TWI476970B - 熱電偶延長線 - Google Patents

Description

熱電偶延長線 相關申請案之交互參考

依據美國專利法第119(e)條(35 USC 119(e))，本申請案被授予且主張2007年10月24日提出申請的美國臨時專利申請案第60/982,292號案的優先權的利益，其揭露在此以參照方式被併入本文。

發明領域

本發明係有關於熱電偶延長線。

發明背景

用於高溫量測的熱電偶一般由諸如鉑及鉑合金之貴金屬組成。最常見的是：(1)R型熱電偶，具有鉑及13%銠之材料的一正引線及一鉑負引線，及(2)S型熱電偶，具有鉑及10%銠之材料的一正引線及一鉑負引線。

貴金屬熱電偶的一缺點是它們的高成本，該成本與該等鉑及鉑/銠熱電偶線的長度成正比。

在一工業環境中，參考接點所位於的儀器通常遠離該熱電偶。特別地，在量測熔融金屬的溫度的情況下，用以量測該熱電偶的電動勢(emf)輸出的該儀器通常距離該熱電偶的量測接點很遠，例如100英尺。將該貴金屬熱電偶延長100英尺或更遠到達該量測接點將是過分昂貴的。而且，例如在該熱電偶僅被用於一個或幾個量測的情況下(諸如通常是關於熔融金屬的溫度量測的情況)，使用將延長100英 尺或更遠的一貴金屬熱電偶變得更加高昂。

使用一貴金屬熱電偶來量測熔融金屬之溫度的溫度量測系統一般將該貴金屬熱電偶線的長度減到最小，藉由在時常被稱為一感測器或探針的一連接裝置中附接由較不昂貴的金屬/金屬合金製成的連接線以將該熱電偶連接到遠距離的量測儀器。此連接線通常被稱為延長線。

延長線可被用以連接一熱電偶到一遠距離的量測儀器，而對大部分應用保持可接受的量測準確度，藉由：(1)選擇該延長線的熱電特性以在該延長線操作時所處之溫度範圍內與該延長線所附接至之該貴金屬熱電偶的熱電特性實質上相同，及(2)維持該正熱電偶線與該正延長線的接點與該負熱電偶線與該負延長線的接點處於相同的溫度。在這些條件下，在該參考接點處所量測的電壓理想地只是該量測接點與該參考接點之溫度差的一函數，而不管在該等熱電偶線與該等延長線的連接處所形成的接點的溫度。習知地，用以連接至一貴金屬熱電偶的該正熱電偶引線的該延長線由純銅製成，而連接到該負引線的該延長線由一銅鎳合金製成。對用以使一種類型的延長線的熱電特性與一貴金屬熱電偶的熱電特性相匹配以將由於該熱電偶與該延長線之間的熱電特性不匹配引起的誤差減到最小之一特定類型的材料之選擇被描述在美國專利第3,926,681號案及美國專利第4,002,500號案中。由於延長線與熱電偶元件的熱電特性不匹配導致的熱電偶與延長線的接點處的一溫度差而引起的量測誤差在ASTM Pub.470B,1981,第27－35頁之 “Manual on the Use of Thermocouples in Temperature Measurement ”中被討論。

如上所述，出現在該熱電偶與該延長線的該正接點及負接點(以後被稱為中間接點)之間的一溫度差導致該熱電偶emf的一量測誤差。先前技術中未討論的是，該等中間接點之間的溫度差可能由自該正中間接點流到較冷的相對應的參考接點的熱量與自該負中間接點流到較冷的相對應的參考接點的熱量之差引起。在兩個接點都正接收一相等的熱量輸入的情況下，熱流間的差導致該等接點中的一個明顯冷卻。該溫度差將與該熱電偶(較特別地，該等中間接點)暴露在高溫環境下從而被暴露在連續熱增益的一環境下的時間成正比地增加。

增加貴金屬溫度量測的準確度，及較特別地，對於工業而言，增加熔融金屬的溫度量測的準確度將成為一經濟優勢。因此，希望減小經過該等熱電偶延長線之來自該熱電偶與該等延長線的該等接點的差分熱流。

