CN116782736B - 一种可调整热电势的热电偶及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及热电偶制造领域，尤其是涉及一种可调整热电势的热电偶及其制造方法，制造方法包括如下步骤：热电极半成品的制作，将热电偶材料进行熔炼、锻造、拉拔制成电偶丝半成品；热电极热电势测量，对每根电偶丝各个温度点的热电势值进行测量，并进行记录；配对筛选，对完成测量的电偶丝进行配对，挑选出符合要求的电偶丝；热电极的合并处理，将至少两根电偶丝相同极性的热电极进行合并，从而形成单个热电极；对合并后新的热电极正、负级进行焊接，形成热电偶，本申请改善了目前热电偶的测温精度不高、热电偶在不同温度点测温线性差等问题，能够达到提高热电偶测温精度的效果。
Description
技术领域
本申请涉及热电偶制造领域，尤其是涉及一种可调整热电势的热电偶及其制造方法。
背景技术
热电偶作为工业测温中最广泛使用的温度之一，该温度基于热电效应制成，它与金属的材质及化学成份关系密切，不同分度的热电偶使用的正负极材质及成份均有不同。
但热电偶的制造涉及到合金的熔炼和铸造、压锻、热加工、热处理和拉丝等过程，整个制造工艺过程中任何一个步骤不合理操作都可能导致最终获得的电偶丝赛贝克系数沿电偶丝的长度方向不一致，即电偶丝是不均匀的。电偶丝的横截面不均匀会导致热电偶进行温度测量时的误差不同，导致最终的测温误差较大，难以应用在测温误差要求很高的医学、航天等领域。
目前，现有的热电偶在制作时，通常是通过先将热电偶材料熔炼，然后对其进行锻造、拉拔等加工，从而形成半成品，接着对半成品进行退火，从而使热电偶中的金属材料晶体趋近稳定，再对热电偶原材料进行测试，并筛选出合适的原材料进行绞合，从而形成热电偶单极。但是在半成品退火之后，后道工序的加工可能会引起热电偶中的金属材料发生形变，从而导致热电极的电势出现变化，从而导致热电偶测温的精度不高。
发明内容
为了能够提高电偶丝测温的精度，本申请提供一种可调整热电势的热电偶及其制造方法。
本申请提供一种可调整热电势的热电偶及其制造方法，采用如下技术方案：
一种可调整热电势的热电偶及其制造方法，包括如下步骤：
热电极半成品的制作，将热电偶材料进行熔炼、锻造、拉拔从而制成电偶丝半成品；
热电极热电势测量，根据热电偶参考电极定律，对每根电偶丝的热电势值进行测量，并进行记录；
配对筛选，对完成测量的电偶丝进行配对，挑选出符合要求的电偶丝，使得电偶丝单个正、负极组合后的热电势值转换为温度值后，并将各个温度值相加之和达到预定值；
热电极的合并处理，将至少两根电偶丝相同极性的热电极进行合并，从而形成一个单个热电极；
材料退火热处理，对合并后形成的单个热电极进行退火热处理，从而得到热电偶的热电极正极或者负极；
制成热电偶。
通过采用上述技术方案，先对电偶丝材料进行选型，选用未退火的材料，并制成半成品，然后再对整体材料进行退火，从而减少了电偶材料先退火时，会在后续工序中产生形变，从而导致热电极电势出现变化的情况，从而便于提高热电极电势的稳定性,并通过对电偶丝的数量进行筛选,从而使电偶丝的热电势值相加之和达到预定值,以便于使热电偶能够适应不同的温度环境,从而便于提高热电偶测量温度的精度。
在一个具体的可实施方案中，所述配对筛选步骤中，所述预定值的范围为±0.1℃。
在一个具体的可实施方案中，所述热电极的合并处理的步骤中，将至少两根电偶丝的正极与正极以绞合的方式加工，将至少两根电偶丝的负极与负极以绞合的方式进行加工，形成单个热电极。
在一个具体的可实施方案中，所述热电极的合并处理的步骤中，将至少两根电偶丝的正极与正极以叠加组合的方式加工，将至少两根电偶丝的负极与负极以叠加组合的方式进行加工，形成单个热电极。
