热电偶与热电阻

热电现象：

将两种不同材料的导体（或半导体）A和B组成闭合回路称之为热电偶。A、B是热偶丝，也叫热电极。放在被测对象中，感受温度变化的那端称为工作端或热端，另一端称为自由端或冷端。当热端和冷端温度不同时回路中有电流流过，此电流称为热电流，产生热电流的电动势称为热电势，这种物理现象称为热电现象。此热电势由接触电势和温差电势两部分组成的。

接触电势：在两种不同性质的导体或半导体材料相接触点产生。

温差电势：同一种性质导体或半导体材料两端因为温度不同产生。

规定：热电偶的热电极中电子密度大的导体A为正极，电子密度小的B为负极。

热电偶：

热电偶是一种感温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表（如远传I/O）转换成被测介质的温度。

热电偶温度计以热电偶作为感温元件，一般用于测量500℃以上的高温，长期使用时其测温上限可达1300℃，短期使用时可达1600℃，特殊材料制成的热电偶可测量的温度范围为2000～3000℃。如电厂生产过程中的主蒸汽温度、过热器管壁温度、烟气高温等都是采用热电偶来测量的。

热电偶具有性能稳定、测温高、结构简单、使用方便、经济耐用、容易维护和体积小等优点，还便于信号远传和实现多点切换测量。

热电偶的优缺点：

优点：

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℃均可边续测量，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限制，外有保护套管，用起来非常方便。

缺点：

①低温范围的测量精度低；

②信号调理复杂，容易引入误差；

③易受腐蚀，使用必须在特定惰性气氛中使用，受腐蚀后精度会下降；

④抗噪性差，测量毫伏电压易受杂乱电场和磁场的影响。

均质导体定律 ：

该定律内容是：由一种均质导体或半导体组成的闭合回路，不论导体或半导体的截面积、长度和各处温度分布如何，都不能产生热电势。该定律已在理论分析中得到证明，并可得出如下结论：

（1）热电偶必须由两种不同性质的材料构成。

（2）若热电极本身的材质不均匀，由于温度差的存在，将会产生附加热电势，造成测量误差。

（3）由一种材料组成的闭合回路存在温差时，回路如产生热电势，便说明该材料是不均匀的。据此可检查热电极材料的均匀性，衡量热电偶质量的优劣。

中间导体定律 ：

该定律内容是：由不同材料组成的闭合回路中，若各种材料接触点的温度        都相同，则回路中热电势的总和等于零。根据中间导体定律还可以得出如下两个推论：

（1）在热电偶回路中接入第三种均质材料，只要保证所接入材料两端温度相同，就不会影响热电偶的热电势。根据中间导体定律，它使我们可以方便地在回路中直接接入各种类型的显示仪表或调节器，也可以将热电偶的两端不焊接而直接插入液态金属中或直接焊在金属表面进行温度测量。

（2）如果两种导体A和B对另一种参考导体C热电势已知，则这两种导体组成的热电偶的热电势是它们对参考导体热电势的代数和，即：

E _AB （t，t _o ）=E _AC （t，t _o ）＋E _CB （t，to）

参考导体亦称标准电极，一般选用铂制成，若已知各种电极与标准电极配成热电偶的热电特性，便可按此结论计算出任意两电极A、B配成热电偶后的热电特性，这样大大简化了热电偶的选配工作。

中间温度定律 ：

该定律内容是：热电偶A、B在接点温度为t ₁ 、t ₃ 时的热电势等于热电偶A、B在接点温度分别为t ₁ ，t ₂ 和t ₂ ，t ₃ 时热电势的代数和，即：

E _AB （t ₁ ，t ₃ ）＝E _AB （t ₁ ，t ₂ ）＋E _AB （t ₂ ，t ₃ ）

由此定律可得如下结论：

（1）已知热电偶在某一给定冷端温度下进行的分度，只要引入适当的修正，就可在另外的冷端温度下使用。该定律为制定和使用热电偶的热电势一温度关系即分度表奠定了理论基础。因为热电偶分度表是在冷端温度t ₀ =0℃时热电势与热端温度的关系，根据中间温度定律便可以算出任何冷端温度时的热电势值。可得出：E _AB （t，0）＝E _AB （t，t _n ）＋E _AB （t _n ，0）

