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溫度傳感器應(yīng)用廣泛，種類繁多，但常見的主要類型有：熱電偶、熱電堆、 熱敏電阻、電阻溫度檢測器、IC溫度傳感器。IC溫度傳感器又包括模擬 輸出傳感器和數(shù)字輸出傳感器兩種類型。按照溫度傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類。

（1）熱電偶的基本定義

熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一，熱電偶工作原理是基于賽貝克 (seeback)效應(yīng),即兩種不同成分的導(dǎo)體兩端連接成回路，如兩連接端溫度不同， 則在回路內(nèi)產(chǎn)生熱電流的物理現(xiàn)象。

作為工業(yè)測溫中最廣泛使用的溫度傳感器之一熱電偶，與鉑熱電阻一起， 約占整個(gè)溫度傳感器總量的 60%，熱電偶通常和顯示儀表等配套使用，直接測量 各種生產(chǎn)過程中-40～1800℃范圍內(nèi)的液體、蒸氣和氣體介質(zhì)以及固體的表面溫度。優(yōu)點(diǎn)有測量精度高，測量范圍廣，構(gòu)造簡單，使用方便。

（2）熱電偶測溫基本原理

熱電偶是一種感溫元件，可直接測量溫度并將其轉(zhuǎn)換為熱電動(dòng)勢信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過電氣儀表轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)的溫度。熱電偶的工作原理是由兩種不同成份的導(dǎo)體組成閉合回路，在溫度梯度存在時(shí)，電流會(huì)通過回路，產(chǎn)生熱電動(dòng)勢，這就是塞貝克效應(yīng)。熱電偶的兩種導(dǎo)體稱為熱電極，其中一端為工作端（溫度較高），另一端為自由端（通常處于恒定溫度下）。根據(jù)熱電動(dòng)勢與溫度的關(guān)系，制作熱電偶分度表，不同的熱電偶有不同的分度表。

當(dāng)在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時(shí)，只要該材料兩個(gè)接點(diǎn)的溫度相同，熱電偶產(chǎn)生的熱電勢將保持不變，不受第三種金屬的影響。因此，在熱電偶測溫時(shí)，可以接入測量儀表，通過測量熱電動(dòng)勢來確定被測介質(zhì)的溫度。熱電偶將導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B焊接成閉合回路。

熱電偶將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體 A 和 B 焊接起來，構(gòu)成一個(gè)閉合回路，如圖所示。

當(dāng)導(dǎo)體A和B兩個(gè)執(zhí)著點(diǎn)1和2之間存在溫差時(shí)，兩者之間便產(chǎn)生電動(dòng)勢, 因而在回路中形成一個(gè)大小的電流,這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電偶就是利用這 一效應(yīng)來工作的。

兩種不同成份的導(dǎo)體（稱為熱電偶絲材或熱電極）兩端接合成回路，當(dāng)接合點(diǎn) 的溫度不同時(shí)，在回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，而這種電動(dòng) 勢稱為熱電勢。熱電偶就是利用這種原理進(jìn)行溫度測量的，其中，直接用作測量 介質(zhì)溫度的一端叫做工作端（也稱為測量端），另一端叫做冷端（也稱為補(bǔ)償端）；冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會(huì)指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢。

熱電偶是一種能量轉(zhuǎn)換器，將熱能轉(zhuǎn)換為電能，通過測量所產(chǎn)生的熱電勢來衡量溫度。在研究熱電偶的熱電勢時(shí)，需要注意以下幾個(gè)問題：

1）熱電偶的熱電勢是熱電偶兩端溫度之差的函數(shù)，而不是熱電偶兩端溫度差的函數(shù)。

2）熱電偶產(chǎn)生的熱電勢的大小與熱電偶的長度和直徑無關(guān)，只與熱電偶材料的成份和兩端的溫差有關(guān)，前提是熱電偶材料均勻。

3）在確定熱電偶兩個(gè)熱電偶絲的材料成份后，熱電偶熱電勢的大小僅與熱電偶的溫度差有關(guān)。如果熱電偶冷端的溫度保持恒定，熱電偶的熱電勢僅是工作端溫度的單值函數(shù)。

