特征在于，所述防护管的材质为碳化硅、二氧化硅、刚玉或硼酸盐。
5.根据权利要求1所述的基于液态金属的热电偶，其特征在于，所述补偿线包括合金丝和套设在所述合金丝上的保护层。
6.根据权利要求5所述的基于液态金属的热电偶，其特征在于，所述合金丝包括铝丝、铜丝、不锈钢丝和镍丝。
7.根据权利要求1所述的基于液态金属的热电偶，其特征在于，还包括均与所述第一中空管的第一端和所述第二中空管的第一端连接的温度显示仪、纪录仪和电子调节器。
8.根据权利要求1至7任一项所述的基于液态金属的热电偶，其特征在于，所述防护管的底部为封闭式结构。
9.根据权利要求1至7任一项所述的基于液态金属的热电偶，其特征在于，所述防护管的底部设有两个通孔，所述第一中空管的第二端和所述第二中空管的第二端分别穿过相应的所述通孔后通过所述金属片相互连接。
10.一种基于液态金属的热电偶，其特征在于，包括补偿导线、接线盒、防护管以及设置在所述防护管内的第一中空管和第二中空管，所述第一中空管的第一端和所述第二中空管的第一端均通过所述接线盒与所述补偿导线连接，所述防护管的底部为封闭式结构，所述第一中空管的第二端和所述第二中空管的第二端分别与所述防护管的底部的内壁连接，所述第一中空管中充注有第一液态金属，所述第二中空管中充注有第二液态金属，且所述第一液态金属和所述第二液态金属不相同。
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