热电偶概述.docx

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热电偶概述

热电偶概述

1.1热电偶工作原理

   用热电偶测温是基于1821年西贝克（T.J.Seebeck）发现的热电效应，1826年贝克雷尔（A.C.Becquerel）第一个根据热电效应来测量温度。

将两种不同的均质导体（或叫热电极也叫偶丝）焊接在一起，另一端连接电流计构成闭合回路，当焊接端（或叫测量端）与电流计端（或叫参比端）温度不一致时，回路中就会有电流通过，这种现象称为西贝克效应，又称热电效应。

热电特性是物质具有的一种普遍特性，热电偶是应用最为广泛的测温仪表。

热电偶回路中的热电动势由温差电势和接触电势两部分组成。

   实验与计算表明，热电偶回路中的总热电动势EAB（t，to）可以用下面的数学表达式得出：

式中k、e为常数，Na和Nb分别是A、B热电极的电子密度，由热电极本身的化学成分和组织结构决定，与环境条件和外形尺寸无关。

在A、B电极确定的情况下，如将参比端温度保持恒定（一般为0℃或室温），那么回路中的热电动热大小就只与测量端温度相关了。

这种以测量热电动热的方法来测量温度的一对金属导体，称为热电偶。

1.2 热电偶的结构

   热电偶的结构可以用“两端五部”来概括。

从热电偶的测温原理可知，构成最基本的热电偶除了两根热电极材料外，还必须在热电极的两端按照要求作成测量端和参比端，俗称“热端”和“冷端”，这就是所谓的“两端”。

根据热电偶的不同用途和附加结构，热端有绝缘型、多支分离绝缘型、接壳型、露头型四种形式，冷端有密封和非密封两种形式。

   热电偶一般由五部分构成，两根热电极（或叫偶丝）是构成热电偶的核心部分（第一部分测温元件），其它部分都是围绕它展开；为了保证回路中热电动势不损失以准确传递被测温度信号，必须用绝缘材料使两热电极除两端点之外的其余部分之间，及其与外界之间有可靠的绝缘（第二部分绝缘材料）；为了保护绝缘材料和偶丝，延长热电偶的使用寿命，一般还设计有保护套管（第三部分保护管）；为了安装接线使用方便，同时适应各种使用场合，一般还设计有第四部分接线装置和第五部分安装固定装置。

这些就是所谓的“五部”。

根据不同用途，能够测温的最基本的热电偶（即热电偶芯），没有保护管和安装固定装置。

1.3热电偶的分类

   热电偶按照制造方法和结构分类，可分为装配热电偶、铠装热电偶两个基本大类；随着工艺技术的不断发展，综合了装配热电偶和铠装热电偶的优点的复合铠装热电偶具有很好的性价比，有很大的市场推广潜力。

按照热电偶的热电特性分类，有10个已经标准化的分度号和其它很多具有专门用途的非标准化热电偶；按照每支产品中所含热电偶的对数分类，有单支、双支、三支、多支热电偶；按照热电偶电极（或叫偶丝）的资源状况分类，有贵金属热电偶和廉金属热电偶两种；根据用途来分类的就比较多了，比如真空专用热电偶、高温耐蚀热电偶，还有将正负极偶丝分别铠装加工自由配对的“单芯铠装热电偶”等等。

在热电偶产品的名称中，一般同时含有结构特征、分度号、数量等多种分类含义，比如双支式铠装K型热电偶、单支变径式E型热电偶等等。

1.4关于铠装热电偶与装配热电偶

   装配热电偶顾名思义是指构成热电偶的最基本的三个部分（简称”基体部分”，包括测温元件、绝缘材料、保护管）是通过组装而成、可以通过拆卸而分的。

铠装热电偶的基体部分（称为铠装热电偶材料或“偶材”或“铠材”或“铠装热电偶电缆”）是不可拆卸的，它是由热电偶丝穿入绝缘氧化镁型材中，再一同穿入金属保护管中，经过多次拉拔缩径退火而形成的一个坚实整体。

