Nanmac热电偶知识培训-坤驰

从信号流的流向来看，一个测试系统一次包括了传感部件→信号调理部件→信号采集部件→结果处理与显示控制部件。一般来讲，一个测试系统中最重要的部件就是传感器，因为所有的物理现象都是通过传感器转换成电信号来进行处理与控制的。

如果把一个测试系统比喻成一个人，那传感器就是人的眼、耳、鼻、舌、身，就是这个测试系统系统的五官感觉。整个测试系统进行测试处理的外部信息都是依赖传感器传入测试系统的。

二．热电偶传感器工作原理

Ⅰ。热电偶测温的应用原理 

热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是：

①测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。

②测量范围广。常用的热电偶从-50~+1600℃均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）。

③构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的，外有保护套管，用起来非常方便。

1．热电偶测温基本原理

  将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路。当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。

2．热电偶的种类及结构形成

（1）热电偶的种类

   常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶 

   我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。

(2)热电偶的结构形式 为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下：

① 组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；

② 两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；

③ 补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；

④ 保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。

3．热电偶冷端的温度补偿

   由于热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。必须指出，热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t0≠0℃时对测温的影响。

Ⅱ。补偿导线工作原理：

 在一定温度范围内，具有与其匹配的热电动势标称值相同的一对带绝缘包覆的导线叫补偿导线。用它们连接热电偶与测量装置，以补偿热电偶连接处的温度变化所产生的误差。

1．补偿导线特点： 

1热电特性稳定，电绝缘性能好，使用寿命长。

2 柔软，弯曲性能好，使用方便。

3 包覆层材料稳定可靠，具有一定的耐温性和耐寒性能。

2．补偿导线结构和用途：

1补偿导线由芯线和绝缘包覆层组成；

2补偿导线应因芯线合金材质不同分为延长型和补偿型两种，延长型补偿导线有 NX （ 镍铬硅 - 镍硅镁） 、 KX （ 镍铬 10- 镍硅 3 ） 、 EX （ 镍铬 10- 铜镍 45 ） 、 JX （ 铁 - 铜镍 45 ） 、 TX （ 铜 - 铜镍 45 ） ， 补偿型补偿导线有 SC 和 RC （ 铜 - 铜镍 0.6 ） 、 KC （ 铜 - 铜镍 40 ） 、 NC （ 铁 - 铜镍） 等；

③补偿导线的绝缘 包覆层 与外套材料有聚氯乙烯，聚四氟乙烯，玻璃纤维，石英纱和陶瓷纤维等； 金属 屏蔽层有不锈钢网等；

④热电偶补偿导线与显示仪表、记录仪或计算机连接构成测温系统，广泛用于电力、冶金、石油、化工、轻纺等工业及国防、科研等部门。

三．热电偶的主要技术指标

1．量程：即可测量的温度范围

2．精度：测量结果偏离真实值的误差。例如某型号热电偶标称精度为5‰ ，被测对象的温度变化范围是1800°C，则误差就是5‰×1800°C=9°C

3．连接尺寸和连接形式：根据安装形式的不同，热电偶可以分为螺栓连接和法兰连接。

4．机械结构：主要指偶丝的机械结构，主要分为暴露型和非暴露型。暴露型热电偶将偶丝直接暴露在外，与被测环境流利接触。非暴露型热电偶的偶丝由套管全部保护起来，偶丝和护管之间保持与外界的密封。 

5．响应时间：热电偶测温实际上测得的是热电偶结的温度。因此，必须要等到被测环境和热电偶达到热平衡（即热电偶和被测环境不再发生热交换）时，热电偶测得的温度才是环境温度。而热电偶和被测环境达到热平衡所用的时间即为热电偶的响应时间。

6．传输距离：由于热电偶测温原理中应用了帕尔帖效应（涉及金属本质的一些特性），所以在信号传输过程中，要尽量减少金属导线对测得电信号造成的误差，就需要用同种的金属材料制作延长线（此举是为了避免应用其它金属而形成额外的电偶结）。

7．热电偶公称压力：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、还与其结构形式、安装方法、置入深度以及被测介质的流速和种类等有关。

8．防护等级

防护等级系统是由IEC（INTERNATIONAL ELECTRO-TECHNICAL COMMISSION）所起草。将电器依其防尘、防湿气之特性加以分级。这里所指的外物含工具，人的手掌、手指等均不可接触到电器内之带电部分，以免触电。IP防护等级是由两个数字所组成，第1个数字表示电器离尘、防止外物侵入的等级，第2个数字表示电器防湿气、防水侵入的密闭程度，娄字越大表示其防护等级越高，两个标示数字所表示的防护等级参见7-3

9．防爆等级

仪表的防爆标志 

  Ex(ia)ⅡC T6 的含义 :  

防爆声明 Ex  符合某种防爆标准，如我国的国家标准 

防爆方式 ia  采用 ia 级本质安全防爆方法，可安装在 0 区 

气体类别 ⅡC  被允许涉及ⅡC 类爆炸性气体 

温度组别 T6  仪表表面温度不超过 85℃ 

Ex(ia)ⅡC 的含义  

标志内容 符号 含义 

防爆声明 Ex  符合欧洲防爆标准 

防爆方式 ia  采用 ia 级本质安全防爆方法，可安装在 0 区 

气体类别 ⅡC  被允许涉及ⅡC 类爆炸性气体

详细分类参见7-4

10．常温绝缘电阻

热电偶在环境温度为20±15°C，相对湿度不大于80%，试验电压为500±50V（直流）电极与外套管之间的绝缘电阻>1000Ω.m

四．热电偶的组成

五．Nanmac热电偶的特点

1．耐高温，同时就意味着量程的扩大。在钨铼（W-Re）热电偶出现之前，对于高温的测量使用的都是铂铑热电偶，最高温度只能测量到1800°C，而且贵重金属铂的价格也十分昂贵。采用钨铼合金的热电偶后，不但将测量的温度提高到2600°C，更节省了成本。、

