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热电偶温度传感器、热电阻温度传感器工作原理及特点

更新时间：2019-03-30 14:24:12点击次数：921次

热电偶、热电阻工作原理及特点

1．热电偶、热电阻工作原理及特点

热电偶工作原理
将两种不同的金属导体焊接在一起，构成闭合回路，如在焊接端（即测量端）加热产生温差，则在回路中就会产生热电动势，此种现象称为塞贝克效应（Seebeck-effect）。如将另一端（即参考端）温度保持一定（一般为0℃），那么回路的热电动势则变成测量端温度的单值函数。这种以测量热电动势的方法来测量温度的元件，即两种成对的金属导体，称为热电偶。
热电偶产生的热电动势，其大小仅与热电极材料及两端温差有关，与热电极长度、直径无关。

□ 热电阻工作原理
工业用热电阻分铂热电阻和铜热电阻两大类。
热电阻是利用物质在温度变化时自身电阻也随着发生变化的特性来测量温度的。热电阻的受热部份(感温元件)是用细金属丝均匀地双绕在绝缘材料制成的骨架上。当被测介质中有温度发生变化时，所测得的温度是感温元件所在范围内介质中的平均温度。

□ 热电偶、热电阻特点

热电偶

热电阻

热电偶同其它种温度计相比具有如下特点：
a、优点
·热电偶可将温度量转换成电量进行检测，对于温度的测量、控制，以及对温度信号的放大、变换等都很方便，
·结构简单，制造容易，
·价格便宜，
·惰性小，
·准确度高，
·测温范围广，
·能适应各种测量对象的要求（特定部位或狭小场所），如点温和面温的测量，
·适于远距离测量和控制。
b、缺点
·测量准确度难以超过0.2℃，
·必须有参考端，并且温度要保持恒定。
·在高温或长期使用时，因受被测介质影响或气氛腐蚀作用（如氧化、还原）等而发生劣化。

热电阻同其它种温度计相比具有如下特点：
a、优点
·准确度高。在所有常用温度计中，准确度最高，可达1mk。
·输出信号大，灵敏度高。如在0℃用Pt100铂热电阻测温，当温度变化1℃时，其电阻值约变化0.4Ω，如果通过电流为2mA，则其电压输出量变化为800μV。在相同条件下，即使灵敏度比较高的K型热电偶，其热电动势变化也只有40μV左右。由此可见，热电阻的灵敏度较热电偶高一个数量级。
·测温范围广，稳定性好。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。
·无需参考点。温度值可由测得的电阻值直接求出。
·输出线性好。只用简单的辅助回路就能得到线性输出，显示仪表可均匀刻度。
b、缺点
·采用细金属丝的热电阻元件抗机械冲击与振动性能差。
·元件结构复杂，制造困难大，尺寸较大，因此，热响应时间长。·不适宜测量体积狭小和温度瞬变区域。

热电偶、热电阻通用要求

□ 温度测量范围和允许误差

热电偶名称	型号	分度号	允差等级	测量范围(℃)	允差 (参考端为0℃)
铂铑30-铂铑6	WRB (WRR)	B	2级	600～1700	±0.0025∣t∣
			3级	600～800	±4℃
				800～1700	±0.005∣t∣
铂铑10-铂	WRS (WRP)	S	2级	0～600	±1.5℃
				600～1600	±0.0025∣t∣
铂铑13-铂	WRR (WRQ)	R	2级	0～600	±1.5℃
				600～1600	±0.0025∣t∣
镍铬-镍硅	WRK (WRN)	K	2级	-40～333	±2.5℃
				333～1200	±0.0075∣t∣
镍铬-铜镍	WRE	E	2级	-40～333	±2.5℃
				333～900	±0.0075∣t∣
铜-铜镍	WRT (WRC)	T	2级	-40～133	±1℃
				133～350	±0.0075∣t∣
铁-铜镍	WRJ (WRF)	J	2级	-40～+333	±2.5℃
				333～750	±0.0075∣t∣
镍铬硅-镍硅镁	WRN (WRM)	N	2级	-40～333	±2.5℃
				333～1200	±0.0075∣t∣
钨铼3-钨铼25	WRW3	WRe3- WRe25 (W3、D)		200～2000	±1.0%∣t∣
钨铼5-钨铼26	WRW5	WRe5- WRe25 (W5、C)		200～2000	±1.0%∣t∣
铂热电阻	WZP	Pt100	A	-200～420	±(0.15+0.002∣t∣)
			B		±(0.30+0.005∣t∣)
铜热电阻	WZC	Cu50		-50～150	±(0.30+0.006∣t∣)

