热电偶探针的原理及应用知识

1、热电偶

利用不同金属的热效应产生电位差，其温度范围广，一般测量数百度的温度。

热电偶是工业上zui常用的温度检测元件之一。 优势包括:

①测量精度高。 由于热电偶直接与被测对象接触，因此不受中间介质的影响。

②测量范围广。 通常的热电偶可以从-50~+1600℃连续测量，特定的特殊热电偶zui可以测量到-269℃(例如铁镍铬合金)，zui可以测量到+2800℃(例如钨-铼)。

③结构简单，使用方便。 热电偶通常由两种不同的电线组成，且不受大小和开头限制，外面有保护套，使用方便。

(1)热电偶测温的基本原理

两种不同材质的导体在某一点相互连接时，如果加热该连接点，则在它们没有加热的地方会产生电位差。 该电位差的数值与未加热部位的测量点的温度有关，与这两个导体的材质有关。 这种现象可以在很宽的温度范围内发生，通过测量这个电位差，再测量不加热场所的周围温度，就可以正确地知道热点的温度。 因为需要两种不同材质的导体，所以被称为“热电偶”。 根据材质制作的热电偶根据温度范围的不同，灵敏度也不同。 热电偶的灵敏度是指热点温度变化1℃时的输出电位差的变化量。 在许多金属材料支撑的热电偶中，该数值在约5~40mV/℃之间。

热电偶传感器有其独特的优点和缺点，灵敏度低，易受干扰信号的影响，也易受前置放大器的温度漂移的影响，因此不适于测量微小的温度变化。 热电偶的灵敏度与材料的粗细无关，即使是非常细的材料也能制作温度传感器。 由于制作热电偶的金属材料伸长率也很好，因此这种微细的测温元件具有非常高的响应速度，可以测量快速变化的过程。

(2)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类。 调用的标准热电偶是指国家标准规定了热电势与温度的关系、允许误差、统一的标准尺度的热电偶，有与其配套的显示器。 未标准化的热电偶不及使用范围或数量级标准化的热电偶，一般也没有统一的标度表，主要用于特殊情况下的测量。 标准化热电偶我国自1988年1月1日起，热电偶和热阻均按IEC国际标准生产，将s、b、e、k、r、j、t 7种标准化热电偶指定为中国统一设计型热电偶。 各种热电偶的测量范围、优点和缺点:

s型热电偶:铂铑10-铂热电偶，温度范围0~1600℃，旧索引号LB-3。 优点:耐热性、稳定性、重现性良好，优良的耐氧化性、耐浊性良好，可以标准使用。 缺点:热电动势值小，还原性气体环境弱(特别是氢、金属蒸汽)补偿导线误差大，价格高。

r型热电偶:铂铑13-铂热电偶，温度范围为0~1600℃。 优点:耐热性、稳定性、重现性良好，优良的耐氧化性、耐浊性良好，可以标准使用。 缺点:热电动势值小，还原性气体环境弱(特别是氢、金属蒸汽)补偿导线误差大，价格高。

b型热电偶:铂铑30-铂铑6热电偶，温度范围600~1800℃，旧索引号LL-2，自由端不需要在0~50℃下补偿引线。 优点: 1000℃以上1800℃； 常温环境下热电动势非常小，无需补偿导线的耐氧化性、耐浊性良好，耐热性和机械强度优于r型。 缺点:中低温区热电动势极小，600℃以下的测定温度不正确，热电动势值小，热电动势线性差的价格高。

k型热电偶:镍铬合金热电偶、镍铬合金热电偶、温度范围-200~1300℃。 优点:热电动势线性良好，1000℃以下的耐氧化性良好； 金属热电偶的稳定性很好。 缺点:还原性气体环境，特别是一氧化碳、二氧化硫、硫化氢等气体不适用的热电动势，与贵金属热电偶相比，由于经时变化大的短范围的排序的影响而产生误差。

n型热电偶:镍铬-镍硅热电偶，温度范围-270~1300℃。 优点:热电动势线性良好，1200℃以下的耐氧化性良好； k型的改良型，GreenRot的影响小，耐热温度高于k型。 缺点:不适用于还原性气体环境的热电动势与贵金属热电偶相比，经时变化较大。

e型热电偶:镍铬-康铜热电偶，温度范围-270~1000℃。 优点:与以往热电偶的灵敏度zui佳者j热电偶相比，耐热性良好，适合双脚无磁性氧化性气体的环境价格便宜。 缺点:存在一些不适用于还原性气体环境的历史现象。

j型热电偶:铁-康铜热电偶，温度范围-210~1200℃。 优点:还原性气体环境中可使用的热电动势比k热电偶便宜20%，适合中温地区使用。 缺点: ( + )脚容易生锈，重现性差。

t型热电偶:铜-康铜热电偶，温度范围-270~400℃。 优点:热电动势线性良好，低温特性良好，重现性好，可用于高精度的还原性气体环境。 缺点:使用温度极限低( + )脚的铜容易氧化，导热误差大。