（2）和热电偶具有同样热电性质的补偿导线可以引入热电偶回路中，相当于把热电偶延长而不影响热电偶应有的热电势。该定律为应用补偿导线提供了理论依据。

补偿导线：

我国规定补偿导线分为补偿型和延伸型两种。补偿型补偿导线的材料与对应的热电偶不同，是用贱金属制成的，但在低温下它们的热电性质是相同的。延伸型补偿导线的材料与对应的热电偶相同，但其热电性能的准确度要求略低。

补偿导线的作用：

①把热电偶的冷端延伸到远离被测对象且恒温或温度波动比较小的地方，改善热电偶电偶测温线路的机械与物理性能；

②节省贵金属和性能稳定的稀有金属热电偶材料，降低测量线路的成本；

③结构形式与电缆一样，便于实际安装使用和线路敷设；若用直径粗、电导系数大的补偿导线，还可以减少测量回路电阻。

热电偶分类：

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。标准化热电偶中国从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中国统一设计型热电偶。

电厂最常用热电偶有K分度和E分度：

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1200℃，短期1300℃。在所有热电偶中使用最广泛，使用温度-270~1372 ℃ ；  

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-200-900℃；

*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。

1 、普通型热电偶：

常用的普通型热电偶本体是一端焊接的两根金属丝（热电极）。考虑到两根热电极之间的电气绝缘和防止有害介质侵蚀热电极，在工业上使用的热电偶一般都有绝缘管和保护套管。在个别情况下，如果被测介质对热电偶不会发生侵蚀作用，也可不用保护套管，以减小接触测温误差与滞后。

2 、铠装热电偶

铠装热电偶是由金属套管、绝缘材料和热电极经拉伸加工而成的坚实组合体，其结构如图所示。套管材料有铜、不锈钢及镍基高温合金等。热电偶与套管之间填满了绝缘材料的粉末，目前采用的绝缘材料绝大部分为氧化镁。套管中的热电极有单丝的、双丝的和四丝的，彼此之间互相绝缘。

3、 薄膜热电偶

薄膜热电偶是由两种金属薄膜连接而成的一种特殊结构的热电偶。这种薄膜热电偶的热端既小又薄，热容量很小，可以用于微小面积上的温度测量；动态响应快，可测量瞬变的表面温度。我国研制成的铁一镍薄膜热电偶如下图所示。

安装要求：

对热电偶的安装,应注意有利于测温准确，安全可靠及维修方便，而且不影响设备运行和生产操作。要满足以上要求，在选择对热电偶和热电阻的安装部位和插入深度时要注意以下几点：  

1 、为了使热电偶的测量端与被测介质之间有充分的热交换,应合理选择测点位置,尽量避免在阀门,弯头及管道和设备的死角附近装设热电偶或热电阻；  

2 、如果不得以必须要在弯头处安装，也尽量顶部迎着流体方向安装，而不是顶部顺着流体方向；

3 、带有保护套管的热电偶有传热和散热损失，为了减少测量误差，热电偶和热电阻；

4 、热电偶应该有足够的插入深度。

插入深度要求：

(1) 对于测量管道中心流体温度的热电偶，一般都应将其测量端插入到管道中心处(垂直安装或倾斜安装)。如被测流体的管道直径是200毫米，那热电偶或热电阻插入深度应选择100毫米；

  (2) 对于高温高压和高速流体的温度测量(如主蒸汽温度)，为了减小保护套对流体的阻力和防止保护套在流体作用下发生断裂，可采取保护管浅插方式或采用热套式热电偶。浅插式的热电偶保护套管，其插入主蒸汽管道的深度应不小于75mm；热套式热电偶的标准插入深度为100mm。

