工业常用热电偶的选择与安装

工业常用热电偶的选择与安装计量理化检测中心 刘福胜摘要：工业生产过程中，绝对离不开温度测量和控温环节，这是对金属等材料热加工的必 要手段。温度的测量由一次测温元件热电偶、补偿导线和二次显示/记录仪表构成。这其中 热电偶测温部位既工作端，要被放置到热源之中，因此，极易受到高温及腐蚀性气体的烧蚀 和氧化，严重缩短热电偶的使用寿命，降低测量精度，并且会出现示值偏差和数值跳变。另 外，根据热电偶的工作原理，其输出微弱的mV级温差电势，还会因冷端（参考端）温度的 变化而变化，因此，还必须采用配套的补偿导线（延长导线）连接二次仪表，以保持冷端环 境温度的相对恒定，确保示值的真实与稳定。综合而言，对测温系统中热电偶的根本要求是： 保证有足够的测量精度和灵敏度，要廉价耐用；并易于安装更换和检定维护等工作。关键词 热电偶 温差电势 补偿导线 安装1 热电偶内部结构、工作原理1.1 热电偶内部结构 工业热电偶种类繁多，结构和外形略有差异，但基本构造和原理是一样的，其外观见（图 一）所示。它基本由四个部分组成：1 热电极（俗称偶丝）、2 绝缘瓷珠、3外部护管、4 接 线盒。 热电极：由两种不同成分的金属丝一端焊接在一起，作测量端（工作端）使用，另一 端通过补偿导线（或专用延长导线）连接仪表，是产生并输出热电势的主体部分。廉金属热 电偶的电极丝直径一般为0.5mm3.2mm，贵金属电极丝直径一般为0.35mm0.65mm。电极 装入金属护管内与护管端头内壁略有缝隙即可，避免因装配不到位引入严重的测量误差。热 电偶的总体长度应由安装条件和电偶接线盒位置（冷端）的温度而定，一般最短不低于 250mm，最长不超过3000mm。 绝缘瓷管：起到阻止电极丝之间短路、并保持与金属护管的绝缘而设置。材质为高铝 陶瓷，外观呈圆形、椭圆形两种，有单孔/双孔细瓷管、单芯偶双孔以及双芯偶用四孔绝缘 瓷管之分。 外部护管：防止运输途中电偶丝被损坏、污染，以及使用中被腐蚀氧化，并防止火焰 和高温气流直接冲击电偶，引发显示仪表示值跳跃和突变，提高热电偶强度，延长其使用寿 命。护管分为不锈钢合金护管和非金属类似陶瓷专用于高温及真空气氛炉中的刚玉管（使用 温度12001800C，且耐酸碱、耐冲刷，使用寿命长），常见外径e 16mm和20mm两种。 接线盒：铸铝结构制作的1/4圆弧状盒体，内有瓷板和金属接线端子，便于电极丝与 补偿导线连接。出线孔和端盖处均有橡胶堵和密封垫圈，防止杂物落入，保证内部清洁。1.2热电偶的工作原理 热电偶测温基本原理就是热电效应。优选“热电”转换效能高，且抗氧化性强的两 种不同材质的金属丝（又称电偶丝或电极丝），一端焊接在一起，并置于温场中，这端被称 作热端（又称工作端或测量端）；未焊接的一端作为热电势的输出端，被称作冷端（又称参 考端或自由端）与配套测温仪表连接。理论上，测温时要求冷端保持0C且恒定，但这显然 难以实现，只能保持相对恒定的温度。当测量端受热并与冷端之间存在温差，在导体焊接部 位，就会产生微弱的直流电动势。如果，冷端温度恒定（假设），那么，这种因热滋生的电 势，其大小和方向（极性）只与电偶丝两极材料成分和测量端温度的高与低有关，与电偶丝 粗细及长度无关。最终，由配套显示仪表做函数处理并换算成摄氏（C）或者华氏（F）温 度数值，由仪表直观的显示出来。2 热电偶的种类2.1工业热电偶可分为标准型热电偶和非标准型热电偶这两大类所谓标准热电偶是指国家标准规定，其热电势与温度的对应关系、允许误差、并有统一 标准的分度表，配备有与其对应分度值的显示/记录仪表可供选用。非标准化热电偶没有统 一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量和应用,其使用范围和数量远不及标准化热电偶， 因此不在本文赘述范围。