关于热电偶的几个问题.docx
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关于热电偶的几个问题
一、关于热电偶的几个问题
1.热电偶的测量原理是什么？
热电偶工作原理是基于赛贝克（seeback）效应,即两种不同成分的导体两端连接成回路，如两连接端温度不同，则在回路内产生热电流的物理现象。
热电偶由两根不同导线（热电极）组成，它们的一端是互相焊接的，形成热电偶的测量端（也称工作端）。
将它插入待测温度的介质中；而热电偶的另一端（参比端或自由端）则与显示仪表相连。
如果热电偶的测量端与参比端存在温度差，则显示仪表将指出热电偶产生的热电动势。
2.热电阻的测量原理是什么？
热电阻是利用金属导体或半导体有温度变化时本身电阻也随着发生变化的特性来测量温度的，热电阻的受热部分（感温元件）是用细金属丝均匀地绕在绝缘材料作成的骨架上或通过激光溅射工艺在基片形成。
当被测介质有温度梯度时，则所测得的温度是感温元件所在范围内介质层的平均温度。
3.如何选择热电偶和热电阻？
根据测温范围选择：
500℃以上一般选择热电偶，500℃以下一般选择热电阻；
根据测量精度选择：
对精度要求较高选择热电阻，对精度要求不高选择热电偶；
根据测量范围选择：
热电偶所测量的一般指“点”温，热电阻所测量的一般指空间平均温度；
4.什么是铠装热电偶，有什么优点？
在IEC1515的标准中名称为《mineralinsulatedthermocouplecable》,即无机矿物绝缘热电电偶缆。
将热电极、绝缘物和护套通过整体拉制而形成的，外表面好像是被覆一层“铠装”，故称为铠装热电偶。
同一般装配式热电偶相比，具有耐压高、可弯曲性能好、抗氧化性能好及使用寿命长等优点。
5.热电偶的分度号有哪几种?
有何特点？
热电偶的分度号有主要有S、R、B、N、K、E、J、T等几种。
其中S、R、B属于贵金属热电偶，N、K、E、J、T属于廉金属热电偶。
S分度号的特点是抗氧化性能强，宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，长期使用温度1400℃，短期1600℃。
在所有热电偶中，S分度号的精确度等级最高，通常用作标准热电偶；
R分度号与S分度号相比除热电动势大15%左右，其它性能几乎完全相同；
B分度号在室温下热电动势极小，故在测量时一般不用补偿导线。
它的长期使用温度为1600℃，短期1800℃。
可在氧化性或中性气氛中使用，也可在真空条件下短期使用。
N分度号的特点是1300℃下高温抗氧化能力强，热电动势的长期稳定性及短期热循环的复现性好，耐核辐照及耐低温性能也好，可以部分代替S分度号热电偶；
K分度号的特点是抗氧化性能强，宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，长期使用温度1000℃，短期1200℃。
在所有热电偶中使用最广泛；
E分度号的特点是在常用热电偶中，其热电动势最大，即灵敏度最高。
宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，使用温度0-800℃；
J分度号的特点是既可用于氧化性气氛（使用温度上限750℃），也可用于还原性气氛（使用温度上限950℃），并且耐H2及CO气体腐蚀，多用于炼油及化工；
T分度号的特点是在所有廉金属热电偶中精确度等级最高，通常用来测量300℃以下的温度。
6.热电阻的引出线方式有几种？
都有什么影响？
热电阻的引出线方式有3种：
即2线制、3线制、4线制。
2线制热电阻配线简单，但要带进引线电阻的附加误差。
因此不适用制造A级精度的热电阻，且在使用时引线及导线都不宜过长。
3线制可以消除引线电阻的影响，测量精度高于2线制。
作为过程检测元件，其应用最广。
4线制不仅可以消除引线电阻的影响，而且在连接导线阻值相同时，还可以消除该电阻的影响。
在高精度测量时，要采用4线制。
7.N型热电偶与K型热电偶相比有哪些优缺点？
N型热电偶的优点：
-高温抗氧化能力强，长期稳定性强。
K型热电偶镍铬的正极中Cr、Si元素择优氧化引起合金成分不均匀及热电动势漂移等，在N型热电偶增加Cr、Si含量，使镍铬合金的氧化模式由内氧化转变为外氧化，致使氧化反应仅在表面进行；
-低温短期热循环稳定性好，且抑制了磁性转变；
-耐核辐射能力强。
N型热电偶取消了K型中的易蜕变元素Mn、Co，使抗中子辐照能力进一步加强；
-在400~1300℃范围内，N型热电偶的热电特性的线性比K型好。
N型热电偶的缺点：
-N型热电偶的材料比K型硬，较难加工；
-价格相对较贵。
N型热电偶的热膨胀系数要比不锈钢低15%，因此N型铠装热电偶的外套管应采用NiCrSi/NiSi合金；
-在-200~400℃范围内非线性误差较大。
8.如何选择合适的热安装套管?
