熱電偶, 溫度感測器之一

溫度感測器應用廣泛，種類繁多, 但主要常見類型是: 熱電偶 (PT100/PT1000), 熱電堆, 熱敏電阻, 電阻溫度探測器, 和 IC 溫度感測器. IC溫度感測器包括兩種類型: 類比輸出感測器和數位輸出感測器. 根據溫度感測器的材料和電子元件特性, 他們分為兩類: 熱電阻和熱電偶. 熱電偶已成為以合理的精度經濟高效地測量各種溫度的行業標準方法. 它們可用於溫度高達約 +2500°C 的鍋爐中的各種應用, 熱水器, 烤箱, 和飛機發動機——僅舉幾例.

鉑銠熱電偶型 耐高溫 1600 度剛玉管

PT100溫度感測器針式探頭熱電偶

3-帶屏蔽電纜的 PT100 鉑電阻熱電偶線

(1) 熱電偶的基本定義
熱電偶是工業中最常用的溫度檢測元件之一. 熱電偶的工作原理是基於塞貝克效應, 這是兩種不同成分的導體兩端連接形成環路的物理現象. 如果兩個連接端的溫度不同, 迴路中產生熱電流.

作為工業溫度測量中應用最廣泛的溫度感測器之一, 熱電偶, 與鉑熱電阻一起, 佔 60% 溫度感測器總數. 熱電偶通常與顯示儀表配合使用，直接測量液體的表面溫度, 蒸氣, 氣體介質和固體在以下範圍內 -40 在各種生產過程中可達到 1800°C. 優點包括測量精度高, 測量範圍寬, 結構簡單，使用方便.

(2) 熱電偶測溫基本原理
熱電偶是一種可以直接測量溫度並將其轉換成熱電勢訊號的溫度感測元件. 透過電氣儀表將訊號轉換成被測介質的溫度. 熱電偶的工作原理是兩個不同成分的導體形成一個閉環. 當存在溫度梯度時, 電流將通過迴路並產生熱電勢, 這就是塞貝克效應. 熱電偶的兩個導體稱為熱電偶, 一端為工作端 (更高的溫度) 另一端是自由端 (通常在恆定溫度下). 根據熱電位與溫度的關係, 製作熱電偶刻度. 不同的熱電偶有不同的刻度.

當第三種金屬材料連接到熱電偶迴路時, 只要材料的兩個接觸點的溫度相同, 熱電偶產生的熱電位將保持不變，不會受到第三種金屬的影響. 所以, 測量熱電偶溫度時, 可連接測量儀器，透過測量熱電位來確定被測介質的溫度. 將熱電偶將導體或半導體 A 和 B 焊接成閉環.

熱電偶將不同材料的兩個導體或半導體A和B焊接在一起形成一個閉環, 如圖所示.

當兩個附著點之間存在溫差時 1 和 2 導體 A 和 B, 兩者之間產生電動勢, 從而在迴路中形成一定大小的電流. 這種現象稱為熱電效應. 熱電偶就是利用這種效應來運作的.

不同成分的兩根導體 (稱為熱電偶線或熱電極) 兩端連接形成環路. 當結點溫度不同時, 迴路中產生電動勢. 這種現象稱為熱電效應, 這個電動勢稱為熱電勢. 熱電偶就是利用這個原理來測量溫度的. 他們之中, 直接用於測量介質溫度的一端稱為工作端 (也稱為測量端), 另一端稱為冷端 (也稱為補償端); 冷端連接顯示儀表或配套儀表, 顯示儀表將顯示熱電偶產生的熱電位.

熱電偶是能量轉換器，將熱能轉換為電能，並透過測量產生的熱電位來測量溫度. 研究熱電偶的熱電位時, 需要注意以下問題:
1) 熱電偶的熱電位是熱電偶兩端溫差的函數, 不是熱電偶兩端的溫差.
2) 熱電偶產生的熱電勢的大小與熱電偶的長度和直徑無關, 但僅與熱電偶材料的成分和兩端的溫差有關, 前提是熱電偶材料均勻.
3) 確定熱電偶兩根熱電偶線的材料成分後, 熱電偶熱電位的大小僅與熱電偶的溫差有關. 如果熱電偶冷端溫度保持恆定, 熱電偶的熱電位只是工作端溫度的單值函數.
常用的熱電偶材料有:
(3) 熱電偶的類型和結構
類型
熱電偶可分為兩類: 標準熱電偶和非標準熱電偶. 所謂標準熱電偶是指國家標準規定了其熱電位與溫度關係的熱電偶, 允許誤差, 並有統一的標準尺度. 有配套顯示儀表可供選擇. 非標準化熱電偶在使用範圍或數量級上均不如標準化熱電偶, 並且一般沒有統一的尺度. 主要用於某些特殊場合的測量.

