CN204101203U - 一种热电偶 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种热电偶，包括设置在保护套管中的热电极，热电极的四周设置有绝缘子，热电极由正极导体、负极导体和至少一个感温导体组成；正极导体与负极导体串接，串接连接点为主感温偶节点；感温导体连接在正极导体或负极导体上，其连接点为副感温偶节点，感温导体通过补偿导线电连接接线座。它实现温度梯度内多点温度测量、测量精度高、维护成本低。

Description

一种热电偶

技术领域

本实用新型涉及工业温度测量技术领域，具体涉及一种热电偶。

背景技术

冶炼冶金工艺、石油化工工艺、热处理工艺均需要将工艺设备按一定模式进行加温，然后采用一定的方案恒温保持一段时间，让设备内的物质或者材料充分吸热，从而实现物质或者材料结构和性能的转变，因此，温度控制技术非常重要，同样温度控制的依据温度测量技术也非常关键。

目前，以上工艺的温度测量，是在冶炼炉，反应发生器，或者热处理炉的四壁设置加热装置来给设备内的材料供热，在设备中心位置设置温度测量装置来测量温度。四壁加热装置供热，势必造成设备内存在纵向温度梯度和横向温度梯度，即使是设备处于恒温阶段，温度梯度依然存在，因此，在设备中心位置设置温度测量装置并不能真正反应设备内的温度，需要在设备内纵向或者横向方向上进行多点温度测量，将横向或者纵向的温度梯度控制在合理的范围，防止设备内出现局部地方温度过高，或者局部地方温度过低，造成设备内的物理化学变化的不充分，或者过度。

具体来说，设备内横向或者纵向的温度梯度范围不合理，在冶炼冶金工艺中会造成冶炼炉内，低温区矿石的金属析出率低；设备内横向或者纵向的温度梯度范围不合理，在石油化工工艺中，会造成反应发生器中低温区的反应物反应不充分，化合物的产出率低，高温区会有其他的化合物生成；设备内横向或者纵向的温度梯度范围不合理，在热处理工艺中，会造成较厚的材料，由于材料的内外温差大，材料内外应力大、容易造成材料裂纹，较薄、体积较大的材料，由于高温组织形成的速度不一样，容易造成材料变形。同时设备内横向或者纵向的温度梯度范围不合理，还会造成能耗的增加。

由于目前市场上需求的绝大多数冶金产品、石油化工产品、热处理产品为粗加工产品，对产品的品质要求不高，如果需要更好的产品可以通过二次工艺处理，达到高质量要求，因此，目前行业中主要采用在设备四壁设置加热装置来给设备内的材料供热，在设备中心位置设置温度测量装置来测量温度的技术方案，各专业厂家没有动力去研究设备内横向或者纵向的温度梯度控制技术。

工业温度控制技术的基础在于工业温度测量技术，目前工业温度测量技术领域，通常采用热电阻和热电偶来测量温度。热电阻温度测量技术是采用测温电路，通过热电阻和温度的变化特性，测量电阻来推算温度，电阻的测量是通过测量回路中电流的大小来实现的，通常热电阻温度测量技术主要用于低温测量；热电偶温度测量技术是采用两种不同材料的导体或者半导体串接成一个闭合的回路，由于不同材料的导体电子密度不一样，串接后，电子会从电子密度高的材料迁移到电子密度低的材料，在两个导体上形成电势差，温度越高迁移的电子会越多，形成的电势差就越大，从而通过测量电势差就可推算温度，热电偶温度测量技术既可用于低温测量也可以用于高温测量。热电阻温度测量技术和热电偶温度测量技术原理不一样，技术方案也不同，因此两者之间的技术特征无法互相借用。

目前常用的热电偶均为感温偶节点热电偶，其包括设置在保护套管中的热电极，设置在热电极周围的绝缘子，与保护套管相连的接线盒，接线座，补偿导线，其中，热电极由不同材料制成的正极导体和负极导体串接构成，串接点为感温偶节点，也即温度测量点；正极导体和负极导体均和接线座电连接,上述电连接可以直接电连接或者通过补偿导线电连接，接线座通常设置在接线座盒中，当然也可以不设置在接线盒中。使用中，通过测量正极导体和负极导体之间的电势差，来推算出温度测量点的温度，其是通过将热电偶安装在测量点位置进行温度检测。