發明概要

本文揭露一種熱電偶系統。該熱電偶系統包括具有一正引線及一負引線的一熱電偶。一正導線以一第一端於一第一接點處被連接到該正引線，且一第二端被連接到一第二接點。一負導線以一第一端於一第三接點處被連接到該負引線，且第二端被連接到一第四接點。該第二及第四接點構成一參考接點。該正導線及該負導線中的至少一條的 一熱傳導率及一線規中的至少一個被選擇以控制各自的自該第一接點向該參考接點的熱流及自該第三接點向該參考接點的熱流之量以使該等熱流之差小於一預定的量。

圖式簡單說明

當結合附圖閱讀時，對本發明的前述發明內容，以及下面的詳細描述將被更好地理解。為說明本發明的目的，圖中顯示目前較佳的實施例。然而，應被理解的是，本發明不限於所顯示的精確配置及手段。

在該等圖式中：第1圖是熱電偶A、B及C的一示意圖；第2圖是一熱電偶電路的一示意圖；第3圖是一熱電偶電路之一emf對溫度圖；第4圖是一已知的溫度感測器的一圖式；第5a圖是本發明之第一實施例的一圖式；第5b圖是本發明之第二實施例的一圖式；及第5c圖是本發明之第三實施例的一圖式。

較佳實施例之詳細說明

現在參見第1圖，顯示有兩個熱電偶，兩者在熱電特性上完全相同。第一熱電偶A(它的參考接點在T_{參考(Reference)} ＝32℉，及它的量測接點在某一中間溫度T_{中間(Intermediate)} )與第二熱電偶B(它的參考接點在該中間溫度T_Intermediate ，及它的量測接點在要被量測的溫度T_{量測(Measure)} )的組合等效於一單一熱電偶(它的參考接點在32℉，及它的量測接點在要被量測的該 溫度T_Measure ，即emf_A ＋emf_B ＝emf_C ，其中，emf是由該(等)熱電偶產生的電動勢)。簡要地說明，如果一熱電偶之emf對溫度的關係關於一參考溫度而言是已知的，則在任何其他的參考溫度處所產生的emf是可預測的。

一實際的結果是，具有與該熱電偶對B相同的熱電特性，但為不同的材料的一延長線對A可被插入該熱電偶電路(例如在T_Reference 及T_Intermediate 中間)，而不會影響由一完整的熱電偶C所量測的淨電動勢。

在使用連接到一外罩中的一熱電偶的延長線的許多工業應用中，其中，該量測接點的溫度可能超過2500℉，位於該外罩中的中間接點導致該中間接點的溫度不超過400℉。同樣地，經由實踐，該量測儀器的該參考接點不會降到32℉以下。結果，因為延長線操作時所在之溫度範圍被限制，所以由不及貴金屬熱電偶昂貴的材料製成的延長線時常被用在工業應用中以延長該熱電偶至該等參考接點。理想地，為了避免不準確，該等延長線與一貴重的熱電偶應該具有相匹配的熱電特性，使得在32℉到400℉的範圍內的任何溫度，該兩個延長線之間所產生的差分電動勢emf在極性及量值上都應該實質上等於該兩個貴金屬熱電偶線之間所產生的差分emf。

第2圖顯示在一S型及R型的熱電偶電路中延長線(P_X ，N_X )的使用，其中，貴金屬熱電偶P、N被連接到點T_I 處的中間接點，且延長線P_X 、N_X 介於該等中間接點與位於點T_R 處的該等參考點之間。藉由計算在每一端點的溫度之間的所 有該等接點的電壓的總和，這樣一種熱電偶組合的輸出可被計算，諸如：

其中，E_PX 等於點T_I 與T_R 之間的emf；E_P 等於點T_M 與T_I 之間的emf；E_N 等於點T_I 與T_M 之間的emf；及E_NX 等於點T_R 與T_I 之間的emf。

已經發現，在熱電偶溫度量測中存在除由延長線不具有一匹配的熱電特性(emf)所引入的誤差以外之誤差的來源。減小該等誤差的效益可能遠遠大於使該等延長線及該熱電偶的emf特性相匹配的效益。當一溫度差存在於每一熱電偶線被連接到它的各自的延長線之該等接點之間時，即使在每一溫度，該延長線對與該熱電偶emf完全地匹配，該等誤差的其中一個，及本發明的主題出現。

