控温元件

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编者按:在工农业生产和技术革新中,常常要遇到温度控制问题。控温方法和元件种类很多,这里仅介绍几种常用的控温元件,供读者们在技术革新中参考。

自动控温有许多种形式和方法,它们的温度控制范围、控制方法都不一样。因此,在实际工作中,必须根据不同的温度范围,控温要求和控制对象,选择适当的测温元件、控制方法和执行机构,才能满足生产过程或科学实验中的各项要求。我们在这里概括地介绍几种常用的控温元件。

一、水银接点式温度控制器 它是温度控制器中最简单的一种,是从水银温度计的基础上发展起来的。恒温槽、恒温液以及简单的室内恒温控制中均采用,其结构如图1。

图1
图1 🔍原图 (221×668)

当水银柱随周围介质的温度变化而上升或下降,与作为可调接触点的白金丝接触时,利用水银的导电性,使引出的两个电极处于短路状态。这样,通过外接的电子继电器完成控制目的。

使用水银接点温度控制器时,必须注意其接触部位的电流值。接点经常断开或接通,如果电流较大,会使接点产生火花,引起内部气体膨胀或污染水银,以致温度指示值不准或水银柱中断,甚至白金触点表面污损而接触不可靠。因而使用这种温度控制器时,接触点电流应该小,电压应该低,且不应该有感应负载(不应用它来构成电磁继电器绕组的通路),最好把它用在由电子管或半导体管构成的电子继电器的输入电路中。

水银接点式温度控制器适用于流体(气体、液体)或固体介质中,但这些介质不应引起玻璃外壳的化学反应,或冲击玻璃外壳。测温范围一般在200℃以下,它的精度约为0.5℃。

二、液(气)体膨胀式温度控制器 这种温度控制器是从温泡式温度计发展的,其结构如图2。由于它的测量元件和控制、指示部分可以分开,感温部分和控制部分可以离的远一些,又因为测量元件是金属制的,可承受较弱的机械冲击,这种温度控制器多用在恒温槽以及橡胶、塑料等工业中。

图2
图2 🔍原图 (329×449)

温泡内充有一定量的膨胀系数较大且稳定的气体或液体。指示及控制部分为波登管式压力表。在指示指针上装有银质或铂合金的接触点。在设定的控制指针上也装有这种接触点。当温泡的温度随周围介质的温度升高时,温泡内部的气体或气化了的液体将随之膨胀,而使波登管推动指示指针向高值偏转,当指示指针与设定指针重合时,即构成电极的电气连通;当介质温度降低时,接点就自动断开,从而达到自动控制的目的。

为了使接点在长期工作中,能够可靠地通、断,应该采用电子继电器作外电路。

由于温泡、传导软管、仪表传导系数的热膨胀不一样,所以这种温度控制器的精度不高,约在0.5℃—1.5℃之间。

三、双金属片接点式控制器 双金属片接点式也是简单温度控制器之一,广泛应用在恒温箱中。其结构如图3。

图3
图3 🔍原图 (200×334)

两种膨胀系数悬殊的金属片焊接在一起,当周围介质温度改变时,金属片弯曲,致使接点断开或闭合。

四、热膨胀接点式温度控制器 这种温度控制器在原理上与双金属片接点式的极为相似,其结构如图4。当介质温度升高时,大膨胀系数的材料(黄铜、玻璃等)伸长,而小膨胀系数的材料(因钢等)的伸长较小,甚至极微。利用两种材料的膨胀系数的不同来启闭接点。

图4
图4 🔍原图 (296×358)

五、热电偶温度控制器 两种不同的导体的一端相互连接在一起,并处于被测介质中,当被测介质的温度与两导体的常温的一端有温差时,在两导体的常温端之间,即产生电动势(见图5),该电动势的大小与温差有一定的关系。这就是热电偶的原理。由于热电偶能测高温,热电偶温度控制器多用在淬火、冶金、化学反应等高温控制。

图5
图5 🔍原图 (314×222)

根据控制形式不同,热电偶温度控制器可分机械式、振荡器式、光电式、放大器式等许多种。我们在这里主要谈一谈振荡器式和光电式。其中应用较普遍的是毫伏计配用适当振荡电路的振荡器式控温器。广泛应用在低于1000℃的热处理、化学反应、绝缘处理、胶木压制等方面。其控制误差约在±20℃左右。其原理如下(参看图6)。

图6
图6 🔍原图 (589×331)

在测量热偶电动势的毫伏计指针中部装有用金属制成的控制叶片。当指针偏转到某控温的设定点时,控制叶片即进入振荡回路的线圈隙中,从而改变该回路的参数(电感),使连接在振荡电路中的继电器动作,去控制相关电路。

毫伏计配用光电元件(即光电式的)时,亦能获得相同的效果。其原理如图7。

图7
图7 🔍原图 (537×295)

当带有控制叶片的指针进入控温设定点时,将遮断超小型电珠投射至光电管的光束,使光电管去控制电子继电器的电路,从而达到控温目的。

六、热电阻元件温度控制器 热电阻是由电阻温度系数较大的电阻材料制成的。当被测介质的温度改变时,其电阻值亦作相应的改变,通过适当的测量或电子电路即能达到自动指示及控制的目的。在-200℃~+500℃的范围内,热电阻是一般工业及实验室中的最可靠的测温元件。它不像水银接点式温度控制器那样容易破碎,并且惰性也小,反应速度较快。在负温度及室温一段范围里,比上述几种测量元件有足够的准确度,所以它的应用范围较广,如低温回火、化工、制药、绝缘处理、露点测定及室温的自动控制等方面都有应用。

七、光电元件式温度控制器 当被测温度高于600℃时,热辐射波长已在可见光区域,因而可以用光电元件(光电管、光敏电阻、光电池等)来作较高温的温度控制器。由于光电元件的测温范围较宽,且属于非接触式测量,多用在高速加热或淬火等方面。

光电元件式温度控制器的原理是:当被测对象的温度变化时,热辐射的光度也随之变化,通过空气或其它介质的传导,使光电元件的参数随之改变,随后经过适当的电子线路来驱动继电器,可逆电机、磁放大器等来进行控制。

光电元件式温度控制器的精密度约为±10℃,如采取周密设计的控制电路,在高温(1200~1800℃)作不接触测量时,其控制精度可达±0.5℃。以上所讲的是一般工业生产用的温度控制器的测温元件的简单介绍。实际上还有许多种测温元件,这里介绍的仅仅是技术革新者或业余爱好者能够遇到的一些测温元件。(上海市长宁区科协供稿)