常用的熱電偶材料有：

（3）熱電偶的種類及結(jié)構(gòu)

種類

熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。所謂標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國家 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶， 它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級(jí)上均不 及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。

熱電偶的基本構(gòu)造

工業(yè)測溫用的熱電偶，其基本構(gòu)造包括熱電偶絲材、絕緣管、保護(hù)管和接線 盒等。

常用熱電偶絲材及其性能：

A、鉑銠 10－鉑熱電偶（分度號(hào)為Ｓ，也稱為單鉑銠熱電偶該熱電偶的正極成份為含銠10%的鉑銠合金，負(fù)極為純鉑；

特點(diǎn)：

（１）熱電性能穩(wěn)定、抗氧化性強(qiáng)、宜在氧化性氣氛中連續(xù)使用、長期使用 溫度可達(dá) 1300℃，超達(dá) 1400℃時(shí)，即使在空氣中、純鉑絲也將會(huì)再結(jié)晶，使晶 粒粗大而斷裂；

（２）精度高，它是在所有熱電偶中，準(zhǔn)確度等級(jí)最高的，通常用作標(biāo)準(zhǔn)或 測量較高的溫度；

（３）使用范圍較廣，均勻性及互換性好；

（４）主要缺點(diǎn)有：微分熱電勢較小，因而靈敏度較低；價(jià)格較貴，機(jī)械強(qiáng) 度低，不適宜在還原性氣氛或有金屬蒸汽的條件下使用。

B、鉑銠 13－鉑熱電偶（分度號(hào)為Ｒ，也稱為單鉑銠熱電偶） 該熱電偶的正極為含 13%的鉑銠合金，負(fù)極為純鉑，同 S 型相比，它的電勢 率大 15%左右，其它性能幾乎相同，該種熱電偶在日本產(chǎn)業(yè)界，作為高溫?zé)犭娕?用得最多，而在中國，則用得較少；

C、鉑銠 30－鉑銠 6 熱電偶（分度號(hào)為Ｂ，也稱為雙鉑銠熱電偶） 該熱電偶的正極是含銠 30%的鉑銠合金，負(fù)極為含銠 6%的鉑銠合金，在室溫 下，其熱電勢很小，故在測量時(shí)一般不用補(bǔ)償導(dǎo)線，可忽略冷端溫度變化的影響；長期使用溫度為 1600℃，短期為 1800℃，因熱電勢較小，故需配用靈敏度較高 的顯示儀表。

Ｂ型熱電偶適宜在氧化性或中性氣氛中使用，也可以在真空氣氛中的短期使 用；即使在還原氣氛下，其壽命也是Ｒ或Ｓ型的 10～20 倍；由于其電極均由鉑 銠合金制成，故不存在鉑銠－鉑熱電偶負(fù)極上所有的缺點(diǎn)、在高溫時(shí)很少有大結(jié) 晶化的趨勢，且具有較大的機(jī)械強(qiáng)度；同時(shí)由于它對(duì)于雜質(zhì)的吸收或銠的遷移的 影響較少，因此經(jīng)過長期使用后其熱電勢變化并不嚴(yán)重、缺點(diǎn)價(jià)格昂貴（相對(duì)于 單鉑銠而言）。

D、鎳鉻－鎳硅（鎳鋁）熱電偶（分度號(hào)為Ｋ） 該熱電偶的正極為含鉻 10%的鎳鉻合金，負(fù)極為含硅 3%的鎳硅合金（有些國 家的產(chǎn)品負(fù)極為純鎳）。可測量 0～1300℃的介質(zhì)溫度，適宜在氧化性及惰性氣 體中連續(xù)使用，短期使用溫度為 1200℃，長期使用溫度為 1000℃，其熱電勢與 溫度的關(guān)系近似線性，價(jià)格便宜，是目前用量最大的熱電偶。

