热电偶/热电阻基础知识详解

一、温度与测温

1. 温度：是表征物体的冷热程度的物理量，是七个基本物理量之一，是物体内部分子无规则运动的宏观反映。

2. 温标：即温度的标准，是温度高低的标准尺度，是温度的数值表示方法。各种温度计的数值都是由温标决定的。

3. 温标三要素：利用物质的“相平衡温度”为固定点刻在温度计上，而固定点之间的温度值则用理论推导的数学公式（又称内插方程）来表达。温度计、固定点、内插方程称为温标三要素。

4. 常用固定点：水0.01℃，锡231.928℃，锌419.527℃，铝660.323℃，铜1084.62℃。

5. 华氏温标：1714年，规定水的凝固点为32度，水的沸点为212度，将这两个固定点之间等分180格，每一格称为华氏一度，用℉表示。

6. 摄氏温标：1742年，规定水的凝固点为0度，水的沸点为100度，将这两个固定点之间等分100格，每一格称为摄氏一度，用℃表示。它是应用最广的一种温度标准。换算公式：℉=1.8℃+32。

7. 热力学温标：1848年英国科学家开尔文提出了建立在热力学第二定律基础上的与测温物质性质无关的温标，叫热力学温标，用“K”表示。换算公式：℃=K-273.15。

8.  绝对零度：根据热力学第三定律，绝对零度就是理想气体分子停止无规则运动而处于静止状态，内能为零，即“0”K。

9. 国际实用温标：为了推进热力学温标的实际应用，1990年各国科学家在热力学温标的基础上共同制定了国际实用温标ITS-90，仍然用“K”表示。我国从1994年1月1日起执行ITS-90国际温标。

10. 温度计：测量温度的仪器叫温度计，分直接测温、间接测温两类。利用物质的热电特性测温的叫热电偶温度计（简称热电偶），利用物体的电阻温度特性测温的叫热电阻温度计（简称热电阻），利用物体的热膨胀特性测温的有双金属温度计、压力式温度计、玻璃液体温度计。间接测温有辐射温度计、远红外温度计、光电温度计等等。

11. 温度测量：热力学第零定律为温度测量和检定提供了理论依据。大多数的温度测量都是采用比较法，根据热交换系统的热平衡点来测量温度的。

二、热电偶基础

1. 热电效应：将两根不同的导体连接在一起，当导体的两端温度不一致时，导体构成的回路中就有电流产生，这种现象叫物质的热电效应（塞贝克效应）。热电特性是物质普遍具有的一种物理特性。

2. 热电偶：以测量热电动势的方法来测量温度的一对金属导体。注意是两根不同的均质导体，且只有热电特性曲线线性好、稳定性好、热电势率较大、耐蚀性好的一对金属导体才可用于热电偶。

3. 热电极：构成热电偶的两根金属导体叫热电极，其中一根叫正极，另一根叫负极。

4. 测量端与参比端：热电偶的焊接端叫测量端，也叫热端，另一端用于连接显示仪叫参比端，也叫冷端。

5. 热电动势：热电偶回路中由于测量端和参比端温度不一致时所产生的电动势，叫热电动势，包括温差电势和接触电势两部份。当参比端温度恒定时，热电偶的热电动势大小与测量端温度一一对应。

6. 热电势率：指温度每变化1℃引起热电偶的热电动势的变化值，又称“塞贝克系数”，单位为μV/℃。温度需换算成热电动势才能进行运算。

7. 热电偶的基本定律：均质导体定律、中间导体定律、中间温度定律、连接导体定律、参考电极定律。

8. 热电偶起源：基于1821年塞贝克发现的热电效应，1826年贝克雷尔首先根据热电效应来测量温度。

9. 分度号：对热电特性在一定范围内一致的一个类别的热电偶的命名符号。热电极化学成分相同的两支热电偶，其分度号相同。

10. 分度表：每类分度号的热电偶在每摄氏度对应的热电动势的数据表，叫热电偶分度表。

11. 热电偶的结构：两端五部，热电偶三要素

12. 装配热电偶：热电偶偶丝、绝缘材料、保护套管经过装配而成，并可拆卸的热电偶。

13. 铠装热电偶：热电偶偶丝采用氧化镁粉绝缘，将偶丝、绝缘材料、保护套管组装在一起，反复拉拔缩径，加工成一体化的细长的不可拆卸的热电偶电缆，再分剪成需要的长度，制作测量端和接线端，即成为铠装热电偶。

三、热电偶选型基础

1. 热电偶分类：按结构分为装配热电偶、铠装热电偶；按热电特性，现有10个已标准化的分度号和其它具有专门用途的非标准化热电偶；按对数分单支、双支、多支热电偶；按热电极的资源状况，有贵金属热电偶和廉金属热电偶；按用途，有真空专用热电偶、高温耐磨热电偶等等。热电偶产品名称一般含有结构特征、分度号、对数等多种分类含义，如铠装K型双支热电偶。

2. 热电偶的使用温度：

名义使用温度：热电偶分度表的分度范围。

最高使用温度：在构成热电偶的偶丝、绝缘材料和保护套管中，取各自的最高耐温值中的最低值作为该热电偶的最高使用温度。一般指短期极限使用温度。

推荐最高使用温度：根据热电偶的最高使用温度，结合热电偶的直径、长度、介质特性等因素对热电偶的影响，确定的长期使用温度。

3. 热电偶的精度：指具体一支热电偶的热电特性与该类热电偶的标准分度表的符合程度，又叫允差（允许偏差）。热电偶的允差标准只与分度号有关，与结构形式无关。热电偶允差等级有I、II、III级。