但需要测量多点温度时，安装多个单感温节点热电偶来实现温度的测量，而每个热电偶都有一个低温参比端，同时还需要更多的补偿导线来连接热电极和低温参比端，由于每个热电偶的加工、安装精度的不同和各低温参比端的不统一会造成测量温度的差异，影响测量的准确性；采用多个热电偶会极大提高测量成本，安装、调试工程量大，后期维护繁琐、维护成本高，影响到设备的温度控制作业。目前行业中还采用先将多个热电偶设置在一个固定杆上，再在其外面设置保护套的耙式热电偶来来实现多点温度的测量，不过由于耙式热电偶造价高、维护成本也相当高，因此其只用于测量航空器涡扇发动机的涡流温度，无法应用到冶炼冶金工艺、石油化工工艺、热处理工艺。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种能进行温度梯度内多点温度测量、测量精度高、维护成本低的热电偶。

本实用新型解决技术问题所采用的技术方案是：

一种热电偶，包括设置在保护套管中的热电极，热电极的四周设置有绝缘子，热电极由正极导体、负极导体和至少一个感温导体组成；正极导体与负极导体串接，串接连接点为主感温偶节点；感温导体连接在正极导体或负极导体上，其连接点为副感温偶节点，感温导体通过补偿导线电连接接线座。

进一步，热电偶的感温导体设置在正极导体上，感温导体材料的电子密度小于正极导体材料的电子密度。

进一步，热电偶的感温导体设置在负极导体上,感温导体材料的电子密度大于负极导体材料的电子密度。

进一步，热电偶的绝缘子为瓷珠,瓷珠上设置有通孔，正极导体、负极导体、补偿导线均穿过通孔。

进一步，热电偶的感温导体数量为2～5个，并依次排列在正极导体或负极导体上。

本实用新型的热电偶，适用于热处理、冶炼冶金、石油化工、半导体制造、航空航天等技术领域进行温度测量，只要是现有热电偶能应用的技术领域，本实用新型的热电偶均能应用，同时现有技术不能适用的温度梯度测量领域，本实用新型的热电偶适用。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型的热电偶，其热电极采用正极导体串接负极导体，串接连接点为主感温偶节点，在正极导体或负极导体中的一个导体上设置至少一个感温导体，设置连接点为副感温偶节点从而形成至少两个温度测量点；正极导体、负极导体、感温导体、主感温偶节点、副感温偶节点均在同一线性平面内，其能实现纵向、横向或者其他线性方向温度梯度内的至少两个点的温度测量，测量精度高、动态响应好。因此，以检测到的纵向的温度差为依据来控制加热速度，从而针对不同导热系数和尺寸规格的材料采用不同的加热速度的加热方案，以检测到的横向的温度差为依据来控制恒温持续时间，从而针对不同导热系数和尺寸规格的材料采用不同的恒温持续时间的恒温方案。从整体上，本实用新型，由于能实现温度梯度内多点的温度测量，因此还可以通过测量到的温度差动态变化和升温时间测算出传热速度，建立加热模型，为精确控制温度和加热程序提供了可靠的保证。同样也可以通过测量到的温度动态布局和恒温时间测算出热量消耗速度，建立恒温模型，为精确控制温度和恒温程序提供了可靠的保证。通过以上两个模型的建立，可以节约热处理设备的供热能耗，防止材料过烧，节约时间提高处理效率，提高工艺质量，降低工艺成本。

