常见的热电偶温度传感器解析

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：测量温度较高，一般用来测量1000℃以上高温。在常用热电偶中它产生的热电势最大。低温热电势极小，冷端温度在50℃以下可不加补偿。材料为黏土质、高铝质、刚玉质等，材料选用视使用的热电偶而定。③保护套管，是用来保护热电偶感温元件免受被测介质化学腐蚀和机械损伤的装置。金属材料有铝、黄铜、碳钢、不锈钢等，其中Cr8Ni9Ti不锈钢是目前热电偶保护套管使用的典型材料。

1.热电偶的常用材料与结构

（1）热电偶材料的选用原则

热电偶材料应满足：物理性能稳定，热电特性不随时间改变；化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐蚀；热电势高，导电率高，且电阻温度系数小；便于制造；复现性好，便于成批生产。

（2）热电偶的常用材料

①铂-铂铑。热电偶（S型）分度号为LB-3。工业用热电偶丝：φ0.5mm，实验室用可更细些。

正极：铂铑合金丝，用90％铂和10％铑（质量比）冶炼而成。

负极：铂丝。

测量温度：长期为1300℃、短期为1600℃。

特点：材料性能稳定，测量准确度较高；可做成标准热电偶或基准热电偶。

用途：实验室或校验其他热电偶。测量温度较高，一般用来测量1000℃以上高温。在高温还原性气体中（如气体中含CO、H2等）易被侵蚀，需要用保护套管。材料属贵金属，成本较高。热电势较弱。

②镍铬-镍硅（镍铝）。热电偶（K型），分度号为EU-2。工业用热电偶丝：φ1.2～2.5mm，实验室用可细些。

正极：镍铬合金（用88.4％～89.7％镍、9％～10％铬，0.6％硅，0.3％锰，0.4％～0.7％钴冶炼而成）。

负极：镍硅合金（用95.7％～97％镍，2％～3％硅，0.4％～0.7％钴冶炼而成）。

测量温度：长期1000℃，短期1300℃。

特点：价格比较便宜，在工业上广泛应用。高温下抗氧化能力强，在还原性气体和含有SO2，H2S等气体中易被侵蚀。复现性好，热电势大，但精度不如WRLB。

③镍铬-考铜。热电偶（E型），分度号为EA-2。工业用热电偶丝：φ1.2～2mm，实验室用可更细些。

正极：镍铬合金

负极：考铜合金（用56％铜，44％镍冶炼而成）。

测量温度：长期600℃，短期800℃。

特点：价格比较便宜，工业上广泛应用。在常用热电偶中它产生的热电势最大。气体硫化物对热电偶有腐蚀作用。考铜易氧化变质，适于在还原性或中性介质中使用。

④铂铑30-铂铑6。热电偶（B型），分度号为LL-2。

正极：铂铑合金（用70％铂，30％铑冶炼而成）。

负极：铂铑合金（用94％铂，6％铑冶炼而成）。

测量温度：长期可达1600℃，短期可达1800℃。

特点：材料性能稳定，测量精度高。还原性气体中易被侵蚀。低温热电势极小，冷端温度在50℃以下可不加补偿。成本高。

（3）几种特殊用途的热电偶

①铱和铱合金热电偶。如铱50铑-铱10钌热电偶能在氧化气氛中测量高达2100℃的高温。

②钨铼热电偶。此种热电偶是20世纪60年代发展起来的，是目前较好的一种高温热电偶，可用在真空惰性气体介质或氢气介质中，但高温抗氧能力差。国产钨铼-钨铼20热电偶使用温度范围300℃～2000℃，分度精度为1％。

③金铁-镍铬热电偶。主要用在低温测量，可在2～273K范围内使用，灵敏度约为10μV/℃。

④钯-铂铱15热电偶。是一种高输出性能的热电偶，在1398℃时的热电势为47.255mV，比铂-铂铑10热电偶在同样温度下的热电势高出3倍，因而可配用灵敏度较低的指示仪表，常应用于航空工业。

⑤铁-康铜热电偶。分度号为TK，灵敏度高，约为53μV/℃，线性度好，价格便宜，可在800℃以下的还原介质中使用。主要缺点是铁极易氧化，采用发蓝处理后可提高抗锈蚀能力。

⑥铜-康铜热电偶。分度号为MK，热电偶的热电势略高于镍铬-镍硅热电偶，约为43μV/℃。复现性好，稳定性好，精度高，价格便宜。缺点是铜易氧化，广泛用于20～473K的低温实验室测量中。

