原创 物联网系统中模拟温度传感器如何测温_热电偶篇

物联网系统中为什么要使用热电偶

物联网系统中使用热电偶的原因主要基于热电偶在温度测量方面的独特优势及其在物联网应用中的广泛适用性。以下是具体原因的分析：

一、温度测量的准确性

热电偶作为温度测量的重要工具，其工作原理基于塞贝克效应，即当两种不同材料的导体或半导体组成一个回路，并在两端存在温度差时，回路中将产生电动势。这种电动势与温度差成正比，因此可以通过测量电动势来准确推算出温度值。热电偶具有测量精度高、稳定性好的特点，能够满足物联网系统对温度测量的严格要求。

二、广泛的应用场景

在物联网系统中，温度是一个重要的监测参数。无论是工业制造、农业生产、医疗健康还是智能家居等领域，都需要对温度进行实时监测和控制。热电偶凭借其测量范围广（-200℃～1300℃，特殊情况下可达-270℃～2800℃）、耐高温、耐腐蚀等特性，能够适用于各种恶劣的环境条件，满足物联网系统中不同应用场景的需求。

例如：在工业炉温自动控制系统中，炉子的实际温度用热电偶测量。

其他领域

• 材料科学研究：在材料科学中，热电偶可用于测量材料的热导率、热膨胀系数等物理性质，为材料的研究与开发提供数据支持。
• 化学反应研究：在化学反应中，热电偶用于监测反应温度，研究化学反应动力学，帮助科学家更好地理解和控制化学反应过程。
• 气象观测与环境评估：热电偶可用于环境温度的监测，如气象观测站、环境监测站等场所，准确快速地测量环境温度，为气象预报和环境评估提供数据支持。
• 土壤与水体温度测量：在环境监测中，热电偶还用于测量土壤、水体等的温度，有助于了解环境变化规律和生态系统状态。
• 航空航天：在航空航天领域，热电偶用于测量航空器的各种温度，确保飞行安全和设备正常运行。
• 汽车工业：在汽车工业中，热电偶用于测量引擎和排气系统等高温部件的温度，以检测故障或进行性能分析。
• 实验室研究：在科学实验室中，热电偶可用于快速测量样品或实验装置中的温度，以便监测过程或记录数据。

三、易于集成与数据传输

热电偶通常具有较小的体积和较轻的重量，易于与其他传感器和物联网设备进行集成。此外，热电偶的输出信号通常为电信号，可以方便地通过有线或无线方式传输到物联网系统中进行处理和分析。这种集成性和数据传输的便利性使得热电偶成为物联网系统中不可或缺的一部分。

四、提升系统智能化水平

通过将热电偶与物联网技术相结合，可以实现对温度的实时监测、分析和预警。物联网系统可以根据热电偶传输的温度数据，自动调整设备的运行参数或触发相应的控制指令，从而实现智能化管理和控制。这种智能化水平的提升不仅提高了生产效率和产品质量，还降低了运营成本和能耗。

综上所述，物联网系统中使用热电偶的原因主要包括温度测量的准确性、广泛的应用场景、易于集成与数据传输以及提升系统智能化水平等方面的优势。这些优势使得热电偶在物联网系统中发挥着越来越重要的作用。

本文会再为大家详解温度传感器家族中的一员——热电偶

热电偶的定义

热电偶是一种基于热电效应原理工作的温度测量元件。它由两种不同材质的导体（通常是金属）或半导体组成，这两种导体的一端相互连接形成工作端（也称为测量端或热端），另一端则与测量仪表连接，形成自由端（也称为冷端或参比端）。当热电偶的工作端与待测介质接触时，由于热交换作用，工作端的温度会发生变化，而自由端的温度则通常保持不变或已知。这种温度差会在热电偶回路中产生热电动势，该电动势的大小与热电偶材料的性质以及工作端和自由端之间的温差成正比。

热电偶的原理：

热电偶的工作原理非常简单和基本。当两种不同金属(例如铜和康铜)熔合在一起时，会产生“热电”效应，从而在它们之间产生只有几毫伏 (mV) 的恒定电位差。两个结之间的电压差称为“塞贝克效应”，因为沿导线产生温度梯度，从而产生电动势。那么热电偶的输出电压是温度变化的函数。

如果两个结处于相同温度，则两个结之间的电势差为零，换句话说，没有电压输出，因为V1 = V2。但是，当结点连接在电路中并且都处于不同温度时，将检测到相对于两个结点之间的温差V1 – V2的电压输出。这种电压差会随着温度的升高而增加，直到达到结的峰值电压水平，这是由所使用的两种不同金属的特性决定的。温度相同时，不同类型的热电偶所产生的热电动势也不同，但这只跟热电极材料有关，与热电偶长度、直径无关。根据热电动势与温度的函数关系，制成热电偶分度表，那么，我们就要根据热电偶的分度表去测出当前的热端温度值.