2、本实用新型的热电偶，由于采用等电势结构进行电势信号传递，电势信号损耗小、传递精度高；还可以通过选择合适感温导体材料将正极导体作为公共正极或者将负极导体作为公共负极对本实用新型的热电偶进一步优化，提高测量的电势信号差，降低电势信号损耗对测量结果的影响，电势信号更精准，推算出的测量点温度更准确，提高温度测量的动态响应能力；由于通过在正极导体或负极导体中的一个导体上设置至少一个感温导体，来实现温度梯度内多点的温度测量，其组件少、结构简单、易于设计制造、制作和后期维护成本低。

附图说明

图1为本实用新型的感温偶节点设置在负极导体的结构示意图。

图2为本实用新型的感温偶节点设置在正极导体的结构示意图。

图3为本实用新型的采用瓷珠作为绝缘子的结构示意图。

图4为本实用新型的实施例的结构示意图。

图中附图标记分别表示为：1-热电极,2-保护套管,3-绝缘子,4-接线盒,5-接线座,6-补偿导线,7-主感温偶节点，8-副感温偶节点，11-热电偶,12-连接导线,13-测量仪表,14-热处理炉,15-加热器,101-正极导体,102-负极导体，103-感温导体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

如图1、图2所示，同时参照图4所示，本实用新型的一种热电偶11，包括设置在保护套管2中的热电极1，热电极1的四周设置有绝缘子3，热电极1由正极导体101、负极导体102和至少一个感温导体103组成；正极导体101与负极导体102串接，串接连接点为主感温偶节点7；感温导体103连接在正极导体101或负极导体102上，其连接点为副感温偶节点8，感温导体103通过补偿导线6电连接接线座5。

如图1、图2所示，本实用新型的一种热电偶11实施时，还包括公知的接线盒4，保护套管2与接线盒4连接，正极导体101和负极导体102均和接线座5电连接，上述电连接可以是直接电连接也可以是通过补偿导线6电连接，接线座5通常设置在接线盒4中，当然也可以不设置在接线盒4中。

如图1、图2所示，正极导体101、负极导体102是材料不同的两种导体，如正极导体101采用镍铬材料，负极导体102采用铁合金材料，正极导体101的电子密度大于负极导体102的电子密度，正极导体101串接负极导体102，连接点为主感温偶节点7；感温导体103连接在正极导体101或负极导体102上，其连接点为副感温偶节点8，感温导体103通过补偿导线6电连接接线座5，感温导体103和与其连接的导体为材料不同的两种导体。

通常正极导体101和负极导体102的长度为0.3米到2米，具体长度由主感温偶节点7所要测量的温度点决定，感温导体103在正极导体101或负极导体102上的连接点由所要测量的其他温度点决定。根据行业经验，优选的方案是感温导体103数量为2～5个，并依次排列在正极导体101或负极导体102上。

如图1、图2所示，正极导体101、负极导体102、感温导体103、主感温偶节点7、副感温偶节点8均在同一线性平面内，当然也可以是准线性平面内，或者类线性平面内，共同构成热电偶11的测量结构单元。使用中，只要将热电极1放置到纵向、横向或者其他线性方向温度梯度平面内，不需要做任何调整，就可实现温度梯度内至少两个点的温度测量，测量精度高。本实用新型的热电极1组件少、结构简单、易于设计制造、制作和后期维护成本不高。

正极导体101和负极导体102均和接线座5电连接，上述电连接可以是直接电连接也可以是通过补偿导线6电连接，感温导体103通过补偿导线6电连接接线座5，补偿导线6采用与其连接导体具有基本相同热电特性的材料制成，当然也可采用与其连接导体相同材料制成。正极导体101和接线座5的正极连接点之间的部分构成正极导体101电势信号输出结构，负极导体102和接线座5的负极连接点之间的部分构成负极导体102电势信号输出结构，感温导体103和补偿导线6以及补偿导线和接线座5的连接点构成感温导体103电势信号输出结构；使用中，正极导体101电势输出结构为等电势体，负极导体102电势输出结构也为等电势体，感温导体103电势输出结构同样也为等电势体，电势信号的等电势传输，传输效率高，信号质量号。本实用新型的电势信号输出结构，结构简单、易于设计制造、制作和后期维护成本低。