參見第2圖，讓：T _{(PX 至P )} ≠T _{(NX 至N )}

第3圖是關於正的(P)及負的(N)熱電偶線P及N與相對應的延長線P_X 及N_X 的emf對溫度的一圖¹ 。下面的關係可應用在該等延長線的操作範圍內的任何溫度T：熱電偶輸出＝延長對輸出；E _P －E _N ＝E _PX －E _NX

重新整理；E _P －E _PX ＝E _N －E _NX

¹ 見ASTM Pub.470B,1981,第34頁“Manual on the Use of Thermocouples in Temperature Measurement” 。

如果一溫度差存在於該兩個接點之間(其中，P在T_P 處連結P_X 及N在T_N 處連結N_X )，即T _P ≠T _N ，則一不需要的emf將以一量值存在於該兩個接點兩端；△E ＝(E _P －E _PX )T _P －(E _N －E _NX )T _N △E ＝(E _P －E _PX )T _P －(E _P －E _PX )T _N

不管該誤差是否導致一正的或負的偏差，當T _P ≠T _N 時，△E 的符號將視T _P ≠T _N 的量值及P_X 及N_X 對P及N的emf關係而定。

對於自T _P ≠T _N 而產生的誤差而言，存在商業熱電偶組合所固有的幾個原因。在具有與熱電偶之貴重導線的長度相比不成比例的長延長線的熱電偶組合中，其中T _P ≠T _N ，一增加的誤差可能性已經被觀察到。此情況在鉑為基的貴金屬熱電偶系統中是很常見的，其中，由於相比於該等延長線的成本，鉑為基的金屬的高成本，該等貴重的熱電偶的長度被保持盡可能地短。

在T _P ≠T _N 且其中該延長線與該貴金屬熱電偶線在直徑上存在不同之熱電偶組合中，誤差上的一進一步增加已經被觀察到。這在例如英國專利第719026號案、美國專利第2,993,944號案、美國專利第2,999,121號案及美國專利第3,298,874號案中所描述的類型的可配置熱電偶裝置中是相當明顯的。

在T _P ≠T _N 且其中在該等延長線材料的導體(其等是在提供用以瞬間連接或切斷該熱電偶電路的部分之裝置的溫度電路的中間)之間的實體線的直徑上存在不同之熱電偶 組合中，誤差上的一進一步增加已經被觀察到。美國專利第4,229,230號案揭露了一連接組件中的此種不對稱的一範例。

除了前面提及的emf影響外，溫度量測中的關於在熱電偶電路中使用延長線的誤差的另一個來源是由於該P_X 及N_X 延長線中之自較高溫度的中間接點到較低溫度的參考接點的熱流上的一差。在該正接點及負接點之間的熱傳導率不是無限的那些情況下，該熱流上的差引起該正的與負的中間接點之間的一溫度差。對穩態一維熱傳導定律的一簡要概述將有助於解釋本發明所克服的困難。

當在諸如一延長線之一本體內存在一溫度梯度時，熱能將從高溫區域流向低溫區域。此現象被稱為傳導熱傳遞，且以傅利葉定律來描述。對於一維的熱流： 其中，熱通量q(瓦/平方公尺)視一已給定的溫度分佈T而定，且熱傳導係數k(瓦/公尺－克耳文)是垂直於傳遞方向的每單位面積的熱傳遞率。負號是指示熱流沿著該溫度梯度向下流的一約定。

如果以瓦所量測的該熱流穿過一已定義的橫截面積A，則該方程式變為：

穿過一材料厚度△x對該熱流方程式求積分得到，

其中，T₁ 及T₂ 是該本體的兩個邊界的溫度。

隨著對熱傳導的理解，可以看到該等延長線的熱傳導率上的差如何可以導致實際的溫度誤差。

例如，大多數貴金屬熱電偶系統利用一銅及銅－鎳延長線對以在該等中間接點處將具有一量測接點的該貴金屬熱電偶連接到具有參考接點的該量測儀器。該等中間接點及該等參考接點處的結構每一個被設計以維持該正接點及負接點處於實質上相同的溫度。然而，因為該正中間接點與該負中間接點必須被電氣隔離，所以該等接點之間的熱傳導率是有限的，且因而該正接點及負接點不可能被維持在確切相同的溫度。