在一个具体的可实施方案中，所述热电极的合并处理的步骤中，向加工后的热电极的正极与负极之间加入绝缘介质层。
在一个具体的可实施方案中，所述绝缘介质层为有机塑料。
通过采用上述技术方案，使用有机塑料作为绝缘层，便于保持绝缘层良好的绝缘效果。
在一个具体的可实施方案中，所述绝缘介质层为无机材料。
通过采用上述技术方案，使用无机塑料作为绝缘层，便于保持绝缘层良好的绝缘效果。
在一个具体的可实施方案中，所述材料退火热处理步骤中，对退火处理后的热电极成品的正极和负极进行焊接和测试，形成满足预定需求的产品。
通过采用上述技术方案，对退火后的热电极的正极和负极进行焊接和测试，并筛选合格的成品，从而便于保持热电极的良品率。
本申请还提供一种热电偶，由上述的可调整热电势的热电偶制造方法制造而成，所述热电偶包括测量端，正极端和负极端。
在一个具体的可实施方案中，所述热电偶的热电极中具有至少两个的电偶丝，所述电偶丝相互绞合设置或平行叠加设置。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益效果：
通过使用本申请的方法制造的热电偶，解决了热电极不均质导体制作的热电偶对测温偏差大的影响，大幅提高了产品对温度精确的测量。
通过使用本申请的方法制造的热电偶，改善了目前热电偶在不同温度点线性偏差大的问题，提高热电偶从低温到高温各个温度点的线性偏差。
本申请通过改变连接的正极电偶丝和负极电偶丝的数量和精度，方便对热电偶的测量精度进行控制，方便热电偶适应不同的使用环境，提高热电偶在不同温度点热电势线性指标。
附图说明
图1是本申请可调整热电势的热电偶制造方法的流程图。
图2是本申请实施例中单个热电极为绞合式的热电偶结构示意图。
图3图2中单个热电极的截面结构示意图。
图4是本申请实施例中单个热电极为叠合式的热电偶结构示意图。
图5图4中单个热电极的截面结构示意图。
图6是本申请实施例中K型热电偶的精度偏差随温度变化的趋势图。
图7是本申请实施例中N型热电偶的精度偏差随温度变化的趋势图。
实施方式
以下结合附图对本申请作进一步详细说明。
目前国内热电偶产品生产技术水平，可以批量生产且最好精度为国际通用标准IEC60584中的一级精度要求，随着科学进步以及航空热处理高速的发展，常规国际热电偶测温传感器精度已经无法满足航空热处理的要求，因此美国宇航局以及波音飞机提出了更高的热电偶精度测量的要求以及产品均匀性的要求。随着各项技术指标的提高，产品实现难度也更难实现。
在热电偶均质导体理论中有提到，热电偶在由同一种均质材料（导体或半导体）两端焊接组成闭合回路，回路中产生的热电势只与电偶丝的材料本身和两端温度有关，而与电偶丝的直径、长度及具体的温度分布无关，因此长期以来均质导体一直是热电偶对温度进行精确测量的主要困扰，虽然欧美发达国家拥有先进的冶金工业，这也只能减少热电偶材料在冶金过程中不均质导体对制作后的热电偶产品后对温度测量精度的影响，因此高精度的热电偶材料获取与制作一直困扰着该行业领域。
自从热电偶产生以来，在长期的实践中对热电偶回路中的热电势、电阻和电流等电学性能所做的大量实验和测定结果。目前使用的热电偶测温理论都没有考虑热电偶不均匀性的影响，默认热电偶丝材是均匀的，即赛贝克系数沿丝材长度方向是一致的。但热电偶的制造涉及到合金的熔炼、铸造、压锻、热加工、热处理和拉丝等过程，整个制造工艺过程中任何一个步骤操作的瑕疵，都可能导致最终的电偶丝的赛贝克系数沿电偶丝的长度方向不一致。当赛贝克系数出现不一致时，热电偶传感器的测量偏差会在标准偏差两侧分散分布，也就是热电偶传感器的测量偏差在一个温度点高于标准偏差，使得测量得到的温度高于标准偏差下的温度，在另一个温度点时，测量的温度低于标准偏差下的温度，即热电偶的测量偏差线性较差。