   将铠装热电偶材料下料成需要的长度，再制作冷热两端并附加需要的安装固定装置就形成了铠装热电偶。

铠装热电偶是在装配热电偶的基础上采用新的工艺技术制造而发展起来的第二代通用型热电偶，相对于装配热电偶具有直径小、密封性好、易弯曲、热响应时间快、可靠性高、成本低、适合批量生产、安装使用方便等特点。

   铠装热电偶在绝大多数的场合都可以代替装配热电偶使用，只是由于人们的使用习惯和接受观念不同，一些场合还在继续使用装配热电偶。

近年来越来越多的厂家采用铠装热电偶作为装配热电偶的芯子来改造传统的装配热电偶。

随着技术的发展装配热电偶会被逐渐淘汰。

   铠装热电偶与装配热电偶是两种最基本的结构类型，在此基础上根据具体的使用环境发展了很多特殊的专用热电偶。

复合铠装热电偶和单芯铠装热电偶是在铠装热电偶的基础上，根据不同用途以及综合装配偶和铠装偶的优点，采用新技术新材料由大正仪表公司研制的专利新产品，开创了第三代通用型热电偶，性价比远远大于普通装配或铠装热电偶。

1.5热电偶的特点

   热电偶是使用最广泛、使用量最大的测温仪表，它以其测温范围宽、准确度高、使用方便、使用寿命长、技术成熟等优点，已广泛应用于化工、冶金、电力、机械、建材等各行各业中，在一定的温度范围内对气体（如烘箱），液体（如油槽）、固体（如金属模具）等的温度进行自动检测。

总结其使用特点如下：

1）结构简单，制造容易，安装使用方便，价格便宜。

2）将温度信号转换成电势信号进行检测，能满足远距离测量和控制的要求。

3）测温范围宽（-200—2300℃）。

4）直接测温准确度高（测量准确度可达0.2℃）。

5）惰性小，测量响应时间快。

6）能适应各种测量对象的要求，如点温和面温的测量。

7）要求保持参比端温度恒定。

8）要求用补偿导线连接热电偶与显示控制仪表

9）容易受介质的影响或腐蚀，使用寿命有限。

1.6 热电偶的在测温系统中的作用

   热电偶将感应到的温度信号根据热电效应转变成毫伏信号，再经补偿导线传送到温度显示（控制）仪表，经过显示仪表的转换电路将热电偶感应到的温度毫伏信号以摄氏度的形式直观地显示出来，而不是显示毫伏值，所以热电偶阻又叫温度传感器或一次测温仪表。

为了将温度信号引入高一级的控制系统，有时在使用过程中还需将毫伏信号转变成标准的电流信号（即温度变送器），以适应多台表共用一个信号和实现各种控制目的。

   经过170多年的发展，热电偶测温技术已相当成熟。

从技术上分析，热电偶可以解决所有的直接测温问题，只是用在2000℃左右的高温测试中因为成本太高而被间接测温仪表部分代替，用在0—600℃范围内因为精度略低而被热电阻部分代替，还有在0—600℃范围内要求现场显示同时不需供电和远传的场合用双金属温度计和压力式温度计以及玻璃温度计部分代替。

1.7热电偶的测温精度

1.7.1允许偏差

   允许偏差又称“允差”或“测温精度”，指具体一支热电偶的热电特性与该类热电偶的标准分度表的符合程度。

从理论上讲没有材质、组织结构、加工状态完全相同的两支热电偶，所以任何一支热电偶都与标准分度表有偏差，任何一支热电偶的两次测试结果也不一致，都只能在一定程度上符合标准分度表。