4. 绝缘型与接地型：接地型热电偶是指在测量端把偶丝与外套管连通，但在其它部位，偶丝与套管的绝缘要求与绝缘型热电偶完全一样。绝缘材料的性能对热电偶的测温精度和使用寿命起着决定性作用，绝缘失效是热电偶损坏的主要形式之一。铠装热电偶室温绝缘电阻应大于1000 MΩ.m，装配热电偶室温绝缘电阻应大于100 MΩ.m。绝缘电阻还与长度和温度有关。

5. 铠装热电偶的性能特点：铠装热电偶相对于装配热电偶具有直径小、密封性好、可弯曲、热响应快、可靠性高、成本低、可批量生产、安装使用方便等特点，但机械强度和长期耐用性比装配热电偶略差。铠装热电偶在大多数场合都可以代替装配热电偶使用，有很多的厂家用铠装偶作为装配偶的芯子来改造装配热电偶。

6. 补偿导线：在一定温度范围内（-20～200℃），具有与所连接的热电偶的热电特性相同的一对相互绝缘的导线，其作用是补偿热电偶接线端至显示控制仪表之间的温差所产生的热电动势。补偿导线根据线芯材质分为补偿型和延长型，根据使用温度分为普通型和耐热型，根据补偿精度分为普通型和精密型。

7. 温度变送器：将热电偶输出的非线性毫伏信号转换成统一的标准信号（4~20mA）输出的装置叫热电偶温度变送器。将温度变送器装配在热电偶的接线盒内，即构成带热电偶的一体化温度变送器。

四、热电阻基础

1. 测温原理：热电阻是利用金属导体的电阻随温度变化而变化的原理来测量温度的。

2. 热电阻元件：选择物理化学性能稳定、电阻温度系数较高的电阻专用金属材料，制造成标准电阻，如10、25、50、100、500、800、1000Ω等，用于测温的标准电阻叫热电阻元件。

3. 热电阻温度计：采用热电阻元件制造的温度计叫热电阻温度计，简称热电阻。根据材质分为铂电阻和铜电阻，还有不常用的铟电阻、镍电阻等。

4. 铂电阻：铂是制作热电阻最理想的材料，其化学性能非常稳定。铂电阻的测温精度是现有工业温度计中最高的。铂电阻温度计主要有Pt100、Pt10两种分度号（标准电阻值分别为100、10Ω），测温范围-200～850℃。

5. 铜电阻：铜热电阻成本低，具有较高的温度系数，但精度较低，现在已很少使用。铜热电阻现有Cu50、Cu100两种分度号（标准电阻值分别为50、100Ω），测温范围-50～150℃。

6. 测温精度与测温范围

7. 热电阻的引线制式：由于热电阻元件输出的电阻值包含了引线的电阻，为了减小或消除引线电阻带来的测量误差，热电阻测温时除采用普通的两线制引线外，还设计了三线制、四线制引线。A级精度铂电阻和铠装热电阻必须采用三线制或四线制引线；

8. 两线制：热电阻产品只有两根引线，测量电阻包含了引线电阻，一般引线电阻≤0.1Ω。两线制一般用于引线不长、测量精度要求不高的场合。两线制仅指热电阻产品的内引线采用两根引线，用户安装的外引线必须用三根线。

9. 三线制：热电阻产品给出三根引线，而且三根引线的电阻近似相等。结合显示仪表可消除引线电阻对测量结果的影响。

10. 四线制：热电阻产品给出四根引线，这种方法可以完全消除引线电阻对测量结果的影响，测量精度高，一般适用于精密测量，如标准铂电阻温度计。

五、热电偶/阻选型步骤

1. 明确被测温设备的使用工况：包括最高最低和正常使用温度、使用介质物理状态和化学特性、操作过程可能对热电偶发生的影响、安装密封要求、与下级仪表的配套要求、外部环境和测温目的等等。

2. 确定两端五部

1） 根据使用温度和介质特性确定热电偶/阻分度号和保护套管的材质。

2） 根据被测温设备对热电偶/阻的机械强度和安装密封要求确定保护管直径、置入长度、总长度和安装固定装置。

3） 根据被测温设备的加热方式和安装密封要求确定热电偶/阻测量端形式。

4） 根据外部环境和安装密封要求确定热电偶/阻接线端形式。

5） 根据下级仪表的配套要求和测温目的确定是否带温度变送器以及现场温度显示。

6） 根据热电偶选型表，正确标记表述所选定的热电偶/阻。

3. 验证技术经济可行性

1） 测温精度选择适当，Ⅰ级（或A级）精度价格是Ⅱ级（或B级）精度的2倍；

2） 保护套管材质选择适当，耐热钢和耐蚀钢价格是普通不锈钢价格的2倍，高温合金价格是不锈钢的20倍；

3） 测高温的分度号选择适当，最高使用温度在1200℃以下的一般不选贵金属热电偶，S分度号价格是高温合金K型热电偶的3倍；

4） 尽量选择常用型号规格的热电偶/阻，尽量选择铠装热电偶/阻。

六、常用保护套管

七、热电偶/阻选型表

W R  K   O   2 — F4   3   0   A  - 1000 x 850—   —     Ⅰ / W6A6

1    2     3    4      5     6    7    8      9　 　10    11    12   13     14

 完

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