热电偶, 温度传感器之一

温度传感器应用广泛，种类繁多, 但主要常见的类型是: 热电偶 (PT100/PT1000), 热电堆, 热敏电阻, 电阻温度探测器, 和 IC 温度传感器. IC温度传感器包括两种类型: 模拟输出传感器和数字输出传感器. 根据温度传感器的材料和电子元件特性, 他们分为两类: 热电阻和热电偶. 热电偶已成为以合理的精度经济高效地测量各种温度的行业标准方法. 它们可用于温度高达约 +2500°C 的锅炉中的各种应用, 热水器, 烤箱, 和飞机发动机——仅举几例.

铂铑热电偶型 耐高温 1600 度刚玉管

PT100温度传感器针式探头热电偶

3-带屏蔽电缆的 PT100 铂电阻热电偶线

(1) 热电偶的基本定义
热电偶是工业中最常用的温度检测元件之一. 热电偶的工作原理基于塞贝克效应, 这是两种不同成分的导体两端连接形成环路的物理现象. 如果两个连接端的温度不同, 回路中产生热电流.

作为工业温度测量中应用最广泛的温度传感器之一, 热电偶, 与铂热电阻一起, 占约 60% 温度传感器总数. 热电偶通常与显示仪表配合使用，直接测量液体的表面温度, 蒸气, 气体介质和固体在以下范围内 -40 在各种生产过程中可达到 1800°C. 优点包括测量精度高, 测量范围宽, 结构简单，使用方便.

(2) 热电偶测温基本原理
热电偶是一种可以直接测量温度并将其转换成热电势信号的温度传感元件. 通过电工仪表将信号转换成被测介质的温度. 热电偶的工作原理是两个不同成分的导体形成一个闭环. 当存在温度梯度时, 电流将通过回路并产生热电势, 这就是塞贝克效应. 热电偶的两个导体称为热电偶, 一端为工作端 (更高的温度) 另一端是自由端 (通常在恒定温度下). 根据热电势与温度的关系, 制作热电偶刻度. 不同的热电偶有不同的刻度.

当第三种金属材料连接到热电偶回路时, 只要材料的两个接触点的温度相同, 热电偶产生的热电势将保持不变，不会受到第三种金属的影响. 所以, 测量热电偶温度时, 可连接测量仪器，通过测量热电势来确定被测介质的温度. 将热电偶将导体或半导体 A 和 B 焊接成闭环.

热电偶将不同材料的两个导体或半导体A和B焊接在一起形成闭环, 如图所示.

当两个附着点之间存在温差时 1 和 2 导体 A 和 B, 两者之间产生电动势, 从而在回路中形成一定大小的电流. 这种现象称为热电效应. 热电偶就是利用这种效应来工作的.

不同成分的两根导体 (称为热电偶线或热电极) 两端连接形成环路. 当结点温度不同时, 回路中产生电动势. 这种现象称为热电效应, 这个电动势称为热电势. 热电偶就是利用这个原理来测量温度的. 他们之中, 直接用于测量介质温度的一端称为工作端 (也称为测量端), 另一端称为冷端 (也称为补偿端); 冷端连接显示仪表或配套仪表, 显示仪表将显示热电偶产生的热电势.

热电偶是能量转换器，将热能转换为电能，并通过测量产生的热电势来测量温度. 研究热电偶的热电势时, 需要注意以下问题:
1) 热电偶的热电势是热电偶两端温差的函数, 不是热电偶两端的温差.
2) 热电偶产生的热电势的大小与热电偶的长度和直径无关, 但仅与热电偶材料的成分和两端的温差有关, 前提是热电偶材料均匀.
3) 确定热电偶两根热电偶线的材料成分后, 热电偶热电势的大小仅与热电偶的温差有关. 如果热电偶冷端温度保持恒定, 热电偶的热电势只是工作端温度的单值函数.
常用的热电偶材料有:
(3) 热电偶的类型和结构
类型
热电偶可分为两类: 标准热电偶和非标准热电偶. 所谓标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度关系的热电偶, 允许误差, 并有统一的标准尺度. 有配套显示仪表可供选择. 非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不如标准化热电偶, 并且一般没有统一的尺度. 主要用于某些特殊场合的测量.