热安装套管的形状主要依据介质的温度、压力、密度和流速及所需插入长度而定。
ASME/ANSIPTC19.3对此作了充分规定，采用套管强度分析软件可计算出套管设计是否符合工艺要求。
安装于现场的热套管需计算热套管的强度，影响护套管的强度主要有以下三点：
1.流动引起的振动；经过护套管的液体产生一定频率的旋涡，称为涡区频率，该频率与流速成正比。
如果这个频率和热套管的固有频率接近或一致，就会产生共振，使吸收大量的热能，从而产生很高的应力并有可能损坏热套管和套管内传感器。
ASME技术标准要求：
涡区频率和热套管固有频率的比率应小于0.8。
2.流动引起的应力；流体流动随着流速和密度而变化，并在热套管施加了力，这个流动引起的压力通过计算可以得出。
3.过程压力；热套管所能承受的最大静压可以计算得出。
一般热安装套管的连接方式有螺纹连接式、法兰连接式和焊接式三种。
9.如何选择合适的双金属温度计?
水平安装时，选择轴向或万向型双金属温度计；
垂直安装时，选择径向或万向型双金属温度计；
倾斜安装时，根据实际需要选择轴向、径向或万向型双金属温度计；
如需对测量点设置上下限报警控制时，可选择电接点双金属温度计
10.双金属温度计有什么优缺点？
双金属温度计的优点在于价格相对低廉、读数直观，缺点为测温范围较小、精度相对不高。
通常作为就地测量、显示仪表。
11.温度变送器有何特点？
温度变送器的特点是
-静态功耗低、安全可靠、不需维修、使用寿命长。
-体积较小，可与热电偶、热电阻融为一体，不仅安装方便，还可节省温变器安装费用。
-传输信号为4-20mA标准信号，不但抗干扰能力强，传输距离远，而且可节约价格较贵的补偿导线。
-可提供符合HART协议及FF、PROFBUS总线通讯协议形式。
12.压力式温度计测量原理是什么？
依据液体膨胀定律，即一定质量的液体，在体积不变的条件下，液体的压力与温度呈线形。
气体、蒸汽的压力与温度也是呈一定的函数关系，因此压力式温度计的标尺应均匀等分。
压力式温度计是由充有感温介质的温包、传压元件（毛细管）及压力敏感元件（弹簧管）组成。
13.红外线温度计测量原理是什么？
红外线测温计由光学系统，光电探测器，信号放大器及信号处理.显示输出等部分组成。
光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号，该信号再经换算转变为被测目标的温度值。
14.如何选择合适的补偿导线或电缆？
热电偶的补偿导线和电缆主要用于将热电偶的热电动势延长至二次仪表或控制室。
主要有延伸型和补偿型两种补偿导线，延伸型采用与热电极相同的材料，所以精度较高；补偿型采用与热电极的热电势特性相势的材料，所以精度没有延伸型高。
二、热电偶入门知识
尽管已经使用了80多年，但热电偶的选择及应用仍使很多用户感到困惑。
我们这里介绍一些有关热电偶的基本知识。
热电偶是两种不同的导体连接在一起形成的，当测量及参考连接点分别处于不同温度上时即产生出所谓的热电磁力（EMF）。
连接点用途
测量连接点是处于被测温度上的热电偶连接点部分。
参考连接点则是保持在一已知温度上，或温度变化能自动补偿的热电偶连接点部分。
注：
