熱電偶基本原理與使用方法

常用熱電偶分度號(hào)有S,、B,、K,、E,、T,、J等,，這些都是標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶。其中K型也即鎳鉻－鎳硅熱電偶,，它是一種能測(cè)量較高溫度的廉價(jià)熱偶,。由于這種合金具有較好的高溫抗氧化性，可適用于氧化性或中性介質(zhì)中,。它可長(zhǎng)期測(cè)量1000度的高溫,，短期可測(cè)到1200度。它不能用于還原性介質(zhì)中,，否則,，很快腐蝕，在此情況下只能用于500度以下的測(cè)量,。它比S型熱偶要便宜很多,，它的重復(fù)性很好,，產(chǎn)生的熱電勢(shì)大,，因而靈敏度很高,，而且它的線(xiàn)性很好。雖然其測(cè)量精度略低,，但完全能滿(mǎn)足工業(yè)測(cè)溫要求,，所以它是工業(yè)上常用的熱電偶。

概述：

作為工業(yè)測(cè)溫中廣泛使用的溫度傳感器之一——熱電偶,，與鉑熱電阻一起,，約占整個(gè)溫度傳感器總量的60%，熱電偶通常和顯示儀表等配套使用,，直接測(cè)量各種生產(chǎn)過(guò)程中-40～1800℃范圍內(nèi)的液體,、蒸氣和氣體介質(zhì)以及固體的表面溫度。

熱電偶工作原理：

兩種不同成份的導(dǎo)體（稱(chēng)為熱電偶絲材或熱電極）兩端接合成回路,，當(dāng)接合點(diǎn)的溫度不同時(shí),，在回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱電效應(yīng),，而這種電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為熱電勢(shì),。熱電偶就是利用這種原理進(jìn)行溫度測(cè)量的，其中,，直接用作測(cè)量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端（也稱(chēng)為測(cè)量端）,，另一端叫做冷端（也稱(chēng)為補(bǔ)償端）；冷端與顯示儀表或配套儀表連接,，顯示儀表會(huì)指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì),。

熱電偶實(shí)際上是一種能量轉(zhuǎn)換器，它將熱能轉(zhuǎn)換為電能,，用所產(chǎn)生的熱電勢(shì)測(cè)量溫度,，對(duì)于熱電偶的熱電勢(shì)，應(yīng)注意如下幾個(gè)問(wèn)題：
（１）熱電偶的熱電勢(shì)是熱電偶兩端溫度函數(shù)的差,，而不是熱電偶兩端溫度差的函數(shù),；
（２）熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)的大小，當(dāng)熱電偶的材料是均勻時(shí),，與熱電偶的長(zhǎng)度和直徑無(wú)關(guān),，只與熱電偶材料的成份和兩端的溫差有關(guān)；
（３）當(dāng)熱電偶的兩個(gè)熱電偶絲材料成份確定后,，熱電偶熱電勢(shì)的大小,，只與熱電偶的溫度差有關(guān)；若熱電偶冷端的溫度保持一定,，這進(jìn)熱電偶的熱電勢(shì)僅是工作端溫度的單值函數(shù),。

熱電偶的基本構(gòu)造：

工業(yè)測(cè)溫用的熱電偶,，其基本構(gòu)造包括熱電偶絲材、絕緣管,、保護(hù)管和接線(xiàn)盒等,。
一、常用熱電偶絲材及其性能
１,、鉑銠10－鉑熱電偶（分度號(hào)為Ｓ,，也稱(chēng)為單鉑銠熱電偶）
該熱電偶的正極成份為含銠10%的鉑銠合金，負(fù)極為純鉑,；它的特點(diǎn)是：
（１）熱電性能穩(wěn)定,、抗氧化性強(qiáng)、宜在氧化性氣氛中連續(xù)使用,、長(zhǎng)期使用溫度可達(dá)1300℃,，超達(dá)1400℃時(shí)，即使在空氣中,、純鉑絲也將會(huì)再結(jié)晶,，使晶粒粗大而斷裂；
（２）精度高,，它是在所有熱電偶中,，精度等最高的，通常用作標(biāo)準(zhǔn)或測(cè)量較高的溫度,；
（３）使用范圍較廣,，均勻性及互換性好；
（４）主要缺點(diǎn)有：微分熱電勢(shì)較小,，因而靈敏度較低,；價(jià)格較貴，機(jī)械強(qiáng)度低,，不適宜在還原性氣氛或有金屬蒸汽的條件下使用,。
２、鉑銠13－鉑熱電偶（分度號(hào)為Ｒ,，也稱(chēng)為單鉑銠熱電偶）