注：“t”为实际测量温度。除热电偶2级，热电阻B级允差外的其它产品，需协议定货。
允差执行标准：
热电偶GB/T16839.2—1999JB/T 9497-2002（钨铼热电偶）；
铂热电阻；JB/T8622-1997；铜热电阻JB/T8623-1997；
分度号：D.C为美国ASTM标志。

□ 热响应时间
在温度出现阶跃变化时，热电偶或热电阻的输出变化至相当于该阶跃变化的50%所需要的时间，称为热响应时间。用t0.5表示。

□ 公称压力
一般是指在工作温度下，保护管所能承受的静态外压而不破裂。实际上，容许工作压力不仅与保护管材料、直径、壁厚有关，而且还与其结构、安装方法、置入深度以及被测介质的流速和种类有关。

□ 置入深度

●热电偶最小置入深度

对陶瓷保护管而言，应不小于保护管直径的10～15倍；
对金属及合金保护管，应大于保护管直径的15～20倍。

□ 热电阻最小置入深度

lmin = ln+15D
lmin—最小可用置入深度
ln — 感温元件长度
D — 保护管外径

□ 绝缘电阻

●装配式热电偶绝缘电阻

常温绝缘电阻
常温绝缘电阻的试验电压为直流500±50V，测量常温绝缘电阻的大气条件为：温度15～35℃，相对湿度45%RH，大气压力86～106kPa。热电偶在该条件下放置时间不小于2小时。
a．对于长度超过1米的热电偶，它的常温绝缘电阻值与其长度的乘积应不小于100MW·m。
即：Rr·L ≥100MW·mL ≥1m
式中：Rr— 热电偶的常温绝缘电阻值，MW
L — 热电偶的长度，m
b．对于长度等于或不足1m的热电偶，它的常温绝缘电阻值应不小于100MW。

上限温度绝缘电阻

热电偶的上限温度绝缘电阻值应不小于下表规定：

上限温度tm (℃)	试验温度t (℃)	电阻值 MΩ
100≤tm＜300	t= tm	10
300≤tm＜500	t= tm	2
500≤tm＜850	t= tm	0.5
850≤tm＜1000	t= tm	0.08
1000≤tm＜1300	t= tm	0.02
tm≥1300	t= 1300	0.02

●铠装式热电偶的绝缘电阻

铠装偶直径 mm	试验电压 V-dC	绝缘电阻 MW·m
1.5	50±5	≥1000
＞1.5	500±50	≥1000

●热电阻绝缘电阻
常温绝缘电阻的试验电压可取直流10～100V任意值，环境温度在15～35℃范围内，相对湿度应不大于80%RH。常温绝缘电阻值应不小于100 MW。