根据符合程度或偏差的大小把热电偶分为三级，下表给出的两种计算方法，取计算结果较大的一种作为允许偏差的标准值。

如K型Ⅱ级精度300℃的允差为±2.5℃而不是±2.25℃（300x0.75%=2.25）。

1.7.2稳定性

   稳定性指热电偶随着使用时间的延长其热电特性的变化程度，是反映热电偶使用寿命的重要指标，是一项破坏性试验要求，只在产品型式试验时才做。

具体规定为：

在热电偶的长期使用的上限温度维持250小时后，热电动势的变化量不超过测量精度全部偏差量的50%。

如N型Ⅱ级精度的稳定性要求指标为：

在1200℃维持250小时后，该热电偶试验前后热电势的变化量应小于9℃（1200x0.75%）。

                                                                                        未注单位：

℃

性能

分度号

允许偏差

稳定性

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅰ

Ⅱ

K

±1.5

或0.4%t

±2.5

或0.75%t

±2.5

或1.5%t

（-200~-40）

在长期使用的上限温度维持250h后的变化量≤0.4%t

在长期使用的上限温度维持250h后的变化量≤0.75%t

N

E

J

T

±0.5

或0.4%t

±1.0

或0.75%t

±1.0

或1.5%t

≤1.4

350℃/250h

≤2.6

350℃/250h

S

±1或

±（1+（t-1100）x0.3%）

±1.5

或0.25%t

无

≤1.9

1400/℃250h

≤3.5

1400℃/250h

R

B

无

±0.25%t

±4或0.5%t

≤4.25

1700℃/250h

≤8.5

1700℃/250h

W3/25

无

±4或1.0%t

无

无

≤21

2100℃/250h

W5/26

[2006.8.25]

热电阻概述

2.1热电阻的工作原理

   电阻是物体最基本的物理特性之一。

利用金属导体的电阻随温度的变化而变化的原理，通过测量导体的电阻值来间接获得温度值的温度计称为热电阻温度计。

温度每变化1℃时的电阻值的相对变化量叫电阻温度系数，用α表示。

热电阻的感温元件是用细金属丝均匀地缠绕在绝缘材料制成的骨架上而形成，所以测得的温度是感温元件整体所处位置的平均温度。

根据热电阻元件的材质分为铂电阻和铜电阻等等。

2.1.1铂电阻

   铂是制作热电阻最理想的材料，其物理化学性能非常稳定，尤其抗氧化能力很强，电阻率大，工艺性好。

经过精心制造的铂电阻具有很高的示值复现性（可达10-4K），优于其它所有温度计，铂电阻的电阻温度特性曲线可用下式表达：

当t在0—850℃时：

   Rt=Ro（1+At+Bt2）

当t在-200—0℃时：

  Rt=Ro[1+At+Bt2+C（t-100）t3]

Rt、Ro分别为t℃和0℃的电阻值，A=3.90802x10-3，B=-5.80195x10-7，C=-4.27350x10-12。

2.1.2铜电阻

   铜也是制作热电阻较理想的材料，成本低、容易提纯、具有较高的电阻温度系数、复现性好、容易加工成绝缘的铜丝，铜电阻在-50—150℃范围内的电阻温度特性几乎是线性的，所以用来测量-50—150℃范围内的温度很有优势。