該熱電偶的正極為含13%的鉑銠合金,，負(fù)極為純鉑，同S型相比,，它的電勢(shì)率大15%左右,，其它性能幾乎相同，該種熱電偶在日本產(chǎn)業(yè)界,，作為高溫?zé)犭娕加玫枚?，而在中?guó)，則用得較少,；
３,、鉑銠30－鉑銠6熱電偶（分度號(hào)為Ｂ,，也稱(chēng)為雙鉑銠熱電偶）

該熱電偶的正極是含銠30%的鉑銠合金，負(fù)極為含銠6%的鉑銠合金,，在室溫下,，其熱電勢(shì)很小，故在測(cè)量時(shí)一般不用補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn),，可忽略冷端溫度變化的影響,；長(zhǎng)期使用溫度為1600℃，短期為1800℃,，因熱電勢(shì)較小，故需配用靈敏度較高的顯示儀表,。

Ｂ型熱電偶適宜在氧化性或中性氣氛中使用,，也可以在真空氣氛中的短期使用；即使在還原氣氛下,，其壽命也是Ｒ或Ｓ型的10～20倍,；由于其電極均由鉑銠合金制成，故不存在鉑銠－鉑熱電偶負(fù)極上所有的缺點(diǎn),、在高溫時(shí)很少有大結(jié)晶化的趨勢(shì),，且具有較大的機(jī)械強(qiáng)度；同時(shí)由于它對(duì)于雜質(zhì)的吸收或銠的遷移的影響較少,，因此經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用后其熱電勢(shì)變化并不嚴(yán)重,、缺點(diǎn)價(jià)格昂貴（相對(duì)于單鉑銠而言）。
４,、鎳鉻－鎳硅（鎳鋁）熱電偶（分度號(hào)為Ｋ）

該熱電偶的正極為含鉻10%的鎳鉻合金,，負(fù)極為含硅3%的鎳硅合金（有些國(guó)家的產(chǎn)品負(fù)極為純鎳）?？蓽y(cè)量0～1300℃的介質(zhì)溫度,，適宜在氧化性及惰性氣體中連續(xù)使用，短期使用溫度為1200℃,，長(zhǎng)期使用溫度為1000℃,，其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系近似線(xiàn)性，價(jià)格便宜,，是目前用量最大的熱電偶,。

Ｋ型熱電偶是抗氧化性較強(qiáng)的賤金屬熱電偶，不適宜在真空,、含硫,、含碳?xì)夥占把趸€原交替的氣氛下裸絲使用；當(dāng)氧分壓較低時(shí),，鎳鉻極中的鉻將擇優(yōu)氧化,，使熱電勢(shì)發(fā)生很大變化,，但金屬氣體對(duì)其影響較小，因此,，多采用金屬制保護(hù)管,。

Ｋ型熱電偶的缺點(diǎn)：

（1）熱電勢(shì)的高溫穩(wěn)定性較Ｎ型熱電偶及貴重金屬熱電偶差，在較高溫度下（例如超過(guò)1000℃）往往因氧化而損壞,；
（2）在250～500℃范圍內(nèi)短期熱循環(huán)穩(wěn)定性不好,，即在同一溫度點(diǎn)，在升溫降溫過(guò)程中,，其熱電勢(shì)示值不一樣,，其差值可達(dá)2～3℃；
（3）其負(fù)極在150～200℃范圍內(nèi)要發(fā)生磁性轉(zhuǎn)變,，致使在室溫至230℃范圍內(nèi)分度值往往偏離分度表,，尤其是在磁場(chǎng)中使用時(shí)往往出現(xiàn)與時(shí)間無(wú)關(guān)的熱電勢(shì)干擾；
（４）長(zhǎng)期處于高通量中系統(tǒng)輻照環(huán)境下,，由于負(fù)極中的錳（Ｍn）,、鈷（Ｃo）等元素發(fā)生蛻變，使其穩(wěn)定性欠佳,，致使熱電勢(shì)發(fā)生較大變化,。
５、鎳鉻硅－鎳硅熱電偶（分度號(hào)為Ｎ）