□ 自热影响
通过热电阻中的测量电流为5mA时，测得的电阻增量换算成温度值应不大于0.30℃。

热电偶材料 热电偶材料按分度号分为B、R、S、N、K、E、J、T及WRe3-WRe25、WRe5-WRe26 10个标准形式，尚有其它非标准丝材可供选择。

标准化热电偶的主要性能

名称		铂铑10-铂铂铑13-铂	铂铑30 铂铑6	镍铬-镍硅	镍铬-康铜	铁-康铜	铜-康铜	镍铬硅-镍硅镁
分度号		S、R	B	K	E	J	T	N
稳定性		Φ0.5 1400℃/200h 1084.62℃ 变化≤ ±12μV （约1℃）	Φ0.5 1600℃/200h 1600℃ 变化≤ ±47μV （约4℃）	Φ0.3/800℃ Φ0.5/900℃ Φ0.8 1.0 /1000℃ Φ1.2 1.6 /1100℃ Φ2.0 2.5 /1200℃ Φ3.2/1200℃ 200h 变化≤ ±0.75%t	Φ0.3 0.5 /450℃ Φ0.8 1.0 1.2 /550℃ Φ1.6 2.0 /650℃ Φ2.5/750℃ Φ3.2/850℃ 200h 变化≤ ±0.75%t	Φ0.3 0.5 /400℃ Φ0.8 1.0 1.2 /500℃ Φ1.6 2.0 /600℃ Φ2.5 3.2 /750℃ 200h 变化≤ ±0.75%t	Φ0.2/200℃ Φ0.3 0.5 /250℃ Φ1.0/300℃ Φ1.6/400℃ 200h 变化≤ ±0.4%t	Φ0.3/800℃ Φ0.5/900℃ Φ0.8 1.0 /1000℃ Φ1.2 1.6 /1100℃ Φ2.0 2.5 /1200℃ Φ3.2/1300℃ 250h 变化≤ ±0.75%t
允差	Ⅰ	0～1100℃ ±1℃ 1100～1600℃ ±[1+0.003 (t-1100)] ℃	—	-40～375℃ ±1.5℃ 375～1000℃ ±0.4%t	-40～375℃ ±1.5℃ 375～800℃ ±0.4%t	-40～375℃ ±1.5℃ 375～750℃ ±0.4%t	-40～125℃ ±0.5℃ 125～250℃ ±0.4%t	允差
	Ⅱ	0～600℃ ±1.5℃ 600～1600℃ ±0.25%t	600～1700℃ ±0.25%t	-40～333℃ ±2.5℃ 333～1200℃ ±0.75%t	-40～333℃ ±2.5℃ 333～900℃ ±0.75%t	-40～333℃ ±2.5℃ 333～750℃ ±0.75%t	-40～133℃ ±1℃ 133～350℃ ±0.75%t
	Ⅲ	—	600～800℃ ±4℃ 800～1700℃ ±0.5%t	-167～40℃ ±2.5℃ -200～-167℃ ±1.5%t		—	-67～40℃ ±1℃ -200～-67℃ ±1.5%t	-167～40℃ ±2.5℃ -200～-167℃ ±1.5%t
最高使用温度 ℃ (长期→短期)		Φ0.5 1300～1600	Φ0.5 1600～1800	Φ0.3 700～800 Φ0.5 800～900 Φ0.8 1.0 900～1000 Φ1.2 1.6 1000～1100 Φ2.0 2.5 1100～1200 Φ3.2 1200～1300	Φ0.3 350～450 Φ0.8 1.0 1.2 450～550 Φ1.6 2.0 550～650 Φ2.5 650～750 Φ3.2 750～900	Φ0.3 0.5 300～400 Φ0.8 1.0 1.2 400～500 Φ1.6 2.0 500～600 Φ2.5 3.2 600～750	Φ0.2 150～200 Φ0.3 0.5 200～250 Φ1.0 250～300 Φ1.6 350～400	Φ0.3 700～800 Φ0.5 800～900 Φ0.8 1.0 900～1000 Φ1.2 1.6 1000～1100 Φ2.0 2.5 1100～1200 Φ3.2 1200～1300

□廉金属热电偶丝直径的标准形式(mm)

分度号	K		N		E		J		T
保护管外径	16	20	16	20	16	20	16	20	16	20
单支式	2.5	3.2	2.5	3.2	2.0	3.2	2.5	3.2	2.5	3.2
双支式	1.2	2.5	1.2	2.5	1.2	2.0	1.2	2.5	1.2	2.5

热电偶热电阻保护管

□ 金属保护管材料及特性

种类	钢号	化学成分 %	常用温度(℃)	特性
钛	TB35	0.2Fe-Ti	250	在低温下耐蚀，尤其耐海水腐蚀。
黄铜	C3601	59-63 Cu-Zn	400	低温用，加工性能良好。
镍铜合金	NCu	63-70 Ni-Cu	500	强度高，对碱、非氧化性酸及盐水等具有优异的耐蚀性能。
低碳钢	STPG	0.25-0.3C 0.3-1.0Mn余Fe	600	抗氧化性能弱，应在非腐蚀性流体中使用，用玻璃或树脂表面改性后，可提高耐蚀性能。
高温压力容器用锻钢	SFVAF22	2.25Cr-1Mo-Fe C≤0.15	600	低碳合金钢，因添加Mo、Cr高温下耐蚀性良好。
奥氏体不锈钢	SS304	18Cr-8Ni-Fe	900	应用最广的不锈钢。
	SS316	18Cr-12Ni-2.5Mo-Fe	900	耐孔蚀材料。以海水为主的各种介质较304耐蚀性能优越。
	SS310S	25Cr-20Ni-Fe	1000	抗氧化性能优越，作为耐热钢使用，抗硫化物欠佳。
	SS321	18Cr-9Ni-Ti-Fe	900	添加Ti，抗晶界腐蚀性能强。
	SS347	18Cr-9Ni-Nb-Fe	900	添加Nb，抗晶界腐蚀性能强。
奥氏体、铁素体不锈钢	SUS329J1	25Cr-4.5Ni-2Mo	800	具有两相结构，耐酸耐孔蚀性能强，并且具有高强度。
铁素体耐热钢	SUH446	25Cr-0.2N-0.2C	1000	耐高温腐蚀性能强，至1082℃下，不产生易剥落的铁皮，耐硫腐蚀。
耐热耐蚀超合金	NCF600	15.5Cr-72Ni-7Fe	1050	在高温氧化、还原性气氛下，耐蚀性能优越。耐渗碳及氮化性强。
耐热耐蚀超合金	NCF800	20.5Cr-32Ni-44.5Fe Ti-Al-Cu	1000	抗渗碳及内氧化性强，具有稳定的奥氏体结构，耐蚀性良好。其高温强度、蠕变、断裂强度高。
镍基耐热耐蚀合金	—	15Cr-52Ni-16Mo 5.5Fe-4W	1000	可用于氧化、还原性气氛。耐酸及混酸腐蚀。
镍基耐热耐蚀合金	—	22Cr-48Ni-9Mo 18Fe-1.5Co-0.6W	1150	典型的耐热合金。在1090℃下仍具有很高强度及抗氧化性。在氧化、还原及中性气氛中均耐腐蚀。
钴基耐热耐蚀合金	UMCO50	28Cr-21Fe-1Si 50Co	1150	耐热冲击，耐磨材料，耐硫化物及钒蚀损，高温强度大。
耐磨合金	HR1230	Ni-Fe-Cr-Al	800～1200	具有极高的强度及耐磨性能，适用于流化床等恶劣的磨损环境。
铁基合金	MPT-1	Fe-Cr	1000	耐铝及铝合金液体腐蚀。
铁基合金	MPT-2	Fe-Cr	1000	耐氟化物冰晶石腐蚀。
耐热合金管	3YC52	Ni45Cr17Al	1250	使用温度及高温抗氧化性能优于同类高温合金。
耐热合金管	OR1300	Ni-Cr-W-Mo-Al	1250	使用温度及高温抗氧化性能优于同类高温合金。

