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熱電偶溫度傳感器、熱電阻溫度傳感器工作原理及特點

更新時間：2019-03-30 14:24:12點擊次數：1031次

熱電偶、熱電阻工作原理及特點

1．熱電偶、熱電阻工作原理及特點

熱電偶工作原理
將兩種不同的金屬導體焊接在一起，構成閉合回路，如在焊接端（即測量端）加熱產生溫差，則在回路中就會產生熱電動勢，此種現象稱為塞貝克效應（Seebeck-effect）。如將另一端（即參考端）溫度保持一定（一般為0℃），那么回路的熱電動勢則變成測量端溫度的單值函數。這種以測量熱電動勢的方法來測量溫度的元件，即兩種成對的金屬導體，稱為熱電偶。
熱電偶產生的熱電動勢，其大小僅與熱電極材料及兩端溫差有關，與熱電極長度、直徑無關。

□ 熱電阻工作原理
工業用熱電阻分鉑熱電阻和銅熱電阻兩大類。
熱電阻是利用物質在溫度變化時自身電阻也隨著發生變化的特性來測量溫度的。熱電阻的受熱部份(感溫元件)是用細金屬絲均勻地雙繞在絕緣材料制成的骨架上。當被測介質中有溫度發生變化時，所測得的溫度是感溫元件所在范圍內介質中的平均溫度。

□ 熱電偶、熱電阻特點

熱電偶

熱電阻

熱電偶同其它種溫度計相比具有如下特點：
a、優點
·熱電偶可將溫度量轉換成電量進行檢測，對于溫度的測量、控制，以及對溫度信號的放大、變換等都很方便，
·結構簡單，制造容易，
·價格便宜，
·惰性小，
·準確度高，
·測溫范圍廣，
·能適應各種測量對象的要求（特定部位或狹小場所），如點溫和面溫的測量，
·適于遠距離測量和控制。
b、缺點
·測量準確度難以超過0.2℃，
·必須有參考端，并且溫度要保持恒定。
·在高溫或長期使用時，因受被測介質影響或氣氛腐蝕作用（如氧化、還原）等而發生劣化。

熱電阻同其它種溫度計相比具有如下特點：
a、優點
·準確度高。在所有常用溫度計中，準確度最高，可達1mk。
·輸出信號大，靈敏度高。如在0℃用Pt100鉑熱電阻測溫，當溫度變化1℃時，其電阻值約變化0.4Ω，如果通過電流為2mA，則其電壓輸出量變化為800μV。在相同條件下，即使靈敏度比較高的K型熱電偶，其熱電動勢變化也只有40μV左右。由此可見，熱電阻的靈敏度較熱電偶高一個數量級。
·測溫范圍廣，穩定性好。在振動小而適宜的環境下，可在很長時間內保持0.1℃以下的穩定性。
·無需參考點。溫度值可由測得的電阻值直接求出。
·輸出線性好。只用簡單的輔助回路就能得到線性輸出，顯示儀表可均勻刻度。
b、缺點
·采用細金屬絲的熱電阻元件抗機械沖擊與振動性能差。
·元件結構復雜，制造困難大，尺寸較大，因此，熱響應時間長。·不適宜測量體積狹小和溫度瞬變區域。