因此即使相同材料成分配方以及相同冶炼生产工艺，也很难做出热电势一致的热电极材料，而这些热电极材料产生的热电势也是没有一定规律，最终导致在热电偶成品制作时形成了满足不同精度等级的热电偶单极热电极材料。
为了解决热电偶材料成分的差异以及热电极材料不均匀，带来不同生产批次热电偶之间精度偏差，实现高精度热电偶的制作,本申请实施例公开一种可调整热电势的热电偶制造方法，在原来理论基础上提出了一种新的解决思路，通过试验验证，该方法可行并有效，主要提高热电偶各个温度点测温精度以及减小热电偶在各温度点测温的线性偏差，在温度测量过程中以实现精确测温，包括如下步骤：
参照图1,热电极半成品的制作，将热电偶材料进行锻造、拉拔从而制成电偶丝，电偶丝和热电偶均具有正极或负极的热电极，电偶丝为热电偶的热电极半成品。
热电极热电势测量，根据热电偶参考电极定律，对每根电偶丝的热电势值进行测量，并进行记录。
配对筛选，对完成测量的电偶丝进行配对，挑选出至少两根符合要求的电偶丝，使得电偶丝单个正、负极组合后的热电势值转换为温度值后，并将各个温度值相加之和达到预定值,通常,预定值的范围设置为±0.1℃，参照国际通用标准IEC60584-1，不同热电偶在每个温度点都有对应的热电势值，将热电势值转换为温度值属于现有技术中的公知常识，这里不再展开赘述。参照国家、行业标准方法或规定，根据标准电极定律对每根电偶丝进行热电势测试，筛选出满足国家标准需求的配对热电偶正负电极，此时热电偶精度可能满足国际通用标准IEC60584的国标1级或是国标2级或是国标3级。
对上述筛选配对后的电偶丝进行分别标识，并对每个电偶丝各个温度段对应测量精度和热电势的数据进行统计，并对这些数据进行排列组合进行配对计算，可以由多个热电偶热电势的方式进行计算，其方法为组合后多个热电偶在对应温度点电势之和与标准温度点之间的偏差即为该温度点的偏差值，也可以从需要筛选的热电偶精度偏差值进行计算，其方法为在相同温度点，不同热电偶精度偏差值之和为该温度点的偏差值。
热电极的合并处理，将至少两根电偶丝相同极性的热电极进行合并，从而得到热电偶中所需的电势调整后的单个热电极。在合并时，将筛选配对后的多个电偶丝，根据其热电极，将其正极与正极以绞合或叠加组合的方式进行加工，将负极与负极以绞合或叠加组合的方式进行加工。
材料退火热处理，对合并形成的单个热电极进行退火热处理，从而得到热电偶的热电极正极或者负极。
单个热电极具有正极和负极，将退火处理后的单个热电极正极与另一个单个热电极负极连接，形成热电偶的测量端，则该单个热电极为热电偶的热电极负极，另一个单个热电极为热电偶的热电极正极。
将加工后热电偶的热电极正极与热电极负极之间加入绝缘介质层，产品在使用温度范围为0摄氏度至300摄氏度时，绝缘介质层可以是有机塑料，如PVC、PE、铁氟龙等耐高温材料，产品在使用温度范围为0摄氏度至1200摄氏度时，绝缘介质层可以是无机材料，如氧化铝、氧化镁等耐高温材料。
再参照图2和图3，通过上述制造方法制成的热电偶中，测量端10A通过一个单个热电极11正极与另一个单个热电极11负极连接而成，则该单个热电极11为热电偶的热电极负极，另一个单个热电极11为热电偶的热电极正极，热电极正极和热电极负极的电偶丝101A之间均为相互绞合方式合并而成，热电极正极和热电极负极的截面轮廓均大致呈圆形，绝缘介质层20套在热电极正极或热电极负极外周，避免热电偶的热电极正极与热电极负极接触。