根据中间温度定理E（T，0）=E（T，t）+（t，0）

E代表电动势，T代表热端温度，t代表室温

使用这个公式的原因是因为分度表是以0摄氏度为冷端参照物来绘制的，所以中间就多了个室温来计算

热电偶的结构

热电极

• 定义：热电极是热电偶的核心部分，由两种不同材质的导体或半导体组成。这两种导体或半导体的一端相互连接，形成热电偶的工作端（也称为测量端或热端），用于与被测介质接触以感知温度。
• 特性：热电极的材料选择对热电偶的性能有重要影响，不同的材料组合具有不同的热电特性和测量范围。常见的热电偶材料包括铂、铑、镍、铬、铜等。

绝缘层

• 作用：绝缘层用于包裹热电极，以防止热电极之间以及热电极与外部环境的短路或漏电。绝缘层通常由耐高温、耐腐蚀的材料制成，如陶瓷、玻璃或云母等。
• 结构：绝缘层紧密地套在热电极上，形成一层保护层，确保热电偶在恶劣环境下仍能正常工作。

保护套管

• 定义：保护套管是热电偶的外层结构，用于保护热电极和绝缘层免受机械损伤、化学腐蚀和恶劣环境的影响。
• 材料：保护套管通常由不锈钢、陶瓷或其他耐高温、耐腐蚀的材料制成。这些材料具有良好的机械强度和化学稳定性，能够确保热电偶在长时间使用过程中保持稳定的性能。

接线盒

• 作用：接线盒用于连接热电偶与测量仪表或控制系统。它提供了一个安全、可靠的接口，方便用户进行安装、调试和维护。
• 结构：接线盒内部通常包含接线端子、密封件和固定装置等部件。用户可以通过接线端子将热电偶的信号线连接到测量仪表或控制系统上，并通过密封件和固定装置确保接线盒的密封性和稳定性。

其他部件

• 根据具体的应用场景和需求，热电偶还可能包括其他部件，如补偿导线、温度传感器、信号调理电路等。这些部件用于进一步提高热电偶的测量精度和可靠性。

热电偶选型参数

测量温度范围

• 重要性：温度范围是热电偶选型的首要考虑因素。
• 考虑因素：根据被测介质的最高温度、最低温度以及正常工作温度范围来选择合适的热电偶类型。

常见类型：

• 使用温度在1300~1800℃，且要求精度较高时，一般选用B型热电偶。
• 高于1800℃时，一般选用钨铼热电偶。
• 使用温度在1000~1300℃，且要求精度较高时，可选用S型或N型热电偶。
• 在1000℃以下，一般用K型或N型热电偶；低于400℃时，一般用E型热电偶。
• 250℃以下及负温测量时，T型热电偶因其稳定性和高精度而常被选用。

精度要求

• 重要性：精度直接影响温度测量的准确性。
• 考虑因素：根据测量任务的精度要求来选择热电偶的分度号和等级。
• 常见类型：S型、B型、K型热电偶在准确度、稳定性方面表现优异，适用于高精度测量。

使用气氛

• 重要性：不同热电偶材料对气氛的适应性不同。
• 考虑因素：根据被测介质的气氛（如氧化性、还原性、惰性等）来选择合适的热电偶类型。
• 常见类型：
• S型、B型、K型热电偶适合于强的氧化和弱的还原气氛中使用。
• J型和T型热电偶适合于弱氧化和还原气氛。
• 若使用气密性较好的保护管，对气氛的要求则不太严格。

响应时间

• 重要性：响应时间影响温度测量的实时性。
• 考虑因素：根据测量任务对响应速度的要求来选择热电偶的类型和线径。
• 常见类型：线径大的热电偶耐久性好但响应较慢；要求响应时间快且有一定耐久性时，可选择铠装热电偶。

经济效益

• 重要性：考虑热电偶的成本及其在整个测量系统中的经济性。
• 考虑因素：贵金属热电偶（如S型、B型）虽然性能优异但成本较高；廉金属热电偶（如K型、E型）成本较低但可能在某些极端条件下性能受限。

其他参数

• 公称压力：指在工作温度下保护管所能承受的静态外压而破裂的极限值。
• 最小插入深度：应不小于其保护套管外径的8-10倍（特列产品例外）。
• 绝缘电阻：在特定环境条件下（如温度、湿度）应满足一定的绝缘电阻要求。