Ｋ型熱電偶是抗氧化性較強(qiáng)的賤金屬熱電偶，不適宜在真空、含硫、含碳?xì)?氛及氧化還原交替的氣氛下裸絲使用；當(dāng)氧分壓較低時(shí)，鎳鉻極中的鉻將擇優(yōu)氧 化，使熱電勢發(fā)生很大變化，但金屬氣體對(duì)其影響較小，因此，多采用金屬制保護(hù)管。

Ｋ型熱電偶的缺點(diǎn)：

（1）熱電勢的高溫穩(wěn)定性較Ｎ型熱電偶及貴重金屬熱電偶差，在較高溫度 下（例如超過 1000℃）往往因氧化而損壞；

（2）在 250～500℃范圍內(nèi)短期熱循環(huán)穩(wěn)定性不好，即在同一溫度點(diǎn)，在升 溫降溫過程中，其熱電勢示值不一樣，其差值可達(dá) 2～3℃；

（3）其負(fù)極在 150～200℃范圍內(nèi)要發(fā)生磁性轉(zhuǎn)變，致使在室溫至 230℃范 圍內(nèi)分度值往往偏離分度表，尤其是在磁場中使用時(shí)往往出現(xiàn)與時(shí)間無關(guān)的熱電 勢干擾；

（４）長期處于高通量中系統(tǒng)輻照環(huán)境下，由于負(fù)極中的錳（Ｍn）、鈷（Ｃ o）等元素發(fā)生蛻變，使其穩(wěn)定性欠佳，致使熱電勢發(fā)生較大變化。

E、鎳鉻硅－鎳硅熱電偶（分度號(hào)為Ｎ） 該熱電偶的主要特點(diǎn)是：在 1300℃以下調(diào)溫抗氧化能力強(qiáng)，長期穩(wěn)定性及 短期熱循環(huán)復(fù)現(xiàn)性好，耐核輻射及耐低溫性能好，另外，在 400～1300℃范圍內(nèi)， Ｎ型熱電偶的熱電特性的線性比Ｋ型偶要好；但在低溫范圍內(nèi)（-200～400℃） 的非線性誤差較大，同時(shí)，材料較硬難于加工。

E、銅－銅鎳熱電偶（分度號(hào)為Ｔ） T 型熱電電偶,該熱電偶的正極為純銅，負(fù)極為銅鎳合金（也稱康銅），其主要特點(diǎn)是：在賤金屬熱電偶中，它的準(zhǔn)確度最高、熱電極的均勻性好；它的使用 溫度是-200～350℃，因銅熱電極易氧化，并且氧化膜易脫落，故在氧化性氣氛 中使用時(shí)，一般不能超過 300℃，在-200～300℃范圍內(nèi)，它們靈敏度比較高， 銅－康銅熱電偶還有一個(gè)特點(diǎn)是價(jià)格便宜，是常用幾種定型產(chǎn)品中最便宜的一種。

F、鐵－康銅熱電偶（分度號(hào)為Ｊ）

J 型熱電偶,該熱電偶的正極為純鐵，負(fù)極為康銅（銅鎳合金），具特點(diǎn)是價(jià) 格便宜,適用于真空氧化的還原或惰性氣氛中，溫度范圍從-200～800℃，但常用 溫度只是 500℃以下，因?yàn)槌^這個(gè)溫度后，鐵熱電極的氧化速率加快，如采用 粗線徑的絲材，尚可在高溫中使用且有較長的壽命；該熱電偶能耐氫氣（Ｈ2） 及一氧化碳（ＣＯ）氣體腐蝕，但不能在高溫（例如 500℃）含硫（Ｓ）的氣氛 中使用。

G、鎳鉻－銅鎳（康銅）熱電偶（分度號(hào)為Ｅ）

Ｅ型熱電偶是一種較新的產(chǎn)品，它的正極是鎳鉻合金，負(fù)極是銅鎳合金（康 銅），其最大特點(diǎn)是在常用的熱電偶中，其熱電勢最大，即靈敏度最高；它的應(yīng) 用范圍雖不及Ｋ型偶廣泛，但在要求靈敏度高、熱導(dǎo)率低、可容許大電阻的條件 下，常常被選用；使用中的限制條件與Ｋ型相同，但對(duì)于含有較高濕度氣氛的腐 蝕不很敏感。