再参照图4和图5，通过上述制造方法制成的热电偶中，测量端10B通过一个单个热电极11正极与另一个单个热电极11负极连接而成，则该单个热电极11为热电偶的热电极负极，另一个单个热电极11为热电偶的热电极正极，热电极正极或热电极负极的电偶丝101B之间均为相互叠合方式合并而成，电偶丝101B为扁平状，绝缘介质层20位于热电极正极和热电极负极之间，实现热电偶热电极正极和热电极负极的极性隔断，该热电偶为薄膜热电偶。
以下采用K型热电偶进行举例说明。
K型热电偶的电偶丝材料成分参考镍硌-镍硅热电偶材料要求，正极电偶丝由相同材料成分的镍硌加工，由不同加工批次制造而成，负极电偶丝由相同材料成分的镍硅加工，由不同加工批次制造而成，通过热电偶参考电极定律对正极电偶丝和负极电偶丝进行热电势测量，首先筛选配对出满足国际通用标准IEC60584中的一级精度的热电偶的电偶丝七根，即热电偶在0℃～375℃的温度范围内进行测量时，测量误差满足±1.5℃；在375℃～1200℃时，测量误差满足0.004×︱t︱（t为标准温度）。配对后的七组热电偶产品在不同温度点精度偏差数据见表1所示。然后根据产品精度需求把七根电偶丝的正极合并在一起，把七根电偶丝的负极合并在一起，合成后的热电偶精度偏差值见表1中K型8号热电偶所示，从测试数据可以看出，七根热电极里面每一根产品测温精度以及热电偶的线性都不理想，通过对热电极正极、负极合并后，新组合成的热电偶，无论是产品精度还是各个温度点测温线性都得到了大幅提升，相对之前单组热电偶各温度点的精度偏差有更大范围的缩小，热电偶从低温段到高温段，热电偶精度偏差具有更好的线性值，大幅提升了产品的测试可靠性以及准确性。可以通过不同热电极的精度搭配，选用不同批次的热电偶极进行组合，实现热电偶在任意温度段对产品精度可调控制的目的，实现高精度温度测量的目的。
如表1和图6所示，K型8号热电偶对应每100℃精度偏差值，为，对应K型1、K型2号、K型3号、K型4号、K型5号、K型6号、K型7号在每100℃时精度偏差值总和的平均值。
表1K型热电偶测试数据
参照图6，图中横坐标为用于测试热电偶的温度,纵坐标为热电偶的精度偏差。如图6所示，国标1级的热电偶从400摄氏度开始，随着温度的升高精度偏差呈递增趋势。美国波音标准下的热电偶在温度达到538摄氏度以后，精度偏差突然增大至国标1级的精度偏差水准，并随着温度的升高，呈递增趋势。K型热电偶在0摄氏度至1200摄氏度之间的精度偏差范围为-0.04至0.77。
而常规的热电偶的示值误差通常在美国波音标准和国表1级标准之间。
验证结果如表1、图6内数据所示，产品各个温度点测温精度、以及各温度点测温线性得到较大的提升。
以下采用N型热电偶进行说明。
N型热电偶的电偶丝材料成分参考镍铬硅—镍硅镁热电偶材料要求，电偶丝由相同材料成分的镍硅镁加工而成，由不同加工批次制造而成，通过热电偶参考电极定律对电偶丝正极和电偶丝负极进行热电势测量，首先筛选配对出满足国际通用标准IEC60584中的一级精度的热电偶的电偶丝三根，即，热电偶在0℃～300℃的温度范围内进行测量时，测量误差满足±1.5℃。配对后的三组热电偶产品在不同温度点精度偏差数据见表2所示。然后根据产品精度需求把三根电偶丝的正极合并在一起，把三根电偶丝的负极合并在一起，合成后的热电偶精度偏差值见表2所示。
表2 N型热电偶测试数据
参照图7，图中横坐标为用于测试热电偶的温度,纵坐标为热电偶的精度偏差。如图7所示，国标1级的热电偶在0摄氏度至300摄氏度之间的精度偏差为±1.5。美国波音标准下的热电偶在0摄氏度至300摄氏度之间的精度偏差为±1.1。N型热电偶在0摄氏度至300摄氏度之间的精度偏差范围为-0.11至0.11。常规的热电偶的示值误差通常在美国波音标准和国表1级标准之间。