热电偶选型流程

一般来说，热电偶的选型流程包括以下几个步骤：

确定测量温度范围。

根据精度要求选择分度号和等级。

考虑使用气氛对热电偶材料的影响。

根据响应时间要求选择热电偶类型和线径。

综合考虑经济效益和其他参数。

确定热电偶的型号、安装方式、保护管材质、长度或插入深度等具体参数。

热电偶的使用注意事项

选型与配置

选择合适的热电偶类型：

• 根据被测温度范围、测量精度、响应时间等因素选择合适的热电偶类型。不同类型的热电偶具有不同的温度测量范围和精度，如K型、S型、B型等。
• 确保热电偶的规格和尺寸与被测对象的结构及安装特点相匹配。

正确选用补偿导线：

• 补偿导线应与热电偶的型号相匹配，连接时不得将导线接反。
• 补偿导线最好装入铁管内，并将铁管接地，以避免机械损伤和电磁干扰。

安装与位置

选择合适的安装位置：

• 热电偶应安装在温度较均匀且能代表工件温度的位置，避免安装在炉门旁或离加热源太近的地方。
• 安装位置应尽可能远离强电磁场和强电场，以防止干扰信号影响测量结果。

确保足够的插入深度：

• 热电偶插入炉膛的深度应不小于热电偶保护管外径的8~10倍，以确保测量结果的准确性。
• 热电偶应尽可能保持垂直使用，以防高温下保护管变形。若需水平安装，插入深度不应大于500mm，并应使用支架支撑。

密封与绝缘：

• 若被测介质具有负压，热电偶安装必须严格密封，以防止对流影响测量的准确性。
• 确保热电偶的绝缘层完好，防止两热电极间短路或漏电。

使用与维护

定期校准：

热电偶应定期进行校准，以保持其测量准确性和稳定性。校准可以通过与已知温度的标准热电偶进行对比或使用专门的温度校准仪器进行。

检查与更换：

经常检查热电偶保护管和热电极的状况，如发现麻点、污渍、腐蚀、变细等现象，应及时更换。

接线盒与炉壁应保持适当距离（一般不小于200mm），以防止热电偶自由端温度过高。

防止电磁干扰：

在使用过程中，应采取措施减少电磁干扰对热电偶的影响，如使用屏蔽线材或电磁屏蔽外壳等。

温度补偿：

在某些情况下，如高温环境中使用铜-铜镍热电偶时，需要考虑铜线材的热电特性变化，并进行温度补偿以提高测量的准确性。

安全与维护：

在安装和使用热电偶时，应遵守相关的安全规定和操作规程，确保人员和设备的安全。

定期对热电偶进行维护和清洁，保持其表面干净无污物

热电偶的分类

按材料分类

贵金属热电偶

• 主要材料：由铂、铑、钯等贵金属及其合金制成。
• 特点：高精度、高稳定性、抗氧化性强，适用于高温、腐蚀性强的环境。
• 常见类型：铂铑10-铂热电偶、铂铑30-铂铑6热电偶等，广泛应用于钢铁、冶金、石油化工等领域。

廉金属热电偶

• 主要材料：由铜、镍、锰等廉金属及其合金制成。
• 特点：价格低廉、测量范围宽、线性度好，适用于一般工业温度测量。
• 常见类型：铜-康铜热电偶、镍铬-镍硅热电偶等。

半导体热电偶

• 主要材料：以半导体材料为基础制成。
• 特点：灵敏度高、响应速度快，适用于微小温度变化和快速温度测量的场合。
• 常见材料：锗、硅等。

按结构分类

装配式热电偶

• 特点：将热电偶丝、绝缘材料和保护套管等组件通过机械方式组装在一起，结构简单、安装方便、易于更换，广泛应用于各种工业现场。

铠装热电偶

• 特点：将热电偶丝、绝缘材料和金属套管等组件通过特殊工艺加工成一体，结构紧凑、抗振动、抗冲击能力强，适用于恶劣环境下的温度测量。

薄膜热电偶

• 特点：将热电偶材料以薄膜形式沉积在基底上制成，体积小、重量轻、响应速度快，适用于微型化、集成化的温度测量系统。

按使用场合分类

工业热电偶

• 特点：高精度、高稳定性、耐腐蚀性，能够满足各种复杂工业环境下的温度测量需求。

科研热电偶

• 特点：高灵敏度、高分辨率、快速响应，能够满足科研实验中精确测量温度的需求。

医疗热电偶

• 特点：生物相容性好、测量准确、安全可靠，能够满足医疗领域对温度测量的特殊要求。

其他常见分类

除了上述分类方式外，还有一些常见的热电偶类型，如根据材料组合和测量范围的不同进行分类：

• K型热电偶：正极材料为镍铬合金，负极材料为镍硅合金，测量范围通常在-200℃至1260℃之间，具有较高的测量精度和稳定性。
• J型热电偶：正极材料为铁，负极材料为铜镍合金，测量范围通常在-40℃至750℃之间，适用于中低温环境。
• T型热电偶：正极材料为铜，负极材料为铜镍合金，测量范围通常在-200℃至350℃之间，适用于低温环境。
• E型热电偶：正极材料为镍铬合金，负极材料为铜镍合金，测量范围通常在-200℃至900℃之间，适用于中高温环境。
• R型和S型热电偶：均为铂铑合金热电偶，测量范围极广，适用于高温环境，具有极高的测量精度和优异的抗腐蚀性能。