國家及國際標準組織對於該延長線所指定的用以延長一貴金屬熱電偶之正熱電偶的銅線的熱傳導係數k在68℉時大約為390W/m－K；及用以延長負引線的銅－鎳延長線的熱傳導係數k在68℉時大約是85W/m－K。若輸入到該兩個延長線臂中的每一個的較熱端的熱被保持在相同的值，且每一導線的線橫截面積是完全相同的，則由於較多的傳導熱損失向下傳向該導線的較冷端(參考接點)，具有較高熱傳導率的該導線的較熱端經過一段時間將處於與具有較低傳導率的該導線相比較低的一溫度。相對應地，由於較多的熱流向該較高傳導率的延長線的較冷端，該較冷端將處於與該較低傳導率的延長線的較冷端相比稍微高的一溫度。該影響由通常被設置在周圍且使每一導線與周遭的環境熱交換分離且促進電氣隔離的熱絕緣及電氣絕緣複合而成。隨 著在該等導線的該較熱端的持續的熱輸入，沿著每一分離的導線的熱端及冷端之間的該延長線之該溫度梯度將變得越來越不同，導致溫度量測中的較大誤差，如利用第3圖所解釋。

該等延長線中的該熱流是該導線的熱傳導係數及線規的一函數。因此，各自的延長線中的該熱流可藉由為該等導線的該線規、該等導線的該熱傳導係數或兩者選擇特定的值來控制。實際上，在貴金屬熱電偶系統的實例中，僅僅減小該銅延長線的線規及增加該銅－鎳延長線的直徑(習知地，該等延長線與該等貴金屬熱電偶一起使用足以使該等延長線路徑中的熱流均等)已經被發現是不可實施的，因為該較細的銅線容易遭受破損，及/或較大線規的一銅－鎳合金線的不可接受的高成本。因此，期望為該等延長線選擇替代材料，使得它們的傳導係數將提供一熱均等，而處於線規及熱電特性的可接受的範圍內。

現在參見第4圖，這是一已知的熱電偶系統10的一範例，該熱電偶系統10包含包括具有一量測接點16及正的及負的熱電偶引線14a、14b之一貴金屬熱電偶14的一感測器12、包括參考接點26a、26b的一量測儀器28，及將該感測器12連接到該量測儀器28的延長線24a、24b。該感測器12還包括冷接點18a、18b及連接器接點22a、22b。連接線20a、20b將該正的及負的熱電偶引線14a、14b連接到連接器接點22a、22b。該等延長線24a、24b將該等連接線20a、20b連接到該等參考接點26a、26b。

在第4圖的該已知的熱電偶系統10中，該連接線20a及連接到該熱電偶14的該正引線14a的該延長線24a習知地由在68℉時具有大約390W/m－K的一標稱熱傳導係數的銅(Cu)製成。連接到該熱電偶14的該負引線14b的該連接線20b及該延長線24b由在68℉時具有85W/m－K的標稱熱傳導係數的一銅－鎳合金(CuNi)製成。因為理想地，20b及24b的材料具有相同的熱電特性，且20a及24a的材料具有相同的熱電特性，所以該熱電偶系統與在接點18b與26b之間，及同樣地18a與26a之間，具有一單一導體的一系統之量測所得相等。然而，在該已知的系統中，如以上所討論，由於該等各自的延長/連接線的熱傳導率及輻射上的固有差異，穿過該正的連接/延長線20a、24a朝向該參考接點26a的熱流不同於穿過該負的連接/延長線20b、24b朝向該參考接點26b的熱流。熱流上的差可能導致由於出現在該等接點18a、18b的一差分emf的一量測誤差。

現在參見第5a圖，顯示的是本發明之具有不同於24a的一正延長線段24a’的一第一較佳實施例，且除了如特定描述的以外，其在所有其他方面都與第4圖的該已知的系統完全相同。在該第一較佳實施例中，用於該延長線24a’的較佳的材料是在68℉時具有155W/m－K的一標稱熱係數的銅及錳的一合金(CuMn)，隨著溫度從32℉變化到400℉，其可在145到190W/m－K之間變化。較佳地，在該延長線24a’中錳的百分比為1%＋/－0.35%。在該第一較佳實施例中，該等延長線24a’、24b的熱傳導率及/或線規被特意選擇，使得自 各該冷接點18a、18b朝向該等參考接點26a、26b的方向的熱流被控制，從而使得自該接點18a朝向該參考接點26a的方向的熱流及自該接點18b朝向該參考接點26b的方向的熱流能夠使該等各自的熱流之量相差小於一預定的量，且較佳地在數量上實質上相等。