铜电阻的电阻温度特性可用下式表达：

Rt=Ro（1+αt）

2.2      热电阻与热电偶的特性比较

序

特性项目

热电阻

热电偶

1

精度

所有常用温度计中，准确度最高，可达10-4K。

最高精度可达0.2℃

2

稳定性

在振动小而适宜的环境下，可在很长时间内保持0.1℃以下的稳定性。

在最高使用温度维持250h后，热电势变化量在4℃左右

3

灵敏度

灵敏度较热电偶高一个数量级，输出约0.4Ω/℃，如果通过电流2mA，则电压输出为0.8mV/℃

灵敏度较热电阻低一个数量级，输出信号在0.005—0.080mv/℃

4

温度范围

-200—850℃

测温范围宽，-200—2300℃

5

响应时间

元件尺寸较大，测面温，热响应时间较长。

测点温，响应时间快，可达0.1S

6

耐振性

细金属丝测温元件，抗机械冲击与振动性能差。

测温元件偶丝较粗易焊接，耐振性好

7

适用气氛

氧化性、中性

氧化、还原、中性、真空

8

变送显示

输出线性好，温度值可由测得的电阻值直接求出，变送显示容易

输出线性较热电阻差，显示变送容易

9

安装使用

不要参考点，不需补偿导线，

要冷端温度补偿，要补偿导线，

10

外形尺寸

最小直径到3mm，其余与热电偶相同

最小直径到0.25mm

2.3 铠装热电阻的特点

   铠装热电阻是在装配热电阻的基础上借鉴铠装热电偶的制造技术发展起来的热电阻新品种，相对于装配热电阻具有直径小、能弯曲、热响应时间快，安装使用方便等特点。

由于热电阻没有耐高温腐蚀的要求，用不锈钢作保护管的铠装热电阻可以完全代替原装配热电阻，适合批量生产，成本低，而且更耐震动、密封性好、使用寿命长。

近年来越来越多的厂家采用铠装热电阻作为装配热电阻的芯子来改造传统的装配热电阻。

随着技术的发展和人们使用观念的进步，装配热电阻最终将被铠装热电阻完全取代。

   铠装热电阻的制造，首先是将热电阻引线（一般为纯镍丝）穿入氧化镁绝缘材料中，再一同穿入不锈钢保护管中，经过多次拉拔缩径退火而形成铠装热电阻引线（相当于铠装热电偶材料）；然后将热电阻感温元件与已经下料成需要长度并剥出引线头的铠装热电阻引线对接焊接；最后与制作铠装热电偶的方法类似完成测量端、接线端和安装装置的制作。

由于铠装热电阻引线电阻率较大，所以没有两线制引线，一般为三线制引线，四线制需要特别注明。

铠装铜电阻由于测温较低，可用有机材料绝缘代替无机氧化镁绝缘，制作工艺与铠装铂电阻可以不同。

2.4 热电阻的结构与分类

   与热电偶分类一样，热电阻按照结构分为装配热电阻、铠装热电阻两类；按测温元件铂电阻、铜电阻，以及非标准化的铁电阻、镍电阻、铟电阻、锰电阻、碳电阻等；按分度号分为Pt100、Pt10、Cu50、Cu100，以及Pt1000、Pt800、Pt500等标称电阻很大分辨率很高的铂电阻；根据用途分为标准铂电阻、耐腐蚀热电阻、耐磨热电阻、端面热电阻、电机专用热电阻等等。

   热电阻的结构仍然用“两端五部”来概括。

   从热电阻的测温原理可知，构成最基本的热电阻除了热电阻元件及引线外，仍然有测量端和参比端，也称“热端”和“冷端”，这就是所谓的“两端”。

热电阻的测量端都是绝缘型。

热电阻的构成仍然分五部分，热电阻元件及引线是构成热电阻的核心部分（即第一部分测温元件），其它部分都是围绕它展开；为了保证回路中电阻信号不损失，以准确传递被测温度信号，必须用绝缘材料使热电阻元件两引线之间，及其与外界之间有可靠的绝缘（即第二部分绝缘材料）；为了保护绝缘材料和热电阻元件及引线，以延长热电阻的使用寿命，同样设计有第三部分保护套管；为了安装接线使用方便，适应各种使用场合，同样设计有第四部分接线装置和第五部分安装固定装置。

这些就是所谓的“五部”。

最基本的热电阻没有保护套管和安装固定装置（即热电阻芯）。

可见，热电阻的结构除测温元件不同以外，其余与热电偶基本一致。

2.5热电阻的测温精度

   测温精度又称允许偏差或“允差”，指具体某支热电阻的电阻温度特性与该类热电阻的标准分度表的符合程度。

与热电偶一样，从理论上讲没有材质、组织结构、加工状态完全相同的两支热电阻，所以任何一支热电阻都与标准分度表有偏差，任何一支热电阻的两次测试结果也不一致，都只能在一定程度上符合标准分度表。