我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC （国际电 工委员会）的标准生产，并指定下列这七种分度号的热电偶为我国统一设计型电偶。S型铂铑10铂热电偶R 型 铂铑 13铂热电偶B型铂铑30铂铑6热电偶K 型 镍鉻镍硅热电偶E 型 镍鉻铜镍合金（康铜）热电偶J 型 铁铜镍合金（康铜）热电偶T 型 铜铜镍合金（康铜）热电偶2.2 S、R、B型热电偶同属于贵重金属热电偶，电极丝直径0.5mm,允许偏差0.015mm。S型热电偶正极（SP）名义化学成分为铂铑合金，含90%的铂，含10%的铑；负极（SN） 为纯铂，故又称作单铂铑热电偶。其长期工作温度为+1300 C,短期最高工作温度+1600 C。 S 型热电偶具有准确性高，输出热电势稳定，耐高温且特别适应氧化性和惰性 气体氛围中使用。鉴于其优良的物理和化学综合性能，符合国际温标使用热电偶，长期以来 一直作为我国国际温标的内插仪器。R型热电偶正极（RP）名义化学成分为铂铑合金，含87%的铂，含13%的铑；负极（RN） 为纯铂。其长期工作温度和短期最高工作温度与S型热电偶相同，由于R型热电偶的综合 性能与S型热电偶并无明显差异，所以，在我国获得重视的程度远低于S型热电偶，R型 热电偶除在进口设备中有所应用外，国内测温很少采用。B型热电偶正极（BP）名义化学成分为铂铑合金，含70%的铂，含30%的铑；负极（BN） 仍然为铂铑合金，含 94%的铂，含 6%的铑，故又称作双铂铑热电偶。其长期工作温度为 +1600 C,短期最高工作温度+1800 C。B型热电偶是常见贵金属电偶中测温范围最宽， 测温上限最高，准确度最高，寿命最长和工作性能最稳定的热电偶，尤其适用于氧化性和惰 性气体中，短期还可应用在真空环境里，但不适用还原性气体与含有金属或非金属蒸汽环境 中。另外，B型热电偶在0+50C范围内的热电势低于3“V,所以无须使用补偿导线连接 仪表，普通纯铜导线即可，非常适用炼钢炉钢水的快速测温。2.3 K型、E型、J型和T型均为廉价金属常用热电偶，电极丝直径在1.53.2mm之间。K型热电偶正极（KP）名义化学成分比例为：Ni： Cr=90： 10；负极（KN）名义化学 成分比例为：Ni： Si=97： 3。K型热电偶常用测量温度在+1000 C以下，极限测量范围为 -270+1300 C。它具有输出热电势大，约为0.040mV/C，灵敏度高、线性度好、重复性 和稳定性较佳，适用于氧化性或中性气体介质中，虽然测量精度稍低，但价格低廉，完全能 覆盖+1000 C测温范围的应用。K型电偶应用量是其它廉价热电偶的总和，足见其应用之 广泛。E型热电偶偶尔又被称作镍路一康铜热电偶，正极(EP)为镍路合金，其名义化学成 分比例同K型热电偶正极完全相同，负极(EN)为铜镍合金，名义化学成分为：55%的铜， 45%的镍及少量的锰、钻、铁等微量元素。E型热电偶输出的热电势以及灵敏度堪称廉金属 热电偶之首，约为0.060mV/C，应用范围-200+900C之间，低于K型热电偶，虽然稳定 性较好，但线性度不佳，使用范围较窄。J型热电偶正极(JP)的名义化学成分为纯铁，负极(JN)为铜镍合金，虽与E型热 电偶的负极称谓相同，但其化学成分略有差异，所以不具备可替换性。J型热电偶测温范围 较窄，仅在+300+600 C之间，极限测量温度在-200+1200C。它具有线性度好，热电 动势大(0.050mV/C),灵敏度高，稳定性和线性度较好及价格便宜等特点。T型热电偶正极(TP)为纯铜，负极(TN)为铜镍合金，俗称康铜。T型热电偶适用 于-200+400C的测温范围，它具有线性度好，灵敏度高，热电势输出较K型热电偶稍大， 稳定性和均匀性均较好等优点。尤其是应用于-2000C测温范围时，其稳定性极佳，年稳 定性变化小于0.3“V，经低温检定可以作为二等标准进行低温量值传递，并且价格也十 分低廉。3 热电偶测温的优点 测量精度高。