熱電偶的基本結構:
用於工業溫度測量的熱電偶基本結構包括熱電偶絲, 絕緣管, 保護管及接線盒, ETC.

常用熱電偶線及其特性:
A. 鉑銠10鉑熱電偶 (畢業編號為S, 也稱為單鉑銠熱電偶). 此熱電偶的正極是鉑銠合金，其中含有 10% 銠, 負極為純鉑;

特徵:
(1) 熱電性能穩定, 抗氧化能力強, 適合在氧化氣氛中連續使用, 長期使用溫度可達1300℃, 當超過1400℃時, 即使在空氣中, 純鉑絲會再結晶, 使顆粒粗碎;
(2) 高精度. 它是所有熱電偶中精度最高的等級，通常用作標準或測量更高的溫度;
(3) 使用範圍廣, 良好的一致性和互換性;
(4) 主要缺點是: 小溫差電位, 這麼低的靈敏度; 價格昂貴, 機械強度低, 不適合在還原氣氛或金屬蒸氣條件下使用.

乙. 鉑銠13鉑熱電偶 (分度號為R, 也稱為單鉑銠熱電偶) 此熱電偶的正極是鉑銠合金，其中含有 13%, 負極為純鉑. 與S型相比, 其潛在利率約為 15% 更高. 其他屬性幾乎一樣. 此類熱電偶在日本工業中使用最多的是高溫熱電偶, 但在中國使用較少;

C. 鉑銠30-鉑銠 6 熱電偶 (分割區編號B, 又稱雙鉑銠熱電偶) 此熱電偶的正極是鉑銠合金，其中含有 30% 銠, 負極為含鉑銠合金 6% 銠. 室溫下, 它的熱電位很小, 所以測量時一般不使用補償線, 冷端溫度變化的影響可忽略. 長期使用溫度1600℃, 短期使用溫度1800℃. 因為熱電位很小, 需要更高靈敏度的顯示儀表.

B 型熱電偶適用於氧化或中性氣氛, 也可在真空氣氛下短期使用. 即使在還原性氣氛中, 它的生命是 10 到 20 B型的倍. 次. 由於其電極採用鉑銠合金製成, 不具備鉑銠鉑熱電偶負極的全部缺點. 高溫下大結晶傾向小, 並且具有更大的機械強度. 同時, 因為它對雜質的吸收或銠的遷移影響較小, 長期使用後其熱電勢變化不嚴重. 缺點是價格貴 (相對於單一鉑銠).

D. 鎳鉻鎳矽 (鎳鋁) 熱電偶 (分級編號為K) 此熱電偶的正極是鎳鉻合金，其中含有 10% 鉻, 負極為含鎳矽合金 3% 矽 (一些國家產品的負極是純鎳). 可測量0-1300℃介質溫度，適合在氧化性和惰性氣體中連續使用. 短期使用溫度1200℃, 長期使用溫度1000℃. 其熱電位為 溫度關係近似線性, 價格便宜, 是目前應用最廣泛的熱電偶.

K型熱電偶是一種賤金屬熱電偶，具有很強的抗氧化能力. 不適合裸線在真空中使用, 含硫, 含碳大氣, 和氧化還原交替氣氛. 當氧分壓較低時, 鎳鉻電極中的鉻會優先被氧化, 引起熱電勢的較大變化, 但金屬氣體對其影響不大. 所以, 經常使用金屬保護管.

附黃色公插頭 彈簧熱電偶 K 型

帶有不銹鋼探頭的K型溫度感測器

K型不銹鋼WRN-K系列熱電偶溫度感測器

K型熱電偶的缺點:
(1) 熱電位的高溫穩定性比N型熱電偶和貴金屬熱電偶差. 在較高溫度下 (例如, 超過1000°C), 它經常被氧化損壞.
(2) 在250-500℃範圍內短期熱循環穩定性較差, 那是, 在同一溫度點, 加熱和冷卻過程中熱電勢讀數不同, 差異可達2-3°C.
(3) 負極在150-200°C範圍內發生磁轉變, 導致室溫至230℃範圍內的分度值與分度表有偏差. 尤其, 在磁場中使用時, 常出現與時間無關的熱電位幹擾.
(4) 長時間暴露在高通量介質系統照射下時, 錳等元素 (錳) 和鈷 (鈷) 在負極發生轉變, 使其穩定性較差, 導致熱電位發生較大變化.