除了以上 8 種常用的熱電偶外，作為非標(biāo)準(zhǔn)化的熱電偶還有鎢錸熱電偶，鉑 銠系熱電偶，銥鍺系熱電偶，鉑鉬系熱電偶和非金屬材料熱電偶等。下表所列的是常用熱電偶的材料規(guī)格和線徑使用溫度的關(guān)系：

熱電偶分度號(hào)線徑（mm）長期短期

ＳΦ0。513001600

ＲΦ0。513001600

ＢΦ0。516001800

ＫΦ1。28001000

（4）熱電偶冷端的溫度補(bǔ)償

為了節(jié)省熱電偶材料的成本，特別是在使用貴金屬時(shí)，通常采用補(bǔ)償導(dǎo)線將熱電偶的冷端（自由端）延伸到溫度相對(duì)穩(wěn)定的控制室內(nèi)，并連接到儀表端子上。需要明確的是，熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的作用僅限于延伸熱電極，將熱電偶的冷端移至控制室內(nèi)的儀表端子上，它本身不能消除冷端溫度變化對(duì)溫度測量的影響，不能起到補(bǔ)償?shù)淖饔谩?/span>

絕緣管

該熱電偶的工作端被牢固焊接在一起，熱電極之間需要用絕緣管進(jìn)行保護(hù)。絕緣管有多種材料可選，主要分為有機(jī)和無機(jī)絕緣兩類。對(duì)于高溫端，必須選擇無機(jī)材料作為絕緣管。一般在1000℃以下可選用粘土質(zhì)絕緣管，在1300℃以下可選用高鋁管，在1600℃以下可選用剛玉管。

保護(hù)管

保護(hù)管的作用是使熱電偶電極與被測介質(zhì)不直接接觸。它的作用不僅延長熱電偶的壽命，還能提供支撐和固定熱電極的功能，增強(qiáng)其強(qiáng)度。因此，正確選擇熱電偶保護(hù)管和絕緣材料對(duì)于熱電偶的使用壽命和測量準(zhǔn)確性至關(guān)重要。保護(hù)管的材料主要分為金屬和非金屬兩大類。

小結(jié)：

熱電偶是工業(yè)溫度測量中常用的傳感器，具有高精度、經(jīng)濟(jì)和適用于廣泛溫度范圍的特點(diǎn)。它通過測量熱端和冷端之間的溫度差來進(jìn)行測量。

為了獲得熱端感測點(diǎn)的絕對(duì)溫度，需要測量冷端溫度并相應(yīng)地調(diào)節(jié)熱電偶的輸出。通常，冷端與熱電偶信號(hào)處理單元的輸入端通過具有高熱導(dǎo)率的材料片保持同溫。銅是具有理想熱導(dǎo)率（381W/mK）的材料。輸入連接需要電隔離，以避免熱電偶信號(hào)與片上的熱傳導(dǎo)相互影響。整個(gè)信號(hào)處理單元最好處于這種同溫環(huán)境中。

熱電偶的信號(hào)范圍通常在微伏/℃級(jí)別，熱電偶信號(hào)處理單元對(duì)電磁干擾（EMI）非常敏感，而熱電偶線路經(jīng)常受到EMI的干擾。EMI增加了接收信號(hào)的不確定性，對(duì)采集的溫度數(shù)據(jù)精度造成損害。此外，連接所需的專用熱電偶纜線也很昂貴，如果不小心使用其他類型的纜線進(jìn)行替代，可能會(huì)導(dǎo)致分析困難。

由于 EMI 與線長度成正比，所以要使干擾最小的通常選擇是把控制電路靠近 感測點(diǎn)，增加一個(gè)靠近感測點(diǎn)的遠(yuǎn)程板或采用復(fù)雜的信號(hào)濾波和纜線屏蔽。一個(gè) 比較妙的方案是在靠近感測點(diǎn)數(shù)字化熱電偶輸出。