熱電偶、熱電阻通用要求

□ 溫度測量范圍和允許誤差

熱電偶名稱	型號	分度號	允差等級	測量范圍(℃)	允差 (參考端為0℃)
鉑銠30-鉑銠6	WRB (WRR)	B	2級	600～1700	±0.0025∣t∣
			3級	600～800	±4℃
				800～1700	±0.005∣t∣
鉑銠10-鉑	WRS (WRP)	S	2級	0～600	±1.5℃
				600～1600	±0.0025∣t∣
鉑銠13-鉑	WRR (WRQ)	R	2級	0～600	±1.5℃
				600～1600	±0.0025∣t∣
鎳鉻-鎳硅	WRK (WRN)	K	2級	-40～333	±2.5℃
				333～1200	±0.0075∣t∣
鎳鉻-銅鎳	WRE	E	2級	-40～333	±2.5℃
				333～900	±0.0075∣t∣
銅-銅鎳	WRT (WRC)	T	2級	-40～133	±1℃
				133～350	±0.0075∣t∣
鐵-銅鎳	WRJ (WRF)	J	2級	-40～+333	±2.5℃
				333～750	±0.0075∣t∣
鎳鉻硅-鎳硅鎂	WRN (WRM)	N	2級	-40～333	±2.5℃
				333～1200	±0.0075∣t∣
鎢錸3-鎢錸25	WRW3	WRe3- WRe25 (W3、D)		200～2000	±1.0%∣t∣
鎢錸5-鎢錸26	WRW5	WRe5- WRe25 (W5、C)		200～2000	±1.0%∣t∣
鉑熱電阻	WZP	Pt100	A	-200～420	±(0.15+0.002∣t∣)
			B		±(0.30+0.005∣t∣)
銅熱電阻	WZC	Cu50		-50～150	±(0.30+0.006∣t∣)

注：“t”為實際測量溫度。除熱電偶2級，熱電阻B級允差外的其它產品，需協議定貨。
允差執行標準：
熱電偶GB/T16839.2—1999JB/T 9497-2002（鎢錸熱電偶）；
鉑熱電阻；JB/T8622-1997；銅熱電阻JB/T8623-1997；
分度號：D.C為美國ASTM標志。

□ 熱響應時間
在溫度出現階躍變化時，熱電偶或熱電阻的輸出變化至相當于該階躍變化的50%所需要的時間，稱為熱響應時間。用t0.5表示。

□ 公稱壓力
一般是指在工作溫度下，保護管所能承受的靜態外壓而不破裂。實際上，容許工作壓力不僅與保護管材料、直徑、壁厚有關，而且還與其結構、安裝方法、置入深度以及被測介質的流速和種類有關。

□ 置入深度

●熱電偶最小置入深度

對陶瓷保護管而言，應不小于保護管直徑的10～15倍；
對金屬及合金保護管，應大于保護管直徑的15～20倍。

□ 熱電阻最小置入深度

lmin = ln+15D
lmin—最小可用置入深度
ln — 感溫元件長度
D — 保護管外徑

□ 絕緣電阻

●裝配式熱電偶絕緣電阻

常溫絕緣電阻
常溫絕緣電阻的試驗電壓為直流500±50V，測量常溫絕緣電阻的大氣條件為：溫度15～35℃，相對濕度45%RH，大氣壓力86～106kPa。熱電偶在該條件下放置時間不小于2小時。
a．對于長度超過1米的熱電偶，它的常溫絕緣電阻值與其長度的乘積應不小于100MW·m。
即：Rr·L ≥100MW·mL ≥1m
式中：Rr— 熱電偶的常溫絕緣電阻值，MW
L — 熱電偶的長度，m
b．對于長度等于或不足1m的熱電偶，它的常溫絕緣電阻值應不小于100MW。

上限溫度絕緣電阻

熱電偶的上限溫度絕緣電阻值應不小于下表規定：

上限溫度tm (℃)	試驗溫度t (℃)	電阻值 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

●鎧裝式熱電偶的絕緣電阻

鎧裝偶直徑 mm	試驗電壓 V-dC	絕緣電阻 MW·m
1.5	50±5	≥1000
＞1.5	500±50	≥1000

●熱電阻絕緣電阻
常溫絕緣電阻的試驗電壓可取直流10～100V任意值，環境溫度在15～35℃范圍內，相對濕度應不大于80%RH。常溫絕緣電阻值應不小于100 MW。