热电偶的优缺点

由于其具有线性特性好、热容小、热滞后小等特点，广泛适用于各种测温场合，并且热电偶的测温区间非常广，测量精度高，适用寿命长，因此热电偶在化工炼油等生产过程中被广泛应用，以及各行各业中的管道测温和罐体测温都会用到热电偶。测量中高温的温度传感器，如果测量温度在600℃就应该选择K型热电偶，如果测量温度在1200~1600℃就应该选择S型或者B型热电偶。

优点：

• 测量温度范围广，可以在1K(-273^)~28001的温度范围内进行测量；
• 结构简单，制造容易，使用、安装和维修都很方便；
• 性能稳定,准确可靠；
• 热惯性小，动态响应速度快；
• 可多点测量,可远距离传送,便于集中检测和控制；

缺点：

• 使用中参考端必须是恒定的，否则会影响到测量的准确性，因此一般都需要进行冷端补偿；
• 在高温或长期使用时，会受到工作介质或气氛作用（如氧化、还原等），而发生劣化，降低使用寿命。

热电偶的厂商

国内厂商

深圳市东河合创科技中心：该公司提供垃圾焚烧热电偶温度传感器等耐高温抗氧化的K型铠装热电偶产品。

江苏康天合金材料有限公司：长期专注于热电偶产品的生产，如S型铂铑热电偶、B型耐高温精准传感器等。

深圳市立感科技有限公司：专业从事温度传感器、液位传感器、压力传感器等产品的研发、生产制造和销售，其热电偶产品包括K型热电偶等。

淄博科超环保科技有限公司：提供包括智能防爆热电偶在内的多种热电偶产品。

江苏上若自动化设备有限公司：供应智能耐高温铂铑热电偶等高品质产品。

安徽贸诚电气有限公司：生产包括K型防爆热电偶在内的多种热电偶产品，并提供定制服务。

佛山市普联云仪表科技有限公司：生产加工热电偶、热电阻、仪表配件等产品，拥有完整、科学的质量管理体系。

江苏威仪达仪器仪表有限公司：国内较大的仪器仪表生产厂家，产品涵盖热电偶、热电阻、电加热管等。

国际厂商

虽然具体的国际热电偶厂商名单可能因市场变化而有所不同，但以下是一些在全球市场上有一定影响力的热电偶生产商：

OMEGA：作为全球知名的温度测量与控制设备制造商，OMEGA提供包括热电偶在内的多种高精度温度测量解决方案。

Watlow：Watlow在电热和温度控制领域拥有广泛的产品线，包括热电偶和其他温度传感器。

Isomil GmbH：作为矿物绝缘热电偶电缆的领先生产商之一，Isomil也提供高质量的热电偶产品。

供应商A：开普森

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1、产品能力

（1）主推型号1：铠装K型

对应的产品详情介绍

一、产品特点

高精度：K型热电偶具有线性度好、热电动势较大、灵敏度高、稳定性和均匀性较好的特点，能够准确反映被测温度的变化。

耐腐蚀性：铠装结构采用金属保护套管，有效防止热电偶丝受到腐蚀和损坏，延长使用寿命。

可弯曲性：由于热电偶丝被包裹在柔软的金属套管内，开普森铠装K型热电偶可以制成各种形状和尺寸，以适应不同的测量需求。

高温测量：特别适用于高温环境下的温度测量，能够稳定工作在高温炉窑、管道等场合。

二、应用领域

开普森铠装K型热电偶广泛应用于以下领域：

工业生产：在钢铁、冶金、化工、电力等行业中，用于测量各种高温炉窑、管道、反应器等的温度。

科研实验：在科研机构和高校实验室中，用于精确测量和控制实验温度。

医疗设备：在医疗设备中，如高温灭菌器、恒温培养箱等，用于监测和控制设备内的温度。

三、产品参数

• 分度号：K
• 温度范围：-50~1150℃
• 探头材质：INCONEL600高温合金材质
• 引线材质：四氟镀锡屏蔽线
• 产品用途：适用各种高温炉、烘箱、实验室温度测量
• 应用场景：固体、液体、空气

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