温度传感器的结构和安装方法

热电偶的结构

热电偶前端接合的形状有3种类型，如图2.5所示。可根据热电偶的类型、线径、使用温度，通过气焊、对焊、电阻焊、电弧焊、银焊等方法进行接合。

在工业应用中为了便于安装及延长热电偶的使用寿命，通常使用外加套管的方式。套管一般分为保护管型和铠装型。

1.带保护管的热电偶

是将热电偶的芯线以及绝缘管插入保护管使用的热电偶。保护管在防止芯线氧化、腐蚀的同时，还可以保持热电偶的机械强度。保护管有多种类型，常用的如下表所示。

材质

常用

温度℃

最高使用温

度℃

概要

金属保护管SUS304850950

适用于高温、酸性、碱性环境，

不适用于氧化性、还原性气体环境

SUS316850950比SUS304在高温中的耐蚀性好

SUS301S10001100Ni、Cr的含量高，耐热性强

SandviRP410501200

27Cr钢，适用于高温环境，

不适用于氧化性、还原性气体

Kanthal

A-1

11001350Cr24%、A15.5%的耐热钢、在高温中机械强度高

镍铬合金11001250

Ni80%、Cr20%、适用于氧化环境，不适用于硫化、还原性气

体环境

非金属保护管石英管QT10001050抗热冲击性强，但机械强度低陶瓷管PT214001450氧化铝质，气密性优

高铝管PT115001550同上，抗热冲击性弱

刚玉管PT016001750高纯度铝管，抗热冲击性最弱碳化硅管

SiC

1250

1550

1350

1600

抗热冲击性强，但气密性差

在双保护管的外管上使用

氮化硅管

14001600与碳化硅管大致相同，适用于熔融铝

Si3N4

2.铠装型热电偶

铠装热电偶的测量原理与带保护管的热电偶相同。它使用纤细的金属管(称为套管)作为上图中绝缘管(陶瓷)的替代品，并使用氧化镁(MgO)等粉末作为绝缘材料。由于其外径较细且容易弯曲，所以最适合用来测量物体背面与狭小空隙等处的温度。此外，与带保护管的热电偶相比，其反应速度更为灵敏。铠装热电偶的套管外径范围较广，可以拉长加工为8.0mmф到0.5mmф的各种尺寸。芯线拉伸得越细，常用温度上限越低。如K型热电偶，套管外径0.5mmф的常用温度上限是600℃，8.0mmф的是1050℃。

热电阻的结构

如下图所示，热电阻的元件形状有3种，目前陶瓷封装型占主导地位。陶瓷封装型用于带保护管的热电阻以及铠装热电阻。陶瓷与玻璃封装型的铂线裸线直径为几十微米左右，云母板型的约为0.05mm。引线则使用比元件线粗很多的铂合金线。

热电阻元件的种类

带保护管的热电阻图例

温度传感器的安装方法

1. 安装实例和测量误差

热电偶和热电阻在设备中的安装方法和测量误差如下图所示。安装时要注意机械强度，特别是高温中保护管的变形。另外，为了避免保护管的热损失对元件温度的影响，需要考虑流向和保护管的外形、插入长度、保温、隔热等问题。

保护管安装位置和误差实例

2. 响应速度

虽然铠装热电偶比安装保护管的热电偶响应速度快，但是，使用安装了保护管的热电偶，能够增加强度、耐腐蚀、防热以及易于维护。在热导率大的水中和热导率小的空气中，响应速度是不同的。下图为带不锈钢保护管的具有代表性的响应速度的示例，保护管内径和外径的不同不会对响应时间有影响。。

3. 防止保护管因卡曼振动而破裂的措施

在管道中插入保护管时，下游会产生旋涡。该旋涡称为卡曼旋涡，会导致保护管发生卡曼振动，当振动频率与保护管的固有振动频率一致时，会发生共振，导致保护管破裂以及温度检测元件断线。在流体为液体且流速非常快的情况下，必须防止共振发生。计算保护管自身的固有频率和卡曼旋涡频率，选择保护管长度和外形尺寸时，需使卡曼旋涡频率低于保护管的固有频率。有时候也可以降低流速。该运算涉及到包含流体质量和黏度等数值的应力计算，比较复杂，可参考以下简易计算公式。

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