如图1至图2所示，保护套管2连接接线盒4，共同构成热电偶11的保护结构单元。由以上制作实施过程可以看出，热电偶11的保护结构单元是全封闭结构，使用中，能有效保护热电极1和补偿导线6免受机械损伤或者被被测介质化学腐蚀。本实用新型的接线座5、接线盒4、保护套管2采用和热电极1相适配的结构，结构简单、制作成本低。

如图1至图2所示，在热电极1的四周设置有绝缘子3，绝缘子3采用高铝质、粘土、刚玉质材料制成，在室温下，绝缘子3的绝缘电阻应在5M欧姆以上。

以上是热电偶11的基础实施方式。从上述实施过程可以看出，正极导体101、负极导体102、感温导体103、主感温偶节点7、副感温偶节点8均在同一线性平面内，共同构成热电偶11的测量结构单元，其可以实现纵向、横向或其他线性方向温度梯度内至少两个点的温度测量测量精度高，动态响应好。正极导体101、负极导体102、感温导体103的电势信号均采用等电势体传输，没有信号损失，电势信号传递精度高。本实用新型的热电偶11具有组件少、结构简单、易于设计制造、制作和后期维护成本低的技术效果。

为了提高热电偶11的温度测量精度和动态响应能力，本实用新型在基础实施方式的基础上作出进一步改进，如图2所示，同时参照图4所示，本实用新型的第一优选实施方式为，感温导体103设置在正极导体101上，感温导体103材料的电子密度小于正极导体101材料的电子密度。显然，负极导体102材料的电子密度小于正极导体101材料的电子密度。此优选实施方式，正极导体101作为公共正极，正极导体101的电子向负极导体102、感温导体103上迁移，电子迁移数量和主感温偶节点7、副感温偶节点8的温度相关，温度越高，迁移的电子数量越多，温度越低，迁移的电子数量较少。整体上，由于正极导体101作为单一的电子迁移源，在同一温度条件下，正极导体101的电势大幅提高，正极导体101和负极导体102的电势差，正极导体101和感温导体103的电势差均会同步提高。电势差大，电势信号传递的损耗对测量结果的影响就更小，从而进一步提高测量仪表13获得的电势信号的精准性，推算出的测量点的温度也就更更准确；电势差大，电势信号随温度的变化也大，从而进一步提高热电偶11对测量点温度变化的动态响应，更有利于及时了解测量点的温度变化情况，特别是温度梯度内多点的温度变化情况，为温度调整方案的制定提供依据，提高温度调整方案的有效性和经济性，降低工艺成本，提高工艺质量。

为了提高热电偶11的温度测量精度和动态响应能力，本实用新型在基础实施方式的基础上作出进一步改进，如图1所示，同时参照图4所示，本实用新型的第二优选实施方式为，感温导体103设置在负极导体102上,感温导体103材料的电子密度大于负极导体102材料的电子密度。显然，负极导体102材料的电子密度小于正极导体101材料的电子密度。负极导体102作为公共负极，正极导体101、感温导体103的电子向负极导体102上迁移，电子迁移数量和主感温偶节点7、副感温偶节点8的温度相关，温度越高，迁移的电子数量越多，温度越低，迁移的电子数量较少。整体上，负极导体102作为单一的电子迁移目的导体，在同一温度条件下，负极导体102的电势大幅降低正极导体101和负极导体102的电势差，正极导体101和感温导体103的电势差均会同步提高。电势差大，电势信号传递的损耗对测量结果的影响就更小，从而进一步提高测量仪表13获得的电势信号的精准性，推算出的测量点的温度也就更更准确；电势差大，电势信号随温度的变化也大，从而进一步提高热电偶11对测量点温度变化的动态响应，更有利于及时了解测量点的温度变化情况，特别是温度梯度内多点的温度变化情况，为温度调整方案的制定提供依据，提高温度调整方案的有效性和经济性，降低工艺成本，提高工艺质量。