2.常用热电偶的结构类型

为了适应不同生产对象的测温要求和条件，热电偶的结构形式有普通型热电偶、铠装型热电偶、薄膜型热电偶及快速消耗微型热电偶等。

（1）普通型热电偶

普通工业装配式热电偶作为测量温度的变送器，通常与显示仪表、记录仪表和电子调节器配套使用。它可以直接测量各种生产过程中0℃～1800℃范围的液体、蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。热电偶通常由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等几个主要部分组成，其结构图及实物图如图7-8所示。

pagenumber_ebook=99,pagenumber_book=93

图7-8　普通型热电偶

①热电极，又称偶丝，它是热电偶的基本组成部分。普通金属做成的偶丝，其直径一般为0.5～3.2mm，贵重金属做成的偶丝，直径一般为0.3～0.6mm。偶丝的长度则由使用情况、安装条件，特别是工作端在被测介质中插入的深度来决定，通常为300～2000mm，常用的长度为350mm。

②绝缘管，又称绝缘子，是用于热电极之间及热电极与保护套管之间进行绝缘保护的零件。形状一般为圆形或椭圆形，中间开有两个、四个或六个孔。偶丝穿孔而过。材料为黏土质、高铝质、刚玉质等，材料选用视使用的热电偶而定。在室温下，绝缘管的绝缘电阻应在5MΩ以上。

③保护套管，是用来保护热电偶感温元件免受被测介质化学腐蚀和机械损伤的装置。保护套管应具有耐高温、耐腐蚀的性能，要求导热性能好，气密性好。其材料有金属、非金属以及金属陶瓷三大类。金属材料有铝、黄铜、碳钢、不锈钢等，其中Cr8Ni9Ti不锈钢是目前热电偶保护套管使用的典型材料。非金属材料有高铝质（85％～90％Al2O3）、刚玉质（99％Al2O3），使用温度都在1300℃以上。金属陶瓷材料如氧化镁加金属钼，这种材料使用温度在1700℃，且在高温下有很好的抗氧化能力，适用于钢水温度的连续测量。形状一般为圆柱形。

④接线盒，是用来固定接线座和作为连接补偿导线的装置。根据被测量对象的温度及现场环境条件，设计有普通式、防溅式、防水式和接插座式4种结构形式。其中，普通式接线盒无盖，仅由盒体构成，其接线座用螺钉固定在盒体上，适用于环境条件良好、无腐蚀性气体的现场；防溅式、防水式接线盒有盖，且盖与盒体是由密封圈压紧密封的，适用于雨水能溅到的现场或露天设备现场；插座式接线盒结构简单、安装所占空间小，接线方便，适用于需要快速拆卸的环境。

（2）铠装型热电偶

铠装型热电偶又称套管热电偶。它是由热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体。它可以做得很细很长，使用中随需要能任意弯曲。铠装热电偶的主要优点是测温端热容量小，动态响应快，机械强度高，挠性好，可安装在结构复杂的装置上，因此被广泛用在许多工业部门中。铠装热电偶的结构图及实物图如图7-9所示。

pagenumber_ebook=100,pagenumber_book=94

图7-9　铠装型热电偶

（3）薄膜型热电偶

薄膜型热电偶是由两种薄膜热电极材料，用真空蒸镀、化学涂层等办法蒸镀到绝缘基板上面制成的一种特殊热电偶。薄膜热电偶的热接点可以做得很小（可薄到0.01～0.1μm），具有热容量小，反应速度快等特点，热响应时间达到微秒级，适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量。薄膜型热电偶的结构图及实物图如图7-10所示。

pagenumber_ebook=101,pagenumber_book=95

图7-10　薄膜型热电偶

（4）快速消耗微型热电偶

如图7-11所示为一种测量钢水温度的热电偶。它是用直径为φ0.05～0.1mm的铂铑10-铂铑30热电偶装在U形石英管中，再铸以高温绝缘水泥，外面再用保护钢帽所组成的。这种热电偶使用一次就焚化，但它的优点是热惯性小，只要注意它的动态标定，测量精度可达±5℃～7℃。

pagenumber_ebook=101,pagenumber_book=95

图7-11　快速消耗微型热电偶

1—钢帽；2—石英；3—纸环；4—绝热泥；5—冷端；6—棉花
7—绝缘纸管；8—补偿导线；9—套管；10—塑料插座；11—簧片与引出线

常见的热电偶温度传感器解析

相关推荐