□ 自熱影響
通過熱電阻中的測量電流為5mA時，測得的電阻增量換算成溫度值應不大于0.30℃。

熱電偶材料 熱電偶材料按分度號分為B、R、S、N、K、E、J、T及WRe3-WRe25、WRe5-WRe26 10個標準形式，尚有其它非標準絲材可供選擇。

標準化熱電偶的主要性能

名稱		鉑銠10-鉑鉑銠13-鉑	鉑銠30 鉑銠6	鎳鉻-鎳硅	鎳鉻-康銅	鐵-康銅	銅-康銅	鎳鉻硅-鎳硅鎂
分度號		S、R	B	K	E	J	T	N
穩定性		Φ0.5 1400℃/200h 1084.62℃ 變化≤ ±12μV （約1℃）	Φ0.5 1600℃/200h 1600℃ 變化≤ ±47μV （約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 變化≤ ±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 變化≤ ±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 變化≤ ±0.75%t	Φ0.2/200℃ Φ0.3 0.5 /250℃ Φ1.0/300℃ Φ1.6/400℃ 200h 變化≤ ±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 變化≤ ±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
最高使用溫度 ℃ (長期→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

□廉金屬熱電偶絲直徑的標準形式(mm)

分度號	K		N		E		J		T
保護管外徑	16	20	16	20	16	20	16	20	16	20
單支式	2.5	3.2	2.5	3.2	2.0	3.2	2.5	3.2	2.5	3.2
雙支式	1.2	2.5	1.2	2.5	1.2	2.0	1.2	2.5	1.2	2.5

熱電偶熱電阻保護管

□ 金屬保護管材料及特性

種類	鋼號	化學成分 %	常用溫度(℃)	特性
鈦	TB35	0.2Fe-Ti	250	在低溫下耐蝕，尤其耐海水腐蝕。
黃銅	C3601	59-63 Cu-Zn	400	低溫用，加工性能良好。
鎳銅合金	NCu	63-70 Ni-Cu	500	強度高，對堿、非氧化性酸及鹽水等具有優異的耐蝕性能。
低碳鋼	STPG	0.25-0.3C 0.3-1.0Mn余Fe	600	抗氧化性能弱，應在非腐蝕性流體中使用，用玻璃或樹脂表面改性后，可提高耐蝕性能。
高溫壓力容器用鍛鋼	SFVAF22	2.25Cr-1Mo-Fe C≤0.15	600	低碳合金鋼，因添加Mo、Cr高溫下耐蝕性良好。
奧氏體不銹鋼	SS304	18Cr-8Ni-Fe	900	應用最廣的不銹鋼。
	SS316	18Cr-12Ni-2.5Mo-Fe	900	耐孔蝕材料。以海水為主的各種介質較304耐蝕性能優越。
	SS310S	25Cr-20Ni-Fe	1000	抗氧化性能優越，作為耐熱鋼使用，抗硫化物欠佳。
	SS321	18Cr-9Ni-Ti-Fe	900	添加Ti，抗晶界腐蝕性能強。
	SS347	18Cr-9Ni-Nb-Fe	900	添加Nb，抗晶界腐蝕性能強。
奧氏體、鐵素體不銹鋼	SUS329J1	25Cr-4.5Ni-2Mo	800	具有兩相結構，耐酸耐孔蝕性能強，并且具有高強度。
鐵素體耐熱鋼	SUH446	25Cr-0.2N-0.2C	1000	耐高溫腐蝕性能強，至1082℃下，不產生易剝落的鐵皮，耐硫腐蝕。
耐熱耐蝕超合金	NCF600	15.5Cr-72Ni-7Fe	1050	在高溫氧化、還原性氣氛下，耐蝕性能優越。耐滲碳及氮化性強。
耐熱耐蝕超合金	NCF800	20.5Cr-32Ni-44.5Fe Ti-Al-Cu	1000	抗滲碳及內氧化性強，具有穩定的奧氏體結構，耐蝕性良好。其高溫強度、蠕變、斷裂強度高。
鎳基耐熱耐蝕合金	—	15Cr-52Ni-16Mo 5.5Fe-4W	1000	可用于氧化、還原性氣氛。耐酸及混酸腐蝕。
鎳基耐熱耐蝕合金	—	22Cr-48Ni-9Mo 18Fe-1.5Co-0.6W	1150	典型的耐熱合金。在1090℃下仍具有很高強度及抗氧化性。在氧化、還原及中性氣氛中均耐腐蝕。
鈷基耐熱耐蝕合金	UMCO50	28Cr-21Fe-1Si 50Co	1150	耐熱沖擊，耐磨材料，耐硫化物及釩蝕損，高溫強度大。
耐磨合金	HR1230	Ni-Fe-Cr-Al	800～1200	具有極高的強度及耐磨性能，適用于流化床等惡劣的磨損環境。
鐵基合金	MPT-1	Fe-Cr	1000	耐鋁及鋁合金液體腐蝕。
鐵基合金	MPT-2	Fe-Cr	1000	耐氟化物冰晶石腐蝕。
耐熱合金管	3YC52	Ni45Cr17Al	1250	使用溫度及高溫抗氧化性能優于同類高溫合金。
耐熱合金管	OR1300	Ni-Cr-W-Mo-Al	1250	使用溫度及高溫抗氧化性能優于同類高溫合金。