热电偶11，通常采用绝缘子3将正极导体101、负极导体102、补偿导线6、保护套管2之间的空隙填满，这样，热电偶11的重量较大。使用中，当热电偶11安装孔和热电偶11的尺寸适配较差时，在热电偶11的重力作用下，容易造成热电偶11走位，造成测量点的偏离，影响到温度控制决策的正确性。

为了降低热电偶11的重量，提高对测量点的控制，本实用新型在基础实施方式、第一优选实施方式、第二优选实施方式中任意一个实施方式的基础上作出进一步改进，如图3所示，本实用新型的第三优选实施方式为，绝缘子3为瓷珠,瓷珠上设置有通孔，正极导体101、负极导体102、补偿导线6均穿过通孔。根据热电偶11的热电极1各组件的尺寸以及它们相互之间的空隙，选择合适尺寸和孔径的瓷珠作为绝缘子3，通过瓷珠通孔将布置在热电极1的各组件间。上述结构能极大减少绝缘子3占热电偶11的比重，降低热电偶11的重量，提高对测量点的控制能力,从而进一步提高本实用新型的可操作性和易用性。同时有通孔的瓷珠进一步提高了保护套管2结构设计的简单化、有利于提高热电偶11制作的效率，降低热电偶11的生产成本，便于热电偶11的维护。

下面以热处理炉14内的温度测量为例，介绍采用热电偶11进行温度测量的实施过程：

如图4所示，同时参照图1、图2所示，热处理炉14的一个或者多个壁体上设置有热电偶11安装孔，在热处理炉14不使用时，将热电偶11安装孔封闭；通常热电偶11安装孔设置在热处理炉14壁体的中间部位，当然也可以根据实际需要设置在热处理炉14壁体的其他位置。本领域的技术人员根据热处理炉14的几何尺寸和根据热处理工艺的温度测量需要，自由选择合适规格的热电偶11，通过热电偶11安装孔安装热电偶。其中，安装在热处理炉14上、下壁体的热电偶11需要进行竖直安装，安装在热处理炉14侧壁壁体的热电偶11需要进行水平安装；测量仪表13设置在远离热处理炉14的一个位置，具体设定根据热处理炉14的周围环境确定，用连接导线12将热电偶11和测量仪表13连接起来，连接导线12为公知的补偿导线7，补偿导线7的材料根据正极导体101、负极导体102、热电偶使用的补偿导线7决定。

实施时，热电偶11的数量为两个，每个热电偶均有两个感温导体103，也就是均有一个主感温偶节点7和两个副感温偶节点8，其中一个热电偶11放置在水平方向，用于测量横向温度梯度内三个点的温度，另外一个热电偶11放置在纵向方向，用于测量纵向温度梯度内三个点的温度，每个热电偶11采用将接线座5固定在接线盒4里，接线盒4为半封闭结构，将热电极1和补偿导线6的连接体设置在保护套管2中，保护套管2为半封闭结构，保护套管2和接线盒4共同构成热电偶11的全封闭保护结构单元。

执行热处理炉14的温度测量时，由于主感温偶节点7两侧的正极导体101材料和负极导体102材料不同，副感温偶节点8两侧的感温导体103材料和与其连接的导体材料不同，因此,连接后电子会从电子密度高的材料迁移到电子密度低的材料，在两个导体上形成接触电势电势差，电势差的大小和温度的高低保持动态特性关系，通过测量电势差值就可以得出主感温偶节点7和副感温偶节点8的温度值；温度越高迁移的电子会越多，形成的电势差就越大，电势差随温度的变化而变化。电势信号等势传递给测量仪表13，误差极低，测量仪表13根据电势差和温度特性关系，推算出多个测量点的温度。由于热电偶11是采用垂直安装和水平安装，所以多个测量点处于纵向温度梯度上，或横向温度梯度上，多个测量点的温度值能很好的反映热处理炉14的温度梯度。在同一导体上，电势一样，不存在电势差，确保电势差信号被精准传递。