(3)热电偶的结构形成

为了确保热电偶可靠稳定地工作，热电偶的结构形式要求如下

①构成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固

②两个热电极必须相互绝缘，防止短路

③补偿导线与热电偶自由端的连接应简单可靠

④保护套必须保证热电极与有害介质充分隔离。

(4)热电偶冷端的温度补偿

热电偶的自由端温度为0℃，由热电偶的测温原理可知，只有在热电偶的冷端温度没有变化的情况下，热电动势才是被测定温度的单位函数。 在实际应用中，由于热电偶的冷端接近热端，冷瑞露出空间，易受周围环境温度变化的影响，难以保持冲端温度恒定。 因此需要进行冷温度补偿处理。

热电偶的材料一般是贵重的(特别是采用贵金属时)，从测温点到仪表的距离较远，为了节约热电偶的材料，降低成本，通常使用补偿导线将热电偶的冷端(自由端)延长到温度比较稳定的控制室，并与仪表端子连接。 必须指出，热电偶补偿导线的作用只是将热电偶的冷端子移动到控制室的仪表端子，不能消除冷端子的温度变化对测温的影响，不能进行补偿。 因此，为了补偿冷端温度t0≠0℃时对测温的影响，需要采用其他的修正方法。

使用热电偶补偿导线时，要注意形式一致，不能搞错极性，补偿导线和热电偶连接端的温度不得超过100℃。

3.ic内置温度传感器

所有数字读取必须与单片机协同使用，能够连接网络使用，能够用三线读取温度、电源、地点、数据。

4、晶体管在要求不高时也可作为温度传感器使用，但其线性不太好，价格低，因此常被采用。

二、非接触式温度传感器的传感器与被测量者相互不接触，也称为非接触式测温计。

该仪器可用于测量运动物体、小目标和热容量或温度变化快(瞬变)的目标表面温度，也可用于测量温度场的温度分布。 zui中常用的非接触式测温计根据黑体辐射的基本规律，被称为辐射测温计。 辐射测温法有亮度法(参照光学温度计)、辐射法(参照辐射温度计)、比色温度计(参照比色温度计)。 各种辐射测温方法只能测定相应的光度温度、辐射温度或比色温度。 只有测量黑体(即使吸收了辐射全体也不会反射光的物体)的温度才是真正的温度。 测量物体的实际温度需要修正材料表面的放射率。 材料的表面放射率不仅取决于温度和波长，还取决于表面状态、涂膜和显微组织等，因此难以测定。 在自动生产中，有必要利用放射测温法测量或控制特定物体的表面温度，如冶金中的钢带轧制温度、轧辊温度、锻件温度、各种熔融金属在冶炼炉或坩埚中的温度等。 在这些具体情况下，物体表面的放射率的测定非常困难。 在固体表面温度的自动测定和控制中，可以使用附加的反射镜与被测定表面一起构成黑体空洞。 附加辐射的影响提高了受检表面的有效辐射和有效辐射系数。 通过利用有效辐射系数用仪表校正实测温度，zui最终能够得到被测表面的真实温度。 zui是典型的附加反射镜是半球反射镜。 球中心附近的被测面的扩散放射能被半球反射镜反射，返回表面形成追加放射，提高有效放射系数。 关于气体和液体介质实际温度的辐射测量，有将耐热材料管插入一定深度形成黑体空洞的方法。 通过计算求出与介质达到热平衡后圆筒空洞的有效放射系数。 自动测量和控制可以修改使用此值测量的模腔底部温度(介质温度)，以获得介质的实际温度。

非接触测温的优点:由于测定上限不受温感元件的耐温度限制，因此zui高测温温度原则上没有限制。 对于1800℃以上的高温，主要采用非接触测温方法。 随着红外技术的发展，辐射测温逐渐从可见光扩散到红外线，从700℃以下到常温，分辨率高。