从表2和图7内的数据可以看出，在相同温度点（N1的热电势值+N2的热电势值+N3热电势值）÷3=N4热电势值，也可以从热电偶示值误差△t可以看出（△tN1+△tN2+△tN3）÷3=△tN4。
从测试数据可以看出，相对之前单根热电偶各温度点的精度偏差有更大范围的缩小，热电偶从低温段到高温段，热电偶精度偏差具有更好的线性值，大幅提升了产品的测试可靠性以及准确性。通过此方法产品设计开发人员可以通过不同正极电偶丝和负极电偶丝的精度搭配，选用不同批次的热电偶极进行组合，实现热电偶在任意温度段对产品精度可调控制的目的，实现高精度温度测量为目的。
热电偶精度最主要是依靠原材料成分，目前世界各个国家在热电偶精度提高都是基于对于原材料成分的调整而改变热电偶的电动势，以实现高精度热电偶测量为目的，而本申请可以使用现有热电偶生产制造加工的成熟技术，通过对热电极合并组合的技术，弥补了热电偶在制造过程材料不均匀、晶体结构不稳定等因素对热电势的影响。
以上为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化均应涵盖于本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种可调整热电势的热电偶制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
热电极半成品的制作，将热电偶材料进行熔炼、锻造、拉拔从而制成电偶丝，电偶丝为热电极半成品；
热电极热电势测量，根据热电偶参考电极定律，对每根电偶丝的热电势值进行测量，并进行记录；
配对筛选，对完成测量的电偶丝进行配对，挑选出符合要求的电偶丝，使得电偶丝单个正、负极组合后的热电势值转换为温度值后，并将各个温度值相加之和达到预定值；
热电极的合并处理，将至少两根电偶丝相同极性的热电极进行合并，从而形成一个单个热电极；
材料退火热处理，对合并后形成的单个热电极进行退火热处理，从而得到热电偶的热电极正极或者负极；
制成热电偶。
2.根据权利要求1所述的一种可调整热电势的热电偶制造方法，其特征在于：所述配对筛选步骤中，所述预定值的范围为±0.1℃。
3.根据权利要求1所述的一种可调整热电势的热电偶制造方法，其特征在于：所述热电极的合并处理的步骤中，将至少两根电偶丝的正极与正极以绞合的方式加工，将至少两根电偶丝的负极与负极以绞合的方式进行加工，形成单个热电极。
4.根据权利要求1所述的一种可调整热电势的热电偶制造方法，其特征在于：所述热电极的合并处理的步骤中，将至少两根电偶丝的正极与正极以叠加组合的方式加工，将至少两根电偶丝的负极与负极以叠加组合的方式进行加工，形成单个热电极。
5.根据权利要求1所述的一种可调整热电势的热电偶制造方法，其特征在于：所述热电极的合并处理的步骤中，向加工后的热电极的正极与负极之间加入绝缘介质层。
6.根据权利要求5所述的一种可调整热电势的热电偶制造方法，其特征在于：所述绝缘介质层为有机塑料。
7.根据权利要求5所述的一种可调整热电势的热电偶制造方法，其特征在于：所述绝缘介质层为无机材料。
8.根据权利要求1所述的一种可调整热电势的热电偶制造方法，其特征在于：所述材料退火热处理步骤中，对退火处理后的热电极成品的正极和负极进行焊接和测试，形成满足预定需求的产品。
9.一种热电偶，其特征在于：由根据权利要求1-8任一项所述的可调整热电势的热电偶制造方法制造而成，所述热电偶包括测量端、正极端和负极端。
10.根据权利要求9所述的热电偶，其特征在于：所述热电偶的热电极中具有至少两个的电偶丝，所述电偶丝相互绞合设置或平行叠加设置。
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