(3) 假如需要测量是烟道内烟气的温度，尽管烟道直径为4m，热电偶或热电阻插入深度1   m 即可。

(4) 当测量原件插入深度超过1m时，应尽可能垂直安装，或加装支撑架和保护套管。

校验原理： 热电偶使用一段时间后，测量端由于氧化腐蚀和高温下的再结晶等原因，其热电特性会发生变化，因而产生测量误差，为了确保热电偶测温精确度，必须对热电偶进行校验。

采用比较法进行校验，将标准铂铑-铂热电偶与被校热电偶捆扎起来，放入管式加热炉中心，为了确保标准热电偶与被校热电偶的测量端的温度尽量相同，加热炉高温区域内放有钻孔的耐高温镍块套。

此方法直接测量标准热电偶与被校热电偶的热电势，通过比较、换算，最后确定被校热电偶的示值误差。

此方法的优点是测量直观，被校热电偶和标准热电偶可以是不同的类型；其缺点是对炉温的稳定性要求较高，为此，本实验附有一套炉温控制器，以稳定的检定炉内的温度，确保在一个温度校验点的测量时间内，检定炉内温度变化不超过±0.5℃。否则将带来较大的测量误差。

热电偶常见故障及处理：

注意事项：

热电偶实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度，对于热电偶的热电势，应注意如下几个问题：

1 、热电偶的热电势是热电偶两端温度函数的差，而不是热电偶两端温度差的函数；

2 、热电偶所产生的热电势的大小，当热电偶的材料是均匀时，与热电偶的长度和直径无关，只与热电偶材料的成份和两端的温差有关；

3 、当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后，热电偶热电势的大小，只与热电偶的温度函数的差有关；若热电偶冷端的温度保持一定，这进热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。

例1：用镍铬-镍硅(K)热电偶测量温度，已知冷端温度为40℃，用高精度毫伏表测得这时的热电动势为29.188mV，求被测点的温度。

解：由镍铬-镍硅热电偶分度表查出E(40，0)=1.638mV，计算出E(t,0)=(29.188+1.638)mV=30.826mV,再通过分度表查出其对应的实际温度为t=740.9℃。

例2：已知镍铬-镍硅(K)热电偶的热端温度t＝800℃，冷端温度t0＝25℃，求E(t，to)是多少毫伏?

解：由镍铬-镍硅热电偶分度表可查得E(800，0)=33.275mV，E(25，0)=1.024 mV，故可得E(800，5)=33.275-1.024=32.251mV。

例3：如图1所示之测温回路，热电偶的分度号为K，毫伏表的示值应为多少度?

解：毫伏表的示值应为E(t1-t2)-E(60)。

热电阻：

热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，再通过测量电桥转换成电压信号送至显示仪表就可以测量出温度。

金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示，即：

R _t =R _t0 [1+α(t-t ₀ )]

式中，R _t 为温度t时的阻值；R _t0 为温度t ₀ (通常t ₀ =0℃)时对应电阻值；α为温度系数。

热电阻材料，应满足条件：

电阻值与温度变化有良好的线性关系；

电阻温度系数大，以便于测量；

电阻率高，热容量小，反应速度快；

在测温范围内物理化学性能稳定；

材料质量要纯，容易加工复制，价格便宜。

常用材料：铂，铜，镍。

热电阻类型：

1 ）普通型热电阻：通常由感温元件、安装固定装置和接线盒等主要部件组成，具有测量精度高，性能稳定可靠等优点。

2 ）铠装热电阻：由感温元件、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体，它有下列优点：体形细长，热响应时间快，抗振动，使用寿命长等优点。

3 ）隔爆型热电阻：隔爆型热电阻通过特殊结构的接线盒，把接线盒内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内，生产现场不会引起爆炸。

4 ）端面热电阻：端面热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝缠绕制成，紧贴在温度计端面。它与一般轴向热电阻相比，能更正确和快速地反映被测端面的实际温度，适用于测量表面温度，适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。

测量电路：

1 ）二线制：在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制：这种引线方法很简单，但由于连接导线必然存在引线电阻R _L ，R _L 大小与导线的材质和长度的因素有关，因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合。