根据符合程度或偏差的大小把热电阻分为A、B级，详见下表：

                          精度等级

性能           类别

A级精度

B级精度

测温允差（℃）

铂电阻

±（0.15+0.2%∣t∣）

±（0.30+0.5%∣t∣）

铜电阻

±（0.30+0.6%∣t∣）

基本误差

名义电阻R0

（℃）

Pt10

10±0.006

10±0.012

Pt100

100±0.06

100±0.12

Cu50

50±0.050

Cu100

100±0.10

电阻比W100

（R100/R0）

铂电阻

1.3850±0.0010

铜电阻

1.4280±0.0020

测温范围

（℃）

铂电阻

-200~650

-200~850

铜电阻

-50~150

备注：

A级精度不适用于两线制的铂电阻；A级精度不适用于650℃以上的Pt100铂电阻；

     Pt10主要用于工作温度延伸到600℃以上的铂电阻。

2.6热电阻的稳定性

精度等级

项目               内容

铂电阻

铜电阻

A

B

Cu50

Cu100

极限温度

在上下限分别经受250h，在0℃测得电阻的变化值或换算成温度变化值.（铜电阻：

上限4h）

≤0.15℃

≤0.30℃

≤0.025Ω

≤0.05Ω

温度循环

经过0-上限-室温-下限-室温-0℃温度循环后，测得的电阻变化换算成温度变化值

无

无

热电

100℃时，改变置入深度测得的最大热电势

≤20μV

无

无

自热影响

0℃时，改变激励电流从0.03至10mA，测得电阻的增量换算成温度增量的最大值或自热影响评价值.（Pt10：

0.1~30mA，铜电阻：

1~5mA）

≤0.30℃

0.214（P2-P1）/△R

0.429（P2-P1）/△R

≤6.25mW/℃

2.7热电阻的引线制式

   热电阻测量的温度是指测量端部分的热电阻元件所感应到的温度，温度的高低决定了元件电阻大小，但测量元件输出的电阻值包含了引线的电阻，所以引线电阻的大小和稳定以及处理方法直接决定了热电阻的测温精度。

从热电阻的分度特性中已知，铂电阻的平均每度电阻变化率是0.385Ω/℃，铜电阻的平均每度电阻变化率是0.428Ω/℃；引线电阻不得使热电阻超出了其测温的允许偏差，两线制引线电阻不得大于0.1Ω，否则就需做技术处理以扣除引线电阻。