在常规工业应用中，热电偶元件一般端接在接头上；但参考连接点却很少位于接头上，而是利用适当的热电偶延伸线来转接到温度比较稳定的被控环境中。
连接点类型
接壳式热电偶连接点与探针壁物理连接（焊接），这能实现很好的热传输--即从外部通过探针壁将热量传至热电偶连接点。
建议用接壳式热电偶来测量静态或流动腐蚀性气体与液体的温度，以及一些高压应用。
在绝缘式热电偶中，热电偶连接点与探针壁分开并由一种软性粉末包围。
虽然绝缘式热电偶的响应速度比接壳式热电偶的响应速度要慢，但它能提供电绝缘。
建议使用绝缘式热电偶来测量腐蚀性环境，可理想地通过护套屏蔽来将热电偶与周围环境完全电绝缘。
露端式热电偶允许连接点顶端深入到周围环境中，这种类型可提供最佳的响应时间，但仅限于在非腐蚀、非危险及非加压应用中使用。
响应时间
响应时间以时间常数来表示，时间常数定义为传感器在被控环境中在初始值和最终值之间改变63.2％所需的时间。
露端式热电偶具有最快的响应速度，而且探针护套直径越小，则响应速度就越快，但其最大允许测量温度也就越低。
延伸线
热电偶延伸线是一对具有与其相连热电偶相同温度电磁频率特征的线。
当连接合适时，延伸线将参考连接点从热电偶转接至线的另一端，而这一端通常位于被控环境中。
选择热电偶
选择热电偶时需考虑下列因素：
●被测温度范围
●所需响应时间
●连接点类型
●热电偶或护套材料的抗化学腐蚀能力
●抗磨损或抗振动能力
●安装及限制要求等
三、热电偶的正确使用
正确使用热电偶不但可以准确得到温度的数值，保证产品合格，而且还可节省热电偶的材料消耗，既节省资金又能保证产品质量。
安装不正确，热导率和时间滞后等误差，它们是热电偶在使用中的主要误差。
1 安装不当引入的误差
如热电偶安装的位置及插入深度不能反映炉膛的真实温度等，换句话说，热电偶不应装在太靠近门和加热的地方，插入的深度至少应为保护管直径的8～10倍；热电偶的保护套管与壁间的间隔未填绝热物质致使炉内热溢出或冷空气侵入，因此热电偶保护管和炉壁孔之间的空隙应用耐火泥或石棉绳等绝热物质堵塞以免冷热空气对流而影响测温的准确性；热电偶冷端太靠近炉体使温度超过100℃；热电偶的安装应尽可能避开强磁场和强电场，所以不应把热电偶和动力电缆线装在同一根导管内以免引入干扰造成误差；热电偶不能安装在被测介质很少流动的区域内，当用热电偶测量管内气体温度时，必须使热电偶逆着流速方向安装，而且充分与气体接触。
2 绝缘变差而引入的误差
如热电偶绝缘了，保护管和拉线板污垢或盐渣过多致使热电偶极间与炉壁间绝缘不良，在高温下更为严重，这不仅会引起热电势的损耗而且还会引入干扰，由此引起的误差有时可达上XX。
3 热惰性引入的误差
由于热电偶的热惰性使仪表的指示值落后于被测温度的变化，在进行快速测量时这种影响尤为突出。
所以应尽可能采用热电极较细、保护管直径较小的热电偶。
测温环境许可时，甚至可将保护管取去。
由于存在测量滞后，用热电偶检测出的温度波动的振幅较炉温波动的振幅小。
测量滞后越大，热电偶波动的振幅就越小，与实际炉温的差别也就越大。
当用时间常数大的热电偶测温或控温时，仪表显示的温度虽然波动很小，但实际炉温的波动可能很大。
为了准确的测量温度，应当选择时间常数小的热电偶。