參見第5b圖，顯示的是本發明之具有不同於20a的一正的連接線20a’的一第二較佳實施例，且除了如特定描述的以外，其在所有其他方面都與第4圖的該已知的系統完全相同。在該第二較佳實施例中，利用較低的熱傳導的一連接線20a’作為一熱斷路。在該第二較佳實施例中，用於該連接線20a’的較佳材料是具有155W/m－K的一標稱熱係數的銅及錳的一合金(CuMn)，隨著溫度從32℉變到400℉，其可在140與190W/m－K之間變化。較佳地，在該連接線20a’中錳的百分比為1%＋/－0.35%。在該第二較佳實施例中，該等連接線20a’、20b的熱傳導率及/或線規被選擇，使得穿過該等連接線20a’、20b的自各該冷接點18a、18b朝向該等延長線24a、24b的方向傳導的熱流被控制，從而使得當該等Cu/CuNi延長線24a、24b被連接到該等參考接點26a、26b時，該熱流較佳地(但不一定)實質上相等。要注意，雖然該等連接線20a’、20b被顯示在該感測器12內，但它們可以在該感測器12的外部。

參見第5c圖，顯示的是本發明之具有一正連接線20a’及一正延長線24a’的一第三較佳實施例，且除了如特定描述的以外，其在所有其他方面都與第4圖的該已知的系統完 全相同。在該第三較佳實施例中，用於該連接線20a’及該延長線24a’的較佳材料是具有155W/m－K的一標稱熱係數的銅及錳的一合金，隨著溫度從32℉變到400℉，其可在145與190W/m－K之間變化。較佳地，在該連接線20a’及該延長線24a’中錳的百分比為1%＋/－0.35%。在該第三較佳實施例中，完全相同的金屬被連接在該等連接線20a’、20b及該等各自的延長線24a’、24b之間的接點處。在該第三較佳實施例中，該等連接線20a’、20b及該等延長線24a’、24b的熱傳導率及/或線規被特意選擇，使得自各該冷接點18a、18b朝向該等參考接點26a、26b方向的熱流被控制，從而使得自該接點18a朝向該參考接點26a的方向的熱流及自該接點18b朝向該參考接點26b的方向的熱流能夠使該等各自的熱流之量相差小於一預定的量，且較佳地在數量上實質上相等。因為該熱流可藉由調整該連接線20a’及該延長線24a’中的一個或兩個來控制，所以在選擇該等導線的線規上的較大靈活性可被實現。

本發明不限於利用貴金屬熱電偶及由一CuNi合金製成的一負延長線的熱電偶系統。用在該等較佳實施例中的該CuMn合金同樣地可應用於習知的正延長線是純銅之任何熱電偶系統。此等熱電偶系統包括(但不限於)利用B、K及T類型熱電偶以及R及S型熱電偶的那些系統。而且，藉由選擇該等延長線的一組合物而使該等延長線中的該熱流均等的概念可應用於任何類型的熱電偶系統，且不限於用於該等延長線的材料的任何特定選擇。

理想地，為了徹底地消除該誤差來源，穿過該等各自的延長線之自該冷接點流到該量測接點的熱流應該是相等的。然而，該技藝中具有通常知識者將理解，不必使該熱流完全均等以獲得誤差上的一明顯減小，尤其，在使用相同的熱電偶感測器進行連續的量測的情況下。而且，儘管本發明的經濟優勢尤其可應用於利用一貴金屬感測器的可配置溫度感測器，但使該等導線中之自一中間接點到該參考接點的熱流均等的概念同樣地可應用於由於穿過該等延長線的不相等的熱流而引起的誤差導致該溫度量測的誤差之任何熱電偶系統。