引线电阻包含热电阻产品的引线电阻（叫内引线电阻）和热电阻产品至显示仪表之间的引线电阻（叫外引线电阻）两部分。

引线方法分以下三种：

   两线制：

热电阻产品只给出两根引线，测量电阻包含了引线电阻，一般引线电阻不得大于0.1Ω。

两线制引线方法测量误差大，一般用于引线不长、测量精度要求不高的场合。

两线制仅指热电阻产品的内引线采用两根引线，用户安装的外引线必须用三根引线。

   三线制：

热电阻产品给出了三根引线，如果三根引线的电阻相等，就可以消除引线电阻对测量结果的影响，内引线和外引线都采用三根引线，这是工业生产中应用最广泛的接线方式。

如下图所示，只要三根引线的电阻相等（即R1=R2=R3），那么测温元件电阻R0就与引线电阻的大小无关并可表达为：

R0=RAC–RAB

   四线制：

热电阻产品给出了四根引线，这中方法可以完全消除引线电阻对测量结果的影响，测量精度高，一般只适用于精密测量，如标准铂电阻温度计。

如上图所示，不管四根引线的电阻R1、R2、R3、R4是否相等，测温元件电阻R0都与引线电阻的大小无关并可用下式表达：

R0=（RAD+RBC-RAB–RCD）/2

根据上述公式，温度显示仪表可自动进行加减乘除运算，以准确显示被测温度。

关于温度仪表

F1.5关于温度仪表

   温度计量系统所用仪表合称温度仪表，分为温度传感器、温度变送器、温度显示控制仪三部分。

随着技术的进步，现在的温度传感器已发展成能够具备测量、变送远传、现场显示于一体的新型温度仪表。

根据温度传感器的使用方式，温度测量分为接触法与非接触法两类。

热电偶、热电阻是使用最广泛最普及的用接触法测量温度的温度传感器。

F1.6温度测量方法

F1.6.1接触测温法

   根据热平衡原理，两个不同温度的物体相接触并经过足够长的时间后,它们的温度必然相等，达到热平衡。

如果其中之一为温度计，就可以用它对另一个物体实现温度测量，这种测温方法称为接触法。

接触法测温要求温度计与被测物体有良好的热接触，使两者以最快的速度达到热平衡。

由于温度计直接插入被测物体，因此测温准确度较高；但这往往要破坏被测物体的热平衡状态并受被测介质的腐蚀作用，因此对感温元件的结构、性能要求苛刻。

F1.6.2非接触测温法

   利用物体的热辐射能随温度变化而变化的原理测定物体温度，这种测温方法称为非接触法。

非接触法测温，温度计不与被测物体接触，也不改变被测物体的温度分布，热惯性小，因此测温高，使用寿命长，但测量精度低，造价高。

从原理上看，用这种方法测温无上限。

通常用来测定1000℃以上的移动、旋转或反应迅速的高温物体的温度或表面温度。

F1.6.3接触法与非接触法测温特性比较

分类

特性

接触法

非接触法

特点

可测量任何部位的温度,便于多点集中测量和自动控制；不适宜测量热容量小的物体和移动物体。

不改变被测介质温场，可测量移动物体温度，通常只是测量表面温度。

测量条件

测温元件要与被测介质很好接触且需要足够长的时间；被测介质温度不因接触测温元件而发生变化。

由被测对象发出的辐射能要充分照射到检测元件上；被测对象的发射率要准确知道。

测量范围

容易测量1100℃以下的温度，测量1100℃以上的温度使用寿命较短。

测量1000℃以上的温度较准确，测量1000℃以下的温度误差大。

准确度

测温误差通常为0.4%～1%，依据测量条件可达0.1%。

测温误差通常为±20℃左右，条件好的可达5～10℃。

响应速度

测温响应速度通常较慢，约1～3分钟。

测温响应速度较快，约2～3秒。

F1.7常用温度计的种类及特性

类别

温度计名称

使用温度（℃）

准确度（℃）

线性

响应速度

变送远传

膨

胀

水银玻璃温度计

-50～650

0.1～2

一般

一般

无

双金属温度计

-50～600

0.5～5

一般

慢

无

压

力

液体压力温度计

-30～600

0.5～5

一般

一般

无

气体压力温度计

-20～350

0.5～5

无

一般

无

电

阻

热敏电阻温度计

-50～350

0.3～5

无

快

无

铂电阻温度计

-260～630

0.01～5

好

快

有

铜电阻温度计

-200～150

0.5～5

好

快

有

电

动

势

热

电

偶

分

度

号

K

-200～1200

2～10

好

快

有

N

-200～1250

2～10

好

E

-200～800

3～5

好

J

-200～800

3～10

好

T

-200～350

2～5

好

S、R

0～1600

1.5～5

好

B

0～1800

4.0～8

好

W5/26,W3/25

0～2300

5～20

好

热

辐

射

光学高温计

700～3000

3～10

无

一般

无

光电高温计

200～3000

1～10

无

快

有

辐射温度计

100～3000

5～20

无

一般

比色温度计

180～3500

5～20

无

快

远红外温度计

-25～3300

5～20

无

快

读书的好处

1、行万里路，读万卷书。

2、书山有路勤为径，学海无涯苦作舟。

3、读书破万卷，下笔如有神。

4、我所学到的任何有价值的知识都是由自学中得来的。

——达尔文

5、少壮不努力，老大徒悲伤。

6、黑发不知勤学早，白首方悔读书迟。

——颜真卿

7、宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来。

8、读书要三到：

心到、眼到、口到

9、玉不琢、不成器，人不学、不知义。

10、一日无书，百事荒废。

——陈寿

11、书是人类进步的阶梯。

12、一日不读口生，一日不写手生。

13、我扑在书上，就像饥饿的人扑在面包上。

——高尔基

14、书到用时方恨少、事非经过不知难。

——陆游

15、读一本好书，就如同和一个高尚的人在交谈——歌德

16、读一切好书，就是和许多高尚的人谈话。

——笛卡儿

17、学习永远不晚。

——高尔基

18、少而好学，如日出之阳；壮而好学，如日中之光；志而好学，如炳烛之光。