时间常数与传热系数成反比，与热电偶热端的直径、材料的密度及比热成正比，如要减小时间常数，除增加传热系数以外，最有效的办法是尽量减小热端的尺寸。
使用中，通常采用导热性能好的材料，管壁薄、内径小的保护套管。
在较精密的温度测量中，使用无保护套管的裸丝热电偶，但热电偶容易损坏，应及时校正及更换。
4 热阻误差
高温时，如保护管上有一层煤灰，尘埃附在上面，则热阻增加，阻碍热的传导，这时温度示值比被测温度的真值低。
因此，应保持热电偶保护管外部的清洁，以减小误差。
四、热电偶选型
■ 热电偶的选择
■ 安装时应注意的问题
■ 保护管的选择
热电偶选型
■ 补偿导线选择
■安装时应注意的问题
（1）正确使用补偿导线
所使用的补偿线或延伸线，在所补偿的温区内其热电势与热电偶的热电势要一致，正负极不能接反，更不能把异种补偿线接到所用的热电偶上，两个热电极的和补偿导线的接点之间不应存在温度差，否则将产生较大误差。
（2）防止沾污
热电偶丝受沾污后将影响分度值。
使热电势产生漂移，降低稳定性，一般认为沾污是热电偶示值不稳定的重要原因，偶丝材料往往受到环境或保护管中杂质的沾污，对于S型热电偶，如果所用陶瓷管中含有铁和硅油等杂质，铂铑丝受铁污染后，热电势将降低，由于硅的存在，硅将被还原成自由硅与铂铑化合成为硅化物，使偶丝发脆。
在安装时由于直接接触偶丝，偶丝表面会附上一层油膜，使偶丝受到污染。
（3）热电偶的退火
热电偶出厂时偶丝都要经过退火，但由于焊接、加工和装配仍残留应力和晶粒畸变，如果要求精度比较高时可进行退火，也可在使用温度下用1~2小时再进行测量比较好，正是由于上述原因，热电偶热电势检验前都需经过退火处理。
■保护管的选择
（1）保护管的种类
热电偶采用保护管有两种用途，一是防止机械损坏，二是防止各种有害介质的沾污和腐蚀，作保护管材料的很多，主要有：
a、铸铁套管，可使用到800℃。
b、碳钢套管，一般在氧化气氛中使用，可使用到700℃。
c、奥低体不锈钢套管，一般在氧化气氛中使用，也可使用在还原性气氛中，可使用到700℃；
d、铁素体不锈钢套管，可使用在950~1150℃的氧化气体中；
e、高镍合金、镍铬铁合金等套管，可在氧化气氛中使用到1150℃；
f、陶瓷套管，通常在超过金属套管的温度范围使用，如高铝管长期使用温度为1700℃，短期使用可到1800℃，石英管长期使用1100℃，短期使用到1200℃，高温陶瓷管长期使用温度为1300℃，短期使用到1400℃，氧化铍管长期使用温度为1700℃，短期可达2400℃，氧化钍可使用到2700℃。
g、碳化硅套管，可使用到1700℃，耐热震性好。
h、耐蚀合金套管，为适应化工、石油、石化工业特殊腐蚀介质测温需要，对抗腐蚀性好，机械强度高的合金保护管的要求日益迫切，为此我所将耐腐蚀仪表元件用合金材料成果应用于热电偶保护管，使三酸、氢氟酸、氯离子、强碱等介质测温成为可能，详见耐蚀合金材料学术报告。
I、金属陶瓷套管，是由金属和金属氧化物在一起或者单独由金属氧化物制造而成，组织致密、强度高、抗腐蚀。
可以在大部分气氛中使用，目前我所已进行二硅化钼套管的批量生产，被广泛用于化工部门。
（2）保护管的选择
补偿导线选择执行标准：
GB/T4989－94