测温规定，热电偶安装位置的选取，应能代表温场中整体温度特性，并要 求热电偶与被测对象尽可能直接接触，避免中间介质影响，这样就能获得极高的测量精 度和稳定性。 测量范围广。标准热电偶极限测温范围基本覆盖了-270+1800C之间，并可连续测量， 完全可以满足生产工序各环节的测温要求。极低温段用金铁镍铬可测量到-269C，0C +1000C的范围自然被廉金属热电偶独占(+400C以下也可选择PtlOO、PtlO系列热 电阻)、高温段+1800C以下测量用铂铑系列贵金属热电偶，更高测温如“钨一铼”热 电偶，+2800 C的高温非它莫属。 结构简单，取材和安装均简便。热电偶是由两种不同材质的金属丝一端焊接构成，金属 丝之间以及与外部护管的绝缘处理也很容易和简单，热电偶的安装更换也极其便利。 动态响应速度快。热电偶测量端是一个焊点很小的圆点，因此热容量很小，对周围温度 变化极其敏感，反应迅速。 可远距离测量。依据热电偶的应用原理，产生热电势的大小与电偶丝长短无关，因此， 正确选择与热电偶相配的补偿导线(或延长导线)，就可以远距离传输热电势信号，便 于集中测量，显示并记录和自动控制。 价格低廉，使用寿命长。应用最广泛的 K 型电偶，无论单芯双芯，其“一级品质”市 场售价格也不超过300元，是+1000C以下应用的首选，在无腐蚀性气体氛围中，保证 测量精度的使用时间可以达到 23年以上，可谓经久耐用。4 热电偶的选择安装与补偿4.1 热电偶的选择热电偶堪称工业测温领域的佼佼者，是必用的温度检测传感器(一次元件)，它的应用 理论，依据工业电炉最高工作温升也既测温的上限，合理选择量程范围与之相近的热电偶， 不仅能保证测量精度，更能做到节约成本。例如：低温段上，炉膛工作温度或热介质温度上限不超过+400C，既可以使用Pt系列 热电阻做温度传感器，也可以选择 K 型热电偶，测量精度和成本几乎无差异。但要测量更 高温度，只要热源低于+1000C，尽可以应用价廉耐用的K型热电偶，如若在这个工作温区 上安装了S型热电偶，由于测量范围不匹配，况且价值差距巨大，所以既不准确更不经济。 曾见一台英国产链条加热炉，在一处监控温度最高都不曾超过300C的部位，安装一支400mm 长S型电偶，因年久烟气腐蚀及工件刮碰损坏，此规格热电偶成本在4000元之上，而K型 热电偶才200多元，配套的UDC2300仪表属于智能型可改变分度值，完全适用不同分度输入 要求，且测量精度更优于前者，更换成本显而易见。在钢水包测温应用中，出钢欲浇铸前要频繁测温（并化验成分），而此时钢水温度已接 近1700 C，从本文介绍中看出，可准确并稳定工作在1600 C之上的，只有贵金属热电偶中 的 B 型电偶才能胜任。但考虑到如此高温下的频繁使用以及成本控制，采用特制廉价的一 次性微型快速测温头，与测温枪（起到延伸防护作用，避免离钢水过近的烘烤与飞溅）快速 连接，配合B型分度输入的大屏幕显示仪表即可达到测温的目的。准确、经济和适用是选择热电偶的根本。4.2 热电偶安装事项箱式电炉、井式（均含搅拌风扇，均衡内部温场）电炉和各类燃气炉窑以及输送管道等， 无论是对上述哪一种热源的测温，其单个/多个测温点的排布与确定，也就是热电偶安装部 位并因此输出的热电势，应能完全（综合）代表炉膛或者热介质的真实温度。常见的中、小型箱式及井式工频热处理电炉，常采用单支热电偶；单管双芯和双热电偶 或双偶双芯的这四种测温方式。单支电偶测温，电偶无一例外地被固定在炉体的中间区域， 三相磁力接触器通断的控温方式，令其电气部分也因此变得极为简单，只是易引发定温点的 温度过冲，适用于温升600C以内、且控制精度要求不高的范围。而应用固态块（可控硅） 的控制方式，则会显得平缓，控温效果较好。单管双芯热电偶的输出电势分别供给两块仪表： 一块用于显示和温度控制，另一块在显示的同时，还完成加温工艺曲线记录和超温报警等功 能的实现，强化工艺流程做到双保险监控。