該熱電偶的主要特點(diǎn)是：在1300℃以下調(diào)溫抗氧化能力強(qiáng),，長(zhǎng)期穩(wěn)定性及短期熱循環(huán)復(fù)現(xiàn)性好,，耐核輻射及耐低溫性能好，另外,，在400～1300℃范圍內(nèi),，Ｎ型熱電偶的熱電特性的線(xiàn)性比Ｋ型偶要好；但在低溫范圍內(nèi)（-200～400℃）的非線(xiàn)性誤差較大,，同時(shí),，材料較硬難于加工。
６,、銅－銅鎳熱電偶（分度號(hào)為Ｔ）

T型熱電偶,該熱電偶的正極為純銅,，負(fù)極為銅鎳合金（也稱(chēng)康銅），其主要特點(diǎn)是：在賤金屬熱電偶中,，它的精度高,、熱電極的均勻性好；它的使用溫度是-200～350℃,，因銅熱電極易氧化,，并且氧化膜易脫落，故在氧化性氣氛中使用時(shí)，一般不能超過(guò)300℃,，在-200～300℃范圍內(nèi),，它們靈敏度比較高，銅－康銅熱電偶還有一個(gè)特點(diǎn)是價(jià)格便宜,，是常用幾種定型產(chǎn)品中便宜的一種,。
７、鐵－康銅熱電偶（分度號(hào)為Ｊ）

J型熱電偶,該熱電偶的正極為純鐵,，負(fù)極為康銅（銅鎳合金）,，具特點(diǎn)是價(jià)格便宜,適用于真空氧化的還原或惰性氣氛中，溫度范圍從-200～800℃,，但常用溫度只是500℃以下,，因?yàn)槌^(guò)這個(gè)溫度后，鐵熱電極的氧化速率加快,，如采用粗線(xiàn)徑的絲材,，尚可在高溫中使用且有較長(zhǎng)的壽命；該熱電偶能耐氫氣（Ｈ2）及一氧化碳（ＣＯ）氣體腐蝕,，但不能在高溫（例如500℃）含硫（Ｓ）的氣氛中使用。

８,、鎳鉻－銅鎳（康銅）熱電偶（分度號(hào)為Ｅ）

Ｅ型熱電偶是一種較新的產(chǎn)品,，它的正極是鎳鉻合金，負(fù)極是銅鎳合金（康銅）,，其特點(diǎn)是在常用的熱電偶中,，其熱電勢(shì)大，即靈敏度高,；它的應(yīng)用范圍雖不及Ｋ型偶廣泛,，但在要求靈敏度高、熱導(dǎo)率低,、可容許大電阻的條件下,，常常被選用；使用中的限制條件與Ｋ型相同,，但對(duì)于含有較高濕度氣氛的腐蝕不很敏感,。

除了以上8種常用的熱電偶外，作為非標(biāo)準(zhǔn)化的熱電偶還有鎢錸熱電偶,，鉑銠系熱電偶,，銥鍺系熱電偶，鉑鉬系熱電偶和非金屬材料熱電偶等,。

二,、絕緣管

該熱電偶的工作端被牢固地焊接在一起，熱電極之間需要用絕緣管保護(hù),。熱電偶的絕緣材料很多,，大體上可分為有機(jī)和無(wú)機(jī)絕緣兩類(lèi),，處于高溫端的絕緣物必須采用無(wú)機(jī)物，通常在1000以下選用粘土質(zhì)絕緣管,，在1300以下選用高鋁管,，在1600以下選用剛玉管。

三,、保護(hù)管

保護(hù)管的作用在于使用熱電偶電極不直接與被測(cè)介質(zhì)接觸,，它不僅可延長(zhǎng)熱電偶的壽命，還可起到支撐和固定熱電極增加其強(qiáng)度的作用,；因此,，熱電偶保護(hù)管及絕緣選擇是否合適，將直接影響到熱電偶的使用壽命和測(cè)量的精度,，被采用做保護(hù)管的材料主要分金屬和非金屬兩大類(lèi),。