2 ）三线制：在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，这种方式通常与电桥配套使用，可以较好的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常用的引线电阻。

3 ）四线制：在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，这种引线方式可完全消除引线的电阻影响，主要用于高精度的温度检测。

常见热电阻的性能指标：

热电阻的校验：

热电阻在安装使用前及使用一段时间之后都要进行精度校验，工业用热电阻的校验方法有两种：

一种是只校验0℃和100℃时的电阻值，求出电阻比R100/R0，看是否符合热电阻技术特性的纯度要求，称为纯度校验。纯度校验一般采用标准状态法，即由冰点槽和水沸腾器产生0℃和100℃温度场，然后测量置于其中的被校热电阻值。

另一种是示值比较法校验，校验时采用加热恒温器作为热源。将被校热电阻与标准仪表 (标准水银玻璃温度计或标准铂电阻）进行示值比较，确定误差。这种方法可以多校几个温度点，特别是100℃以上的温度点。

热电阻常见故障分析：

热电阻常见的故障是热电阻断路和短路，其中以断路为多，这是由于电阻较细所致。

A 断路：

(1) 电阻体断路：可用万用表在电阻体的接线端子处测量阻值，电表指示为无限大。但在进行检查时，热电阻与显示仪表的连接导线应预先拆除，否则测得的阻值含有显示仪表的内阻。

(2) 连接导线断路：将电阻体端子上的连接导线不拆除，而将两个接线端子短路，显示仪表的示值仍为无限大。

B 短路：

(1) 电阻体短路：显示仪表断电后，将连接导线在电阻体的端子处拆掉，再用万用表测 量电阻体的阻值是否等于实际数值，如少于实际阻值，则该电阻体短路。

(2) 连接导线短路：可将连接导线从电阻体的端子处拆下一个线头，看显示仪表示值是否无限大。如仍然有示值或指向负侧，则说明连接导线短路。

热电阻常见故障分析：

热电阻、热电偶在选型中应注意的一些问题：

在工程设计的过程中，经常会遇到设备选型的问题，下面就把有关热电阻、热电偶的选型方面积累的一些经验和要注意的问题谈一下。

热电阻和热电偶均是测温元件，它们的工作原理不同，热电阻是根据金属导体电阻值随目标温度变化而变化，热电偶是基于热电效应，即热电势值随温度变化而变化。它们应用的测温范围不同，因为两种测温元件与温度的线性关系对应得比较好的区域不同。热电阻主要应用于低温区，热电偶主要应用于高温区。热电阻和热电偶分别有数种，用分度号来区分。

通常在选择何种测温元件时我们遵循以下规则：

（1）测温范围在：-50 ~ 100 ℃ 时选择铜热电阻（WZG），分度号为CU50。

（2）测温范围在：-200 ~ 400 ℃ 时选择铂热电阻（WZP），分度号为PT100。

（3）测温范围在：0 ~600 ℃ 时选择镍铬—铜镍热电偶（WRE），分度号为E分度。

（4）测温范围在：0 ~1000 ℃ 时选择镍铬—镍硅热电偶（WRK），分度号为K分度。

（5）测温范围在：0 ~1300 ℃ 时选择铂铑10—铂热电偶（WRS），分度号为S分度。或选择铂铑13—铂热电偶（WRR），分度号为R分度。

（6）测温范围在：0 ~1600 ℃ 时选择铂铑30—铂铑6热电偶（WRB），分度号为B分度。

以上的内容在教科书中已有详尽介绍，要注意的是，以上列出的测温范围低于热电阻和热电偶的实际测温范围，列出的是在工程中使用的，可长期运行的测温范围，超出此范围使用要影响测温元件的寿命。但确定了测温元件的分度号只是第一步，要选好一支测温元件还有以下几个方面需要注意：