2．响应速度快，

3．保护管材料采用

a)钽（Tantalum ）(金属)

i.3000 °C熔化

ii.适于惰性气体环境

iii.热循环良好；高、低温下均可工作

iv.适用于石磨炉

v.不适于氧化环境

b)钼（Molybdenum） (金属)

i.2600 °C熔化

ii.适于惰性气体环境

iii.热循环良好；高、低温下均可工作

iv.适用于石磨炉

v.不适于氧化环境

c)氧化锆 Zirconia(陶瓷)

i.2425 °C以上熔化

ii.适于氧化环境

iii.不利于热循环

d)氧化铝（Alumina） (陶瓷)

i.2030 °C熔化

ii.适于氧化环境

iii.不利于热循环

e)Nanmac NC-12 (陶瓷)

i.空气中1200°C下可工作

ii.在1000°C 的熔融铝中可连续工作几个月

iii.在900°C 的锌中可连续工作几个月

iv.不适于熔融的钢或铁

4．热电偶选用需要考虑的因素

被测环境的温度范围

测量时间是否较长

需要的响应时间

热电偶所处的环境（真空、惰性气体、空气）

热电偶的安装形式

热电偶的尺寸和形状

六．应用领域

1．高温真空炉

2．金属冶炼、精炼钢

3．高温天然气温度

4．碳素厂

5．石油、化工行业

6．玻璃成型模温测试

七．相关行业标准

1．热电偶分度号标准

热电偶的分度号有主要有S、R、B、N、K、E、J、T等几种。其中S、R、B属于贵金属热电偶， N、K、E、J、T属于廉金属热电偶。 

   T、S分度号的特点是抗氧化性能强，宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，长期使用温度1400℃ 短期1600℃。在所有热电偶中，S分度号的精确度等级最高，通常用作标准热电偶；^ 

   R分度号与S分度号相比除热电动势大15%左右，其它性能几乎完全相同； 

   B分度号在室温下热电动势极小，故在测量时一般不用补偿导线。它的长期使用温度为1600℃，短期1800℃。可在氧化性或中性气氛中使用，也可在真空条件下短期使用。 

   N分度号的特点是1300℃下高温抗氧化能力强，热电动势的长期稳定性及短期热循环的复现性好，耐核辐照及耐低温性能也好，可以部分代替S分度号热电偶； 

   K分度号的特点是抗氧化性能强，宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，长期使用温度1000℃ 短期1200℃。在所有热电偶中使用最广泛； 

   E分度号的特点是在常用热电偶中，其热电动势最大，即灵敏度最高。宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，使用温度0-800℃； 

   J分度号的特点是既可用于氧化性气氛(使用温度上限750℃)，也可用于还原性气氛(使用温度上限950℃)，并且耐H2及CO气体腐蚀，多用于炼油及化工； 

   T分度号的特点是在所有廉金属热电偶中精确度等级最高，通常用来测量300℃以下的温度

•类型 T, 铜/康铜(镍铜合金) (Copper / Constantan): (-)185～ 370  °C. 精度：+/- ¾ % 

•类型 J, 铁/康铜(Iron / Constantan): 0 ～ 760  °C.精度： +/- ¾ % 

•类型 E, 镍铬/康铜(Chromel / Constantan): 0 ～ 870  °C.精度： +/- ½ % 

•类型 K, 镍铬/镍硅合金(Chromel / Alumel): 0 ～ 1260  °C.精度： +/- ¾ % 

•类型 S, 铂/铂-10%铑(Platinum (Pt) / Platinum-10%Rhodium (Rh)): 0 ～ 1480  °  C.精度： +/- ¼ % 

•类型 B, 铂- 6%铑/铂- 30% 铑(Pt-6%Rh / Pt-30%Rh): 870 ～ 1705  °C.精度： +/- ½ % 

•类型 C, 钨- 5%铼/钨- 26%铼: 426 ～ 2315  °  C.精度： +/- 1%

•类型 D, 钨- 3%铼/钨- 25%铼: 426～ 2315  °  C.精度： +/- 1%

2．产业执行标准

IEC584

IEC1515

GB/T16839-1997

JB/T5518-91

GB3836

3．机电产品的防护等级（IP值）

IP（INTERNATIONAL PROTECTION）防护等级系统是由IEC（INTERNATIONAL ELECTRO-TECHNICAL COMMISSION）所起草。将电器依其防尘、防湿气之特性加以分级。这里所指的外物含工具，人的手掌、手指等均不可接触到电器内之带电部分，以免触电。IP防护等级是由两个数字所组成，第1个数字表示电器离尘、防止外物侵入的等级，第2个数字表示电器防湿气、防水侵入的密闭程度，娄字越大表示其防护等级越高，两个标示数字所表示的防护等级如表一及表二 

      表一：第一个标示特性号码（数字）所指的防护程度 第一个数字标示

     表二：第二个标示特性号码（数字）所指的防护程度 第二个数字标示

防爆方法对危险场所的适用性：     

   根据可能引爆的最小火花能量，我国和欧洲及世界上大部分国家和地区将爆炸性气体分为四个危险等级 , 如下表 :