□ 非金屬保護管的品種及特性

材質		符號	化學成分 %	常用溫度 ℃	最高使用溫度℃	特性
氯化乙烯樹脂聚乙烯氟樹脂			氯化乙烯乙烯乙烯	50 80 250		組成及配方不同，常用溫度也不同。對酸及堿均具有耐蝕性，但隨溫度升高，其安全性下降。為使塑料具有機械強度，通常是套在金屬保護管表面上使用。
石英		QT	SiO2	1000	1100	耐熱沖擊性好，但強度低，耐酸性強，耐堿性差，在H2及還原性氣體中氣密性差。
粘土質瓷管高鋁質瓷管剛玉質瓷管		CB3 CB2 CB1	Al2O3 99.5	1000 1400 1600	1500 1800	Al2O3的純度越高，其高溫強度、電絕緣性能、耐磨性能越好，在氧化性或還原性氣氛中，也可用到很高的溫度。
氧化鎂			MgO 97	1800		MgO易水解。在高溫下燒成的高密度材料，耐無機鹽及氧化性氣體腐蝕。
氧化鋯		ZR	ZrO2 94 CaO 6	1800	2400	在高溫下難與氧化性、中性物質反應，但受堿性氧化物腐蝕。
碳化硅	再結晶SiC	Y1	SiC 98	1650		氣密性好，耐熱沖擊性強，在高溫下耐熱，耐磨性優異。在氧化、還原性氣氛中可用至1700℃。
	硅結合SiC	Y3	SiC 89Si 9	1500	1700	熱傳導性能好，抗熱沖擊性強。
	Si3N4結合SiC	Y4		1550	1750	因含Si3N4故耐熔鋁腐蝕。
Si3N4			Si3N4 97	1600		Si3N4的氧化產物與SiC相同，在Si3N4的表面氧化初期形成SiO2保護膜。
塞隆		HCN	Si-Al-O-N	1250		耐鋁液腐蝕，污染極小，壽命較鑄鐵管長，可達一年以上。
石墨			C	1500	2300	耐高溫，易氧化，耐熱沖擊性能好，抗堿腐蝕。

□ 金屬陶瓷保護管的品種及特性

型號	主要成分	常用溫度 ℃	最高溫度 ℃	規格mm	使用介質	特性
LT1	Al2O3-Cr	1300	1400	28×16	鋁以外的有色金屬熔體	耐熱、耐磨性能優越
CT	ZrO2-Mo	1600	2200	12×6	液態金屬	導熱性能好，抗熱震性強，不適于氧化氣氛。
MCPT-3	MgO-Mo-Cr	1600	1800	Φ30×18×500	鋼水、鐵液	鉬基金屬陶瓷不適于氧化性氣氛。
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	銅及銅合金

(編輯：hengkaikeji)

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