热电偶的基本结构:
用于工业温度测量的热电偶基本结构包括热电偶丝, 绝缘管, 保护管及接线盒, ETC.

常用热电偶线及其特性:
A. 铂铑10铂热电偶 (毕业编号为S, 也称为单铂铑热电偶). 该热电偶的正极是铂铑合金，其中含有 10% 铑, 负极为纯铂;

特征:
(1) 热电性能稳定, 抗氧化能力强, 适合在氧化气氛中连续使用, 长期使用温度可达1300℃, 当超过1400℃时, 即使在空气中, 纯铂丝会再结晶, 使颗粒粗碎;
(2) 高精度. 它是所有热电偶中精度最高的等级，通常用作标准或测量更高的温度;
(3) 使用范围广, 良好的一致性和互换性;
(4) 主要缺点是: 小温差电势, 这么低的灵敏度; 价格昂贵, 机械强度低, 不适合在还原气氛或金属蒸气条件下使用.

乙. 铂铑13铂热电偶 (分度号为R, 也称为单铂铑热电偶) 该热电偶的正极是铂铑合金，其中含有 13%, 负极为纯铂. 与S型相比, 其潜在利率约为 15% 更高. 其他属性几乎一样. 此类热电偶在日本工业中使用最多的是高温热电偶, 但在中国使用较少;

C. 铂铑30-铂铑 6 热电偶 (分区编号B, 又称双铂铑热电偶) 该热电偶的正极是铂铑合金，其中含有 30% 铑, 负极为含铂铑合金 6% 铑. 室温下, 它的热电势很小, 所以测量时一般不使用补偿线, 冷端温度变化的影响可以忽略. 长期使用温度1600℃, 短期使用温度1800℃. 因为热电势很小, 需要更高灵敏度的显示仪表.

B 型热电偶适用于氧化或中性气氛, 也可在真空气氛下短期使用. 即使在还原性气氛中, 它的生命是 10 到 20 B型的倍. 次. 由于其电极采用铂铑合金制成, 不具备铂铑铂热电偶负极的全部缺点. 高温下大结晶倾向小, 并且具有更大的机械强度. 同时, 因为它对杂质的吸收或铑的迁移影响较小, 长期使用后其热电势变化不严重. 缺点是价格贵 (相对于单一铂铑).

D. 镍铬镍硅 (镍铝) 热电偶 (分级编号为K) 该热电偶的正极是镍铬合金，其中含有 10% 铬, 负极为含镍硅合金 3% 硅 (一些国家产品的负极是纯镍). 可测量0-1300℃介质温度，适合在氧化性和惰性气体中连续使用. 短期使用温度1200℃, 长期使用温度1000℃. 其热电势为 温度关系近似线性, 价格便宜, 是目前应用最广泛的热电偶.

K型热电偶是一种贱金属热电偶，具有很强的抗氧化能力. 不适合裸线在真空中使用, 含硫, 含碳大气, 和氧化还原交替气氛. 当氧分压较低时, 镍铬电极中的铬会优先被氧化, 引起热电势的较大变化, 但金属气体对其影响不大. 所以, 经常使用金属保护管.

带黄色公插头 弹簧热电偶 K 型

带不锈钢探头的K型温度传感器

K型不锈钢WRN-K系列热电偶温度传感器

K型热电偶的缺点:
(1) 热电势的高温稳定性比N型热电偶和贵金属热电偶差. 在较高温度下 (例如, 超过1000°C), 它经常被氧化损坏.
(2) 在250-500℃范围内短期热循环稳定性较差, 那是, 在同一温度点, 加热和冷却过程中热电势读数不同, 差异可达2-3°C.
(3) 负极在150-200°C范围内发生磁转变, 导致室温至230℃范围内的分度值与分度表有偏差. 尤其, 当在磁场中使用时, 经常出现与时间无关的热电势干扰.
(4) 长时间暴露在高通量介质系统照射下时, 锰等元素 (锰) 和钴 (钴) 在负极发生转变, 使其稳定性较差, 导致热电势发生较大变化.