一、首先是安装方式问题，热电阻和热电偶的安装方式相近，主要有几种：

无固定装置、固定螺纹、活动法兰、固定法兰、锥形固定螺纹，要选好安装方式先要了解测温元件安装在什么设备上。

如安装在锅炉炉墙上测炉膛温度的热电偶常采用无固定装置的方式。

安装在管道上的测温元件常采用固定螺纹的方式。

安装在开口容器顶上的测温元件常采用活动法兰的方式。

安装在设备和容器上的测温元件采用固定法兰的方式。

安装在蒸汽管道上的测温元件常采用锥形固定螺纹的方式。（防止因振动大导致接线的松动，产生测温不准。）

安装方式初步明确后还要选择接线盒的形式，接线盒分为防水和防溅两种，在露天或差一些的环境应选防水式。

但不是每一种分度的热电阻或热电偶都具备以上所有的安装方式，所以应在满足测温要求的基础上尽量选择合适的安装方式，或调整测温元件的类型，在不影响测温范围的基础上，重点满足一些安装上的要求。

二、保护管的选择

保护管的选择是很重要的一环，它分为保护管的直径、保护管的材质及保护管的插入深度。

保护管的直径基本上是由测温元件的类型和安装方式决定的，主要有Φ8mm、Φ12 mm、Φ16mm、Φ20mm等几种，确定保护管直径后才能选定相适应的安装器件（凸台、法兰等）。

保护管的材质分为碳钢20#、不锈钢1Cr18Ni9Ti、黄铜、Cr25Ti高铝管、刚玉管、氧化铝管、瓷管等，选定保护管的材质主要的是要根据测量介质的特性，是否有腐蚀性、测温范围是多少（因有些材质适用的测温范围较低），只有满足了条件的材质才能使用。（如选不到符合要求的保护管，必要时要在保护管上加外衬套，以满足其耐腐蚀要求）。

关于保护管的插入深度，热电阻及热电偶均有数档的标准长度，要结合测量对象的实际情况、安装方式等因素考虑，（因选型时的插入深度指的是测温元件保护管接线盒下或螺纹、法兰下的整个长度，而非实际插入深度）一般要求是：

(1) 在管道上安装的测温元件，其实际插入深度应在超过直径的二分之一处，以不超过三分之二为宜。（要注意减去安装凸台的高度，另外还要区分凸台是垂直安装和斜角安装，只有这些清楚了才能正确计算出所选的插入深度。）

(2) 在设备上安装的测温元件，其插入深度视情况而定，因有些设备较大，不一定要求非得插到一半，只要能准确反映出需要的测量温度即可（要注意减去安装测温元件的法兰盘到设备壁的距离，才能正确计算出所选的插入深度）。

(3) 在管径较小时，有时需要调整安装凸台的高度或变为斜角安装，作为调整插入深度的一种手段，才能满足要求。另外在管内介质流速较快时也常采用斜角安装。

三、另外需注意的问题

(1) 铂热电阻骨架材料有云母、玻璃、陶瓷等，各生产厂不一，因而铂热电阻测温的上限不相同。如采用新型陶瓷骨架测温上限可达650℃，但采用云母骨架测温上限仅为420℃，选型时应注意。

(2) 对于热电偶其偶丝直径与可长期测量的温度有关，有些分度的偶丝有0.5、1.0、1.5、2.0、3.2mm几种规格，偶丝越粗可长期测量的温度越高，但价格也越高，可根据需要选择。

(3) 固定螺纹和锥形螺纹的尺寸通常分别为M27×2mm和M33×2mm，需区别对待，选择相应的凸台安装。而且也有一些非标尺寸可选如G1”、G1/2”、16×1.5mm等。固定法兰和活动法兰的尺寸也有区别，通常分别为Φ70 mm和Φ95 mm，但也有其他规格可选如Φ60 mm、Φ105 mm等。

(4) 热电阻和热电偶的总长一般为插入深度加150mm，特殊长度需协商订货。

(5) 选择热电阻和热电偶可根据需要选择单支或双支，但有些型号如铜电阻，仅有单支产品。

(6) 选热电阻和热电偶，除了分度号还要注意它的允差等级（即测温精度），先天不足的选择不能反映正确的温度值。

工业热电偶现行国家标准GB/T30429-2013《工业热电偶》。