乙. 鎳鉻矽鎳矽熱電偶 (氮) 此熱電偶的主要特點是: 控溫能力強，1300℃以下抗氧化能力強, 良好的長期穩定性和短期熱循環再現性, 良好的抗核輻射和低溫性能. 另外, 400-1300℃範圍內, N型熱電偶的熱電特性線性度優於K型. 然而, 低溫範圍內非線性誤差較大 (-200-400℃), 而且材質堅硬，加工難度高.

乙. 銅-銅-鎳熱電偶 (時間) T型熱電偶, 此熱電偶的正極是純銅, 負極為銅鎳合金 (也稱為康銅). 其主要特點是: 賤金屬熱電偶中, 具有熱電極最高的精度和良好的均勻性. 其工作溫度為-200～350℃. 因為銅熱電偶容易氧化，氧化膜容易脫落, 在氧化氣氛中使用時一般不允許超過300℃, 且在-200～300℃範圍內. 他們相對敏感. 銅-康銅熱電偶的另一個特點是價格便宜, 它們是幾種常用標準化產品中最便宜的.

F. 鐵康銅熱電偶 (分級編號為J)
J型熱電偶, 此熱電偶的正極是純鐵, 負極為康銅 (銅鎳合金), 其特點是價格便宜. 適用於真空氧化的還原性或惰性氣氛, 溫度範圍-200～800℃. 然而, 常用溫度僅500℃以下, 因為超過這個溫度後, 鐵熱電偶的氧化速度加快. 如果使用粗線徑, 高溫下仍可使用，壽命更長. 此熱電偶耐氫腐蝕 (氫2) 和一氧化碳 (一氧化碳) 氣體, 但不能在高溫下使用 (例如. 500℃) 硫 (S) 氣氛.

G. 鎳鉻銅鎳 (康銅) 熱電偶 (部門代碼 E)
E型熱電偶是一種相對較新的產品, 正極為鎳鉻合金，負極為銅鎳合金 (康銅). 其最大的特徵是在常用的熱電偶中, 其熱電勢最大, 那是, 它的靈敏度是最高的. 雖然它的應用範圍沒有K型那麼廣, 常在需要高靈敏度的條件下選用, 低導熱率, 和允許大電阻. 使用限制與K型相同, 但在高濕度大氣中對腐蝕較不敏感.

除了上述之外 8 常用熱電偶, 還有鎢錸熱電偶, 鉑銠熱電偶, 銥-鍺熱電偶, 鉑鉬熱電偶, 和非金屬材料熱電偶作為非標準化熱電偶. 下表列出了常用熱電偶的材料規格和線徑與使用溫度的關係:

熱電偶分級號線徑 (毫米) 長期 短期
SΦ0.513001600
RF0.513001600
BΦ0.516001800
KΦ1.28001000

(4) 熱電偶冷端溫度補償
為了節省熱電偶材料成本, 尤其是在使用貴金屬時, 通常使用補償線來延長冷端 (自由端) 將熱電偶連接到溫度相對穩定的控制室並連接至儀表端子. 需要明確的是，熱電偶補償導線的作用僅限於延長熱電偶，將熱電偶的冷端移動到控制室的儀表端子上. 本身不能消除冷端溫度變化對測溫的影響，不能起到補償作用.

絕緣管

熱電偶的工作端牢固地焊接在一起, 熱電偶需要用絕緣管保護. 絕緣管有多種材質可供選擇, 主要分為有機絕緣及無機絕緣. 對於高溫端, 絕緣管必須選用無機材料. 一般來說, 1000℃以下可選用黏土保溫管, 1300℃以下可選用高鋁管, 1600℃以下可選用剛玉管.

保護管

保護管的作用是防止熱電偶電極直接接觸被測介質. 其作用不僅可以延長熱電偶的使用壽命, 也提供支撐固定熱電極、增強其強度的功能. 所以, 熱電偶保護管和絕緣材料的正確選擇對於熱電偶的使用壽命和測量精度至關重要. 保護管的材質主要分為兩類: 金屬和非金屬.