热电偶分度号
补偿导线型号
代号
等级
绝缘层材料
及护套材料
使用温度范围
℃
S或R
SC或RC
SC-G
一般用普通级
V.V
V.V
0~70
0~100
SC-H
耐热用普通级
F.B
0~200
SC-GS
一般用普通级
V.V
V.V
0~70
0~100
K
KCA
KCA-G
一般用普通级
V.V
V.V
0~70
0~100
KCA-H
耐热用普通级
F.B
0~200
KCA-GS
一般用普通级
V.V
V.V
0~70
0~100
KCA-HS
耐热用精密级
F.B
0~200
KCB
KCB-G
一般用普通级
V.V
V.V
0~70
0~100
KCB-GS
一般用精密级
V.V
V.V
0~70
0~100
KX
KX-G
一般用普通级
V.V
V.V
热电阻与热电偶
一、温度测量的基本概念
温度是表征物体冷热程度的物理量。
温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。
它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。
目前国际上用得较多的温标有华氏温标、摄氏温标、热力学温标和国际实用温标。
华氏温标（oF）规定：
在标准大气压下，冰的熔点为32度，水的沸点为212度，中间划分180等分，每等分为华氏1度，符号为oF。
摄氏温度（℃）规定：
在标准大气压下，冰的熔点为0度，水的沸点为100度，中间划分100等分，每等分为摄氏1度，符号为℃。
热力学温标又称开尔文温标，或称绝对温标，它规定分子运动停止时的温度为绝对零度，记符号为K。
国际实用温标是一个国际协议性温标，它与热力学温标相接近，而且复现精度高，使用方便。
目前国际通用的温标是国际温标ITS-90。
国际温标（ITS-90）简介如下。
∙温度单位
热力学温度（符号为T）是基本功手物理量，它的单位为开尔文（符号为K），定义为水三相点的热力学温度的1/273.16。
由于以前的温标定义中，使用了与273.15K（冰点）的差值来表示温度，因此现在仍保留这各方法。
根据定义，摄氏度的大小等于开尔文，温差亦可以用摄氏度或开尔文来表示。
国际温标ITS-90同时定义国际开尔文温度（符号为T90）和国际摄氏温度（符号为t90）
∙国际温标ITS-90的通则
ITS-90由0.65K向上到普朗克辐射定律使用单色辐射实际可测量的最高温度。
ITS-90是这样制订的，即在全量程中，任何温度的T90值非常接近于温标采纳时T的最佳估计值，与直接测量热力学温度相比，T90的测量要方便得多，而且更为精密，并具有很高的复现性。
∙ITS-90的定义
第一温区为0.65K到5.00K之间,T90由3He和4He的蒸气压与温度的关系式来定义。
第二温区为3.0K到氖三相点（24.5661K）之间T90是用氦气体温度计来定义.
第三温区为平衡氢三相点（13.8033K）到银的凝固点（961.78℃）之间,T90是由铂电阻温度计来定义.它使用一组规定的定义固定点及利用规定的内插法来分度.
银凝固点（961.78℃）以上的温区,T90是按普朗克辐射定律来定义的,复现仪器为光学高温计.