（5）熱電偶工藝生產(chǎn)流程

熱電偶的生產(chǎn)過程控制包括以下內(nèi)容：

1) 偶絲檢驗(yàn)：檢查幾何尺寸和熱電勢。

2) 補(bǔ)償導(dǎo)線檢驗(yàn)：檢查幾何尺寸和熱電勢。

3) 準(zhǔn)備和檢驗(yàn)塑料插座、鋁帽、耐火底座、紙管和小紙管等組件。

4) 熱端焊接：通過P控制圖驗(yàn)證焊點(diǎn)的合格率和長度的合格率。

5) 偶絲退火：包括一次退火（堿洗、酸洗后的退火）和二次退火（穿U形管后的退火），控制退火溫度和時(shí)間。

6) 過程檢驗(yàn)：包括極性判斷、回路電阻和外觀質(zhì)量以及幾何尺寸的檢查。

7) 冷端焊接：控制焊接電壓，檢查焊點(diǎn)形狀和球形大小。

8) 組裝灌注：按要求進(jìn)行組裝，包括控制熱端位置和補(bǔ)線距離。灌注要求包括水泥配制、烘烤溫度和時(shí)間，并進(jìn)行絕緣電阻測量。

9) 最終檢驗(yàn)：檢查幾何尺寸、回路電阻、正負(fù)極性和絕緣電阻。

（6）熱電偶傳感器應(yīng)用

熱電偶是兩種不同的導(dǎo)體連接在一起形成的，當(dāng)測量及參考連接點(diǎn)分別處于 不同溫度上時(shí)即產(chǎn)生出所謂的熱電磁力（EMF）。連接點(diǎn)用途測量連接點(diǎn)是處于 被測溫度上的熱電偶連接點(diǎn)部分。

參考連接點(diǎn)在熱電偶中起到保持在已知溫度上或自動(dòng)補(bǔ)償溫度變化的作用。在常規(guī)工業(yè)應(yīng)用中，熱電偶元件通常連接到接頭上，而參考連接點(diǎn)則通過適當(dāng)?shù)臒犭娕佳由炀€連接到溫度比較穩(wěn)定的被控環(huán)境中。連接點(diǎn)的類型可以是接殼式熱電偶連接點(diǎn)或絕緣式熱電偶連接點(diǎn)。

接殼式熱電偶連接點(diǎn)是通過物理連接（焊接）與探針壁相連，從外部通過探針壁將熱量傳遞至連接點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)良好的熱傳輸。這種類型的連接點(diǎn)適用于測量靜態(tài)或流動(dòng)腐蝕性氣體和液體的溫度，以及一些高壓應(yīng)用。

絕緣式熱電偶連接點(diǎn)則與探針壁分開，并由一種軟性粉末包圍。雖然絕緣式熱電偶的響應(yīng)速度比接殼式熱電偶較慢，但它能提供電絕緣的特性。建議在測量腐蝕性環(huán)境時(shí)使用絕緣式熱電偶，可以通過護(hù)套屏蔽將熱電偶與周圍環(huán)境完全電絕緣。

露端式熱電偶允許連接點(diǎn)頂端深入到周圍環(huán)境中，這種類型的熱電偶提供最佳的響應(yīng)時(shí)間，但僅適用于非腐蝕、非危險(xiǎn)和非加壓的應(yīng)用。響應(yīng)時(shí)間可以用時(shí)間常數(shù)來表示，時(shí)間常數(shù)定義為傳感器在被控環(huán)境中從初始值到最終值改變63.2%所需的時(shí)間。露端式熱電偶具有最快的響應(yīng)速度，而且探針護(hù)套直徑越小，響應(yīng)速度越快，但其最大允許測量溫度也越低。

延伸線熱電偶使用延伸線將參考連接點(diǎn)從熱電偶轉(zhuǎn)接到另一端的線上，而該線通常位于被控環(huán)境中，并具有與熱電偶相同的溫度-電磁頻率特性。當(dāng)正確連接時(shí)，延伸線將參考連接點(diǎn)傳輸?shù)奖豢丨h(huán)境中。