乙. 镍铬硅镍硅热电偶 (氮) 该热电偶的主要特点是: 控温能力强，1300℃以下抗氧化能力强, 良好的长期稳定性和短期热循环再现性, 良好的抗核辐射和低温性能. 此外, 400-1300℃范围内, N型热电偶的热电特性线性度优于K型. 然而, 低温范围内非线性误差较大 (-200-400℃), 而且材质坚硬，加工难度大.

乙. 铜-铜-镍热电偶 (时间) T型热电偶, 该热电偶的正极是纯铜, 负极为铜镍合金 (也称为康铜). 其主要特点是: 贱金属热电偶中, 具有热电极最高的精度和良好的均匀性. 其工作温度为-200～350℃. 因为铜热电偶容易氧化，氧化膜容易脱落, 在氧化气氛中使用时一般不允许超过300℃, 且在-200～300℃范围内. 他们相对敏感. 铜-康铜热电偶的另一个特点是价格便宜, 它们是几种常用标准化产品中最便宜的.

F. 铁康铜热电偶 (分级编号为J)
J型热电偶, 该热电偶的正极是纯铁, 负极为康铜 (铜镍合金), 其特点是价格便宜. 适用于真空氧化的还原性或惰性气氛, 温度范围-200～800℃. 然而, 常用温度仅500℃以下, 因为超过这个温度后, 铁热电偶的氧化速度加快. 如果使用粗线径, 高温下仍可使用，寿命更长. 该热电偶耐氢腐蚀 (氢2) 和一氧化碳 (一氧化碳) 气体, 但不能在高温下使用 (例如. 500℃) 硫 (S) 气氛.

G. 镍铬铜镍 (康铜) 热电偶 (部门代码 E)
E型热电偶是一种相对较新的产品, 正极为镍铬合金，负极为铜镍合金 (康铜). 其最大的特点是在常用的热电偶中, 其热电势最大, 那是, 它的灵敏度是最高的. 虽然它的应用范围没有K型那么广, 常在需要高灵敏度的条件下选用, 低导热率, 和允许大电阻. 使用限制与K型相同, 但在高湿度大气中对腐蚀不太敏感.

除了上述之外 8 常用热电偶, 还有钨铼热电偶, 铂铑热电偶, 铱-锗热电偶, 铂钼热电偶, 和非金属材料热电偶作为非标准化热电偶. 下表列出了常用热电偶的材料规格和线径与使用温度的关系:

热电偶分级号线径 (毫米) 长期 短期
SΦ0.513001600
RF0.513001600
BΦ0.516001800
KΦ1.28001000

(4) 热电偶冷端温度补偿
为了节省热电偶材料成本, 尤其是在使用贵金属时, 通常使用补偿线来延长冷端 (自由端) 将热电偶接入温度相对稳定的控制室并连接至仪表端子. 需要明确的是，热电偶补偿导线的作用仅限于延长热电偶，将热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上. 本身不能消除冷端温度变化对测温的影响，不能起到补偿作用.

绝缘管

热电偶的工作端牢固地焊接在一起, 热电偶需要用绝缘管保护. 绝缘管有多种材料可供选择, 主要分为有机绝缘和无机绝缘. 对于高温端, 绝缘管必须选用无机材料. 一般来说, 1000℃以下可选用粘土保温管, 1300℃以下可选用高铝管, 1600℃以下可选用刚玉管.

保护管

保护管的作用是防止热电偶电极直接接触被测介质. 其作用不仅可以延长热电偶的使用寿命, 还提供支撑固定热电极、增强其强度的功能. 所以, 热电偶保护管和绝缘材料的正确选择对热电偶的使用寿命和测量精度至关重要. 保护管的材质主要分为两类: 金属和非金属.