由于不同的热处理材料，其导热系数不同，可承受的加热速度不同，需要通过热电偶11和测量仪表13及时了解热处理炉14的度变化数据，便于精确控制处理效果。因此，在热处理过程中，需要根据所要加工工件的材料和厚度制定供热方案。

对于较薄的材料，其导热快，材料表面和内部容易实现温度均衡，加热器15就可以采用较快的加热速度，纵向温度偏差可设置大点，较快完成材料的热处理，提高材料热处理效率，降低材料热处理成本。

对于较薄且体积较大的材料，加热速度过快，高温组织形成的速度不一样，容易造成材料变形，需及时调整升温速度，将升温速度降下来，尽量减小纵向温差引起的变形，根据检测纵向的温度差来控制加热速度，从而在保证具有较高处理效率，较低材料热处理成本的前提下，确保材料的热处理质量。

对于较厚的材料，其导热慢，材料表面和内部需要较长的时间才能温度均衡，加热速度快，材料的内外温差大，材料内外应力大、容易造成材料裂纹。因此，需要选择较慢的加温速度，纵向温度偏差设置小点儿，将加热速度减低，升温过程要平缓，让材料均匀吸热，据纵向温度偏差情况设置控制升温速率，调节加热功率，降低造成不必要的材料损坏。

以上是采用热电偶11来实现动态测量热处理炉14内温度梯度的多点温度。当然上述应用不局限于热处理炉14还可以用于冶炼炉、石油化工的反应釜发生器，还可以用于检测发动机内的温度分布。

从上述实施例的实施过程可以看出，由于只需选用合适数量的主感温偶节点7、副感温偶节点8和测量点匹配的热电偶11，并设置在热处理设备、如热处理炉14中，就可以实现热处理设备中纵向或者横向，或者纵向横向的温度梯度的多点动态温度测量，测量信号质量好，测量精度高，推算出的测量点温度准确，从而可以根据材料处理工艺，建立合理加热模型，为精确控制温度和加热程序提供了可靠的保证，建立恒温模型，为精确控制温度和恒温程序提供了可靠的保证。通过以上两个模型的建立，提高温度控制的有效性和经济性，提高材料的处理效率、处理质量，降低材料处理的成本。

本实用新型的工业实用性：

如上所述，本实用新型的热电偶11，由于通过在正极导体101或负极导体102中的一个导体上设置至少一个感温导体103，来实现温度梯度内多点的温度测量，其组件少、结构简单、易于设计制造、制作和后期维护成本低；由于热电偶11能精准、动态测量设备内的温度，从而可以根据材料处理工艺，制定合理、经济的加热方案和恒温供热方案，提高材料的处理效率、处理质量，降低材料处理的成本。

Claims (5)

1.一种热电偶，包括设置在保护套管(2)中的热电极(1)，所述热电极(1)的四周设置有绝缘子(3)，其特征在于：

所述热电极(1)由正极导体(101)、负极导体(102)和至少一个感温导体(103)组成；所述正极导体(101)与负极导体(102)串接，串接连接点为主感温偶节点(7)；所述感温导体(103)连接在正极导体(101)或负极导体(102)上，其连接点为副感温偶节点(8)，所述感温导体(103)通过补偿导线(6)电连接接线座(5)。

2.根据权利要求1所述的一种热电偶，其特征在于，所述感温导体(103)设置在正极导体(101)上，所述感温导体(103)材料的电子密度小于正极导体(101)材料的电子密度。

3.根据权利要求1所述的一种热电偶，其特征在于，所述感温导体(103)设置在负极导体(102)上,所述感温导体(103)材料的电子密度大于负极导体(102)材料的电子密度。

4.根据权利要求1至3中任意一项权利要求所述的一种热电偶，其特征在于，所述绝缘子(3)为瓷珠,所述瓷珠上设置有通孔，所述正极导体(101)、负极导体(102)、补偿导线(6)均穿过通孔。

5.根据权利要求1至3中任意一项权利要求所述的一种热电偶，其特征在于，所述的感温导体(103)数量为2～5个，并依次排列在正极导体(101)或负极导体(102)上。