二、温度测量仪表的分类
温度测量仪表按测温方式可分为接触式和非接触式两大类。
接触式测温仪表测温仪表比较简单、可靠，测量精度较高；但因测温元件与被测介质需要进行充分的热交换，需要一定的时间才能达到热平衡，所以存在测温的延迟现象，同时受耐高温材料的限制，不能应用于很高的温度测量。
非接触式仪表测温是通过热辐射原理来测量温度的，测温元件不需与被测介质接触，测温范围广，不受测温上限的限制，也不会破坏被测物体的温度场，反应速度一般也比较快；但受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水气等外界因素的影响，其测量误差较大。
三、热电偶和热电阻
在接触式温度测量仪表热电偶和热电阻是工业上最常用的温度检测元件。
（一）热电偶
1、热电偶特点是：
∙测量精度高。
因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。
∙测量范围广。
常用的热电偶从-50~+1600℃均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）。
∙构造简单，使用方便。
热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。
2、热电偶测量原理
热电偶是一种感温元件,它能将温度信号转换成热电势信号,通过电气测量仪表的配合,就能测量出被测的温度。
热电偶测温的基本原理是热电效应。
在由两种不同材料的导体A和B所组成的闭合回路中,当A和B的两个接点处于不同温度T和To时,在回路中就会产生热电势。
这就是所谓的塞贝克效应。
导体A和B称为热电极。
温度较高的一端（T〉叫工作端（通常焊接在一起）；温度较低的一端（To〉叫自由端（通常处于某个恒定的温度下〉。
根据热电势与温度函数关系。
可制成热电偶分度表。
分度表是在自由端温度To=00C的条件下得到的。
不同的热电偶具有不同的分度表。
在热电偶回路中接入第三种金属材料时,只要该材料两个接点的温度相同,热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。
因此,在热电偶测温时,可接入测量仪表,测得热电势后,即可知道被测介质的温度。
3、热电偶的种类及结构形成
（1）热电偶的种类
常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。
标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。
非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。
（2）热电偶的材料
从理论上讲,任何两种导体都可以配制成热电偶,但实际上并不是所有材料都能制作热电偶,故对热电极材料必须满足以下几点：
∙热电偶材料受温度作用后能产生较高的热电势,热电势和温度之间的关系最好呈线性或近似线性的单值函数关系；
∙能测量较高的温度,并在较宽的温度范国内应用,经长期使用后,物理、化学性能及热电特性保持稳定；
∙要求材料的电阻温度系数要小,电阻率高,导电性能好,热容量要小；
∙复现性要好,便于大批生产和互换,便于制定统一的分度表；
∙机械性能好,材质均匀；
∙资源丰富,价格便宜。
（3）为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对热电偶的结构要求如下：
①组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；
②两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；
③补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；
④保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。
4、热电偶的分度号
标准化热电偶，按IEC国际标准生产。
热电偶的分度号有主要有S、R、B、N、K、E、J、T等几种。
其中S、R、B属于贵金属热电偶，N、K、E、J、T属于廉金属热电偶。
S分度号的特点是抗氧化性能强，宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，长期使用温度1400℃，短期1600℃。
在所有热电偶中，S分度号的精确度等级最高，通常用作标准热电偶；
R分度号与S分度号相比除热电动势大15%左右，其它性能几乎完全相同；
B分度号在室温下热电动势极小，故在测量时一般不用补偿导线。
它的长期使用温度为1600℃，短期1800℃。
可在氧化性或中性气氛中使用，也可在真空条件下短期使用。
N分度号的特点是1300℃下高温抗氧化能力强，热电动势的长期稳定性及短期热循环的复现性好，耐核辐照及耐低温性能也好，可以部分代替S分度号热电偶；
K分度号的特点是抗氧化性能强，宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，长期使用温度1000℃，短期1200℃。
在所有热电偶中使用最广泛；
E分度号的特点是在常用热电偶中，其热电动势最大，即灵敏度最高。
宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，使用温度0-800℃；$vme
J分度号的特点是既可用于氧化性气氛（使用温度上限750℃），也可用于还原性气氛（使用温度上限950℃），并且耐H2及CO气体腐蚀，多用于炼油及化工；
T分度号的特点是在所有廉金属热电偶中精确度等级最高，通常用来测量300℃以下的温度。
5、热电偶冷端的温度补偿
由于热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电
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