概括:
热电偶是工业温度测量中常用的传感器, 其特点是精度高, 经济性和适用温度范围广. 它通过测量热端和冷端之间的温差来测量.

为了获得热端传感点的温度, 需要测量冷端温度并相应调整热电偶的输出. 通常, 冷端通过一片高导热率材料保持与热电偶信号处理单元输入相同的温度. 铜是一种理想的导热材料 (381瓦/米克). 输入连接需要电气隔离，以防止热电偶信号干扰芯片上的热传导. 整个信号处理单元最好处于该等温环境中.

热电偶的信号范围通常在微伏/℃级别. 热电偶信号处理单元对电磁干扰非常敏感 (电磁干扰), 并且热电偶线经常受到EMI干扰. EMI 增加了接收信号的不确定性并损害了所采集温度数据的准确性. 此外, 连接所需的专用热电偶电缆也很昂贵, 如果不仔细更换其他类型的电缆, 这可能会导致分析困难.

由于 EMI 与线路长度成正比, 最小化干扰的通常选择是将控制电路放置在靠近传感点的位置, 添加靠近传感点的远程板, 或使用复杂的信号过滤和电缆屏蔽. 更优雅的解决方案是将靠近传感点的热电偶输出数字化.

(5) 热电偶工艺生产流程
热电偶生产过程控制包括以下内容:
1) 线材检查: 检查几何尺寸和热电势.
2) 补偿线检查: 检查几何尺寸和热电势.
3) 准备并检查塑料插座等组件, 铝盖, 耐火基地, 纸管和小纸管.
4) 热端焊接: 通过P控制图验证焊点合格率和长度合格率.
5) 线材退火: 包括初级退火 (碱洗、酸洗后退火) 和二次退火 (通过U型管后退火), 控制退火温度和时间.
6) 过程检验: 包括极性判断, 回路电阻和外观质量以及几何尺寸检查.
7) 冷端焊接: 控制焊接电压, 检查焊点形状和球形尺寸.
8) 组装及浇注: 按要求组装, 包括控制热端位置和补偿线距离. 浇注要求包括水泥制备, 烘烤温度和时间, 和绝缘电阻测量.
9) 最终检查: 检查几何形状, 环路电阻, 正负极性及绝缘电阻.

(6) 热电偶传感器的应用
热电偶是通过将两种不同的导体连接在一起形成的. 当测量接点和参比接点处于不同温度时, 所谓的热电磁力 (电磁场) 已生成. 接点用途 测量接点是热电偶接点中处于测量温度的部分.

参比端起到维持已知温度或自动补偿热电偶温度变化的作用. 在传统工业应用中, 热电偶元件通常连接到连接器, 而参比端通过适当的热电偶延长线连接到温度相对稳定的受控环境. 结点类型可以是壳连接热电偶结点或绝缘热电偶结点.

外壳连接的热电偶结点通过物理连接连接到探头壁 (焊接), 热量通过探头壁从外部传递到结点，实现良好的传热. 该类型接头适用于测量静态或流动的腐蚀性气体和液体的温度, 以及一些高压应用.

绝缘热电偶的接点与探头壁分离并被软粉末包围. 尽管绝缘热电偶的响应速度比带壳热电偶慢, 它们提供电气隔离. 建议使用绝缘热电偶在腐蚀性环境中进行测量, 其中热电偶通过护套屏蔽与周围环境完全电气隔离.

裸露端子热电偶允许结点顶部穿透周围环境. 这种类型的热电偶提供最佳的响应时间, 但仅适用于非腐蚀性, 无危险, 和非加压应用. 响应时间可以用时间常数来表示, 定义为传感器变化所需的时间 63.2% 受控环境中从初始值到最终值. 外露端子热电偶响应速度最快, 且探头护套直径越小, 响应速度越快, 但最高允许测量温度越低.

延长线热电偶使用延长线将参比端从热电偶转移到另一端的电线, 通常位于受控环境中，具有与热电偶相同的温度-电磁频率特性. 正确连接时, 延长线将参考连接点传输到受控环境.