□ 非金属保护管的品种及特性

材质		符号	化学成分 %	常用温度 ℃	最高使用温度℃	特性
氯化乙烯树脂聚乙烯氟树脂			氯化乙烯乙烯乙烯	50 80 250		组成及配方不同，常用温度也不同。对酸及碱均具有耐蚀性，但随温度升高，其安全性下降。为使塑料具有机械强度，通常是套在金属保护管表面上使用。
石英		QT	SiO2	1000	1100	耐热冲击性好，但强度低，耐酸性强，耐碱性差，在H2及还原性气体中气密性差。
粘土质瓷管高铝质瓷管刚玉质瓷管		CB3 CB2 CB1	Al2O3 99.5	1000 1400 1600	1500 1800	Al2O3的纯度越高，其高温强度、电绝缘性能、耐磨性能越好，在氧化性或还原性气氛中，也可用到很高的温度。
氧化镁			MgO 97	1800		MgO易水解。在高温下烧成的高密度材料，耐无机盐及氧化性气体腐蚀。
氧化锆		ZR	ZrO2 94 CaO 6	1800	2400	在高温下难与氧化性、中性物质反应，但受碱性氧化物腐蚀。
碳化硅	再结晶SiC	Y1	SiC 98	1650		气密性好，耐热冲击性强，在高温下耐热，耐磨性优异。在氧化、还原性气氛中可用至1700℃。
	硅结合SiC	Y3	SiC 89Si 9	1500	1700	热传导性能好，抗热冲击性强。
	Si3N4结合SiC	Y4		1550	1750	因含Si3N4故耐熔铝腐蚀。
Si3N4			Si3N4 97	1600		Si3N4的氧化产物与SiC相同，在Si3N4的表面氧化初期形成SiO2保护膜。
塞隆		HCN	Si-Al-O-N	1250		耐铝液腐蚀，污染极小，寿命较铸铁管长，可达一年以上。
石墨			C	1500	2300	耐高温，易氧化，耐热冲击性能好，抗碱腐蚀。

□ 金属陶瓷保护管的品种及特性

型号	主要成分	常用温度 ℃	最高温度 ℃	规格mm	使用介质	特性
LT1	Al2O3-Cr	1300	1400	28×16	铝以外的有色金属熔体	耐热、耐磨性能优越
CT	ZrO2-Mo	1600	2200	12×6	液态金属	导热性能好，抗热震性强，不适于氧化气氛。
MCPT-3	MgO-Mo-Cr	1600	1800	Φ30×18×500	钢水、铁液	钼基金属陶瓷不适于氧化性气氛。
MCPT-4	Al2O3-Cr2O3-TiO2-Mo	1200	1400	Φ23×15×280	BaCl2
MCPT-6	Al2O3-Cr2O3-MgO-Mo-TiO2-Cr	1100	1300	Φ23×15×280	铜及铜合金

(编辑：hengkaikeji)

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