概括:
熱電偶是工業溫度測量中常用的感測器, 其特點是精度高, 經濟性和適用溫度範圍廣. 它透過測量熱端和冷端之間的溫差來測量.

為了獲得熱端感測點的溫度, 需要測量冷端溫度並相應調整熱電偶的輸出. 通常, 冷端透過一片高導熱率材料保持與熱電偶訊號處理單元輸入相同的溫度. 銅是一種理想的導熱材料 (381瓦/米克). 輸入連接需要電氣隔離，以防止熱電偶訊號幹擾晶片上的熱傳導. 整個訊號處理單元最好處於該等溫環境中.

熱電偶的訊號範圍通常在微伏特/℃水平. 熱電偶訊號處理單元對電磁幹擾非常敏感 (電磁幹擾), 且熱電偶線經常受到EMI幹擾. EMI 增加了接收訊號的不確定性並損害了所擷取溫度資料的準確性. 另外, 連接所需的專用熱電偶電纜也很昂貴, 如果不仔細更換其他類型的電纜, 這可能會導致分析困難.

由於 EMI 與線路長度成正比, 最小化干擾的通常選擇是將控制電路放置在靠近感測點的位置, 添加靠近感測點的遠端板, 或使用複雜的訊號過濾和電纜屏蔽. 更優雅的解決方案是將靠近感測點的熱電偶輸出數位化.

(5) 熱電偶製程生產流程
熱電偶生產過程控制包括以下內容:
1) 線材檢查: 檢查幾何尺寸和熱電位.
2) 補償線檢查: 檢查幾何尺寸和熱電位.
3) 準備並檢查塑膠插座等組件, 鋁蓋, 耐火基地, 紙管和小紙管.
4) 熱端焊接: 透過P控製圖驗證焊點合格率和長度合格率.
5) 線材退火: 包括初級退火 (鹼洗、酸洗後退火) 和二次退火 (通過U型管後退火), 控制退火溫度和時間.
6) 過程檢驗: 包括極性判斷, 迴路電阻和外觀品質以及幾何尺寸檢查.
7) 冷端焊接: 控制焊接電壓, 檢查焊點形狀和球形尺寸.
8) 組裝及澆注: 按要求組裝, 包括控制熱端位置和補償線距離. 澆注要求包括水泥製備, 烘烤溫度和時間, 和絕緣電阻測量.
9) 最終檢查: 檢查幾何形狀, 迴路電阻, 正負極性及絕緣電阻.

(6) 熱電偶感測器的應用
熱電偶是透過將兩種不同的導體連接在一起而形成的. 當測量接點和參考點處於不同溫度時, 所謂的熱電磁力 (電磁場) 已生成. 接點用途 測量接點是熱電偶接點中處於測量溫度的部分.

參比端起到維持已知溫度或自動補償熱電偶溫度變化的作用. 在傳統工業應用中, 熱電偶元件通常連接到連接器, 而參考端則透過適當的熱電偶延長線連接到溫度相對穩定的受控環境. 結點類型可以是殼連接熱電偶結點或絕緣熱電偶結點.

外殼連接的熱電偶結點透過物理連接連接到探頭壁 (焊接), 熱量透過探頭壁從外部傳遞到結點，實現良好的傳熱. 此類型接頭適用於測量靜態或流動的腐蝕性氣體和液體的溫度, 以及一些高壓應用.

絕緣熱電偶的接點與探頭壁分離並被軟粉末包圍. 儘管絕緣熱電偶的響應速度比帶殼熱電偶慢, 它們提供電氣隔離. 建議使用絕緣熱電偶在腐蝕性環境中進行測量, 其中熱電偶透過護套屏蔽與周圍環境完全電氣隔離.

裸露端子熱電偶允許結點頂部穿透周圍環境. 這種類型的熱電偶提供最佳的反應時間, 但僅適用於非腐蝕性, 無危險, 和非加壓應用. 反應時間可以用時間常數來表示, 定義為感測器變化所需的時間 63.2% 受控環境中從初始值到最終值. 外露端子熱電偶響應速度最快, 且探頭護套直徑越小, 反應速度越快, 但最高允許測量溫度越低.

延長線熱電偶使用延長線將參考端從熱電偶轉移到另一端的電線, 通常位於受控環境中，具有與熱電偶相同的溫度-電磁頻率特性. 正確連接時, 延長線將參考連接點傳送到受控環境.