双热电偶或者双偶双芯测温方式，实际上就是将 箱式或者井式电炉的内部从中间分开，并因此划分出箱式电炉的前区和后区；井式电炉的上 区和下区。两只电偶（单芯/双芯）被定位在各自区域的中间部位，两块（双偶双芯即为四 块仪表）仪表分别控制各自的加热回路，电气负荷被一分为二，这样即使设计更大的加热功 率，电气设备及线路安全也会得到保障，分区域控制具有升温速度快，工作温度更高等优点。中、大型正火炉窑，因内部空间大，且工作温度高（接近1000C），并要求升温速度快， 窑内温场均匀等，只有采用燃气火焰加热才能满足。当然，燃气炉窑的控温环节的复杂程度 远高于电炉，测量与控制环节会按炉窑内部燃烧效能划分为4路、 6路甚至更多区域，各区 域独立测温并传输给各自仪表显示并控制燃烧系统，控制原理完全相同。确定电偶的安装部位，还要保证电偶的插入深度，以电偶工作端探入炉体内部100mm 150mm为宜，并用法兰盘固定。插入过浅取值不准确，同时，仪表显示的温度往往会低于炉 内实际温度很多，若未及时发现危害极大，会令工件因超温报废，更会助加热设备过早老化； 电偶插入过深，易受到投料或工件进出的刮碰而弯曲或被折断，损坏电偶。4.3补偿导线热电偶输出电势的大小，既取决于电极的材料，还与热电偶两端（热端与冷端）的温差 有关。廉金属热电偶制造长度为0.75m、lm、1.25m、最长1.5m （铠装热电偶除外），而S、 R、B型贵金属热电偶，因其价格不菲，最长规格在1.2m以内，更多是量身定制以求降低成 本。鉴于此，热电偶的冷端（与补偿导线连接端）不可避免被置于高温热源的附近，会受到 被测介质的热辐射以及环境温度升高而引入测量误差。冷端部位温度越高，热电偶输出的热 电势就会越小，仪表显示的数值就会低于实际的温度。分度表手册数据和检定标准都是以热 电偶冷端保持0C为前提获得并检定的。然而，实际使用和现场环境中，冷端温度不仅无法 保持到oc,而且还会因周围环境温度变化而飘忽不定，同时，测温点到仪表之间又都存在 一定距离，甚至还要远传，为节省热电偶材料，最直接和简便的方式就是采用配套补偿导线， 把热电偶的冷端延伸到远离热源、且温度相对恒定的控制柜（室）内与仪表连接。补偿导线 实际是一对在规定温度范围（一般为oc100C之间）内，其热电特性与所配接电偶相同， 但价格却低廉并极易获得的金属导线。必须指出，补偿导线只起到延伸热电极，将电偶冷端 转移至仪表接线端子处，它本身并不能消除和抑制冷端温度变化对测温的影响，所谓的冷端 to#c的补偿和修正作用将通过仪表内部室温补偿电路来完成。不同的补偿导线，其热电特性也不相同，各型热电偶与补偿导线类型要正确对应（见表 一），同时，补偿导线也和热电偶输出一样，有正负极之分，既热电偶正极输出连接补偿导 线的正极，热电偶负极连接补偿导线的负极。倘若用错补偿导线或者极性接反，不但起不到 应有的补偿作用，反而还会抵消并削弱输出的热电势，使仪表指示数值偏低令炉温失实，对 产品质量、能源消耗以及电炉安全都会带来一定的负面影响和危害。常用电偶补偿导线对照表（表一）补偿导 线型号配套热电偶热电偶 分度号补偿导线材质绝缘皮颜色正极负极正极负极SC铂铑10铂热电偶S铜铜镍红绿RC铂铑13铂热电偶R铜铜镍红绿铜导线铂铑30铂铑6热电 偶B铜铜KCA镍路镍硅热电偶K铁铁镍红蓝KCB铜铜镍红蓝KX镍路镍硅红黑八、EX镍路一铜镍热电偶E镍路铜镍红棕JX铁一铜镍热电偶J铁铜镍红紫TX铜一铜镍热电偶T铜铜镍红白注：1补偿导线线径截面积有0.5、0.75、1.0、1.5和2.5 （mm2），安装时视热电偶与仪 表距离以远粗近细为原则，一般采用0.751.5 （mm2 ）为宜，尽量不使用多股补 偿导线，保证连接的坚固性。2外绝缘层有阻燃、非阻燃和有7无屏蔽层之分，应视现场温度和电磁环境及距离远 近合理选择。3补偿导线敷设应单独穿管走线，避开与动力电源、强电和控制回路长距离并行排 布，避免引入干扰，造成仪表指针抖动或者显示数字跳变。（应）