將被該技藝中具有通常知識者理解的是，在不背離其廣泛的發明概念的情況下，對以上所描述的該等實施例的變化可被做出。因而，要理解的是，本發明不限於所揭露的該等特定實施例，但意欲涵蓋如後附申請專利範圍所定義的本發明之精神及範圍內的修改。

10‧‧‧熱電偶系統

12‧‧‧感測器

14‧‧‧貴金屬熱電偶

14a‧‧‧正引線

14b‧‧‧負引線

16‧‧‧量測接點

18a－18b‧‧‧冷接點

20a－20b‧‧‧連接線

20a’‧‧‧正連接線

22a－22b‧‧‧連接器接點

24a－24b‧‧‧延長線

24a’‧‧‧正延長線段/延長線

26a－26b‧‧‧參考接點

28‧‧‧量測儀器

第1圖是熱電偶A、B及C的一示意圖；第2圖是一熱電偶電路的一示意圖；第3圖是一熱電偶電路之一emf對溫度圖；第4圖是一已知的溫度感測器的一圖式；第5a圖是本發明之第一實施例的一圖式；第5b圖是本發明之第二實施例的一圖式；及第5c圖是本發明之第三實施例的一圖式。

10‧‧‧熱電偶系統

12‧‧‧感測器

14‧‧‧貴金屬熱電偶

14a‧‧‧正引線

14b‧‧‧負引線

16‧‧‧量測接點

18a－18b‧‧‧冷接點

20a－20b‧‧‧連接線

22a－22b‧‧‧連接器接點

24a’‧‧‧正延長線段/延長線

24b‧‧‧延長線

26a－26b‧‧‧參考接點

28‧‧‧量測儀器

Claims (9)

1. 一種熱電偶系統，其包含：具有一正引線及一負引線的一R型或一S型熱電偶；一負導線，其被電氣連接到該R型或S型熱電偶的該負引線；及實質上由0.65%到1.35%的錳而剩餘部分為銅構成的一正導線，該正導線被電氣連接到該R型或S型熱電偶的該正引線。
2. 如請求項1所述之熱電偶系統，其中，該正導線直接連接到該熱電偶的該正引線。
3. 如請求項1所述之熱電偶系統，其中，該熱電偶包括在具有一連接器的一感測器中，且該正導線經由該連接器連接到該熱電偶的該正引線。
4. 一種用於與一鉑/鉑-銠熱電偶系統一起使用的正熱電偶連接/延長線組合物，該熱電偶系統包含具有正及負引線的一熱電偶與連接到該正引線之一正熱電偶連接/延長線，其中，該熱電偶的該正引線是從由鉑-10%銠及鉑-13%銠組成的群組中選擇的一鉑-銠合金，以及其中該正熱電偶連接/延長線組合物按重量百分比而言實質上由0.65-1.35的錳及剩餘部分為銅構成。
5. 如請求項4所述之正熱電偶連接/延長線組合物，其中該組合物在32℉-400℉的溫度範圍具有145-190W/m-K間的一熱傳導率。
6. 如請求項4所述之正熱電偶連接/延長線組合物，其中該鉑/鉑-銠熱電偶系統進一步包含連接到該熱電偶的該負引線之一負銅-鎳熱電偶連接/延長線。
7. 一種用於一鉑/鉑-銠熱電偶系統中作為一正熱電偶連接/延長線之正熱電偶連接/延長線組合物，該熱電偶系統包含具有正及負引線的一熱電偶與連接到該正引線之一正連接/延長線，其中，該熱電偶的該正引線是從由鉑-10%銠及鉑-13%銠組成的群組中選擇的一鉑-銠合金，以及其中該正熱電偶連接/延長線組合物在32℉-400℉的溫度範圍具有100-250W/m-K之間的一熱傳導率。
8. 如請求項7所述之正熱電偶連接/延長線組合物，其中，該組合物按重量百分比為：錳0.65-1.35及剩餘部分為銅。
9. 如請求項7所述之正熱電偶連接/延長線組合物，其中該鉑/鉑-銠熱電偶系統進一步包含連接到該熱電偶的該負引線之一負延長線，以及其中，該負引線係鉑且該負延長線基本上包括0.5~1.5%的鎳、0.25~0.40%的錳以及剩餘部分為銅。