熱電偶基本原理與使用方法

常用熱電偶分度號有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，它是一種能測量較高溫度的廉價熱偶。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。它可長期測量1000度的高溫，短期可測到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)生的熱電勢大，因而靈敏度很高，而且它的線性很好。雖然其測量精度略低，但完全能滿足工業(yè)測溫要求，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，直接測量各種生產(chǎn)過程中-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，在回路中就會產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，而這種電動勢稱為熱電勢。熱電偶就是利用這種原理進(jìn)行溫度測量的，其中，直接用作測量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端（也稱為測量端），另一端叫做冷端（也稱為補(bǔ)償端）；冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢。

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)生的熱電勢測量溫度，對于熱電偶的熱電勢，應(yīng)注意如下幾個問題：
（１）熱電偶的熱電勢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)生的熱電勢的大小，當(dāng)熱電偶的材料是均勻時，與熱電偶的長度和直徑無關(guān)，只與熱電偶材料的成份和兩端的溫差有關(guān)；
（３）當(dāng)熱電偶的兩個熱電偶絲材料成份確定后，熱電偶熱電勢的大小，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（分度號為Ｓ，也稱為單鉑銠熱電偶）
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、長期使用溫度可達(dá)1300℃，超達(dá)1400℃時，即使在空氣中、純鉑絲也將會再結(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：微分熱電勢較小，因而靈敏度較低；價格較貴，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（分度號為Ｒ，也稱為單鉑銠熱電偶）

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)犭娕加玫枚啵谥袊瑒t用得較少；
３、鉑銠30－鉑銠6熱電偶（分度號為Ｂ，也稱為雙鉑銠熱電偶）

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，其熱電勢很小，故在測量時一般不用補(bǔ)償導(dǎo)線，可忽略冷端溫度變化的影響；長期使用溫度為1600℃，短期為1800℃，因熱電勢較小，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)、在高溫時很少有大結(jié)晶化的趨勢，且具有較大的機(jī)械強(qiáng)度；同時由于它對于雜質(zhì)的吸收或銠的遷移的影響較少，因此經(jīng)過長期使用后其熱電勢變化并不嚴(yán)重、缺點(diǎn)價格昂貴（相對于單鉑銠而言）。
４、鎳鉻－鎳硅（鎳鋁）熱電偶（分度號為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（有些國家的產(chǎn)品負(fù)極為純鎳）。可測量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℃，長期使用溫度為1000℃，其熱電勢與溫度的關(guān)系近似線性，價格便宜，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，鎳鉻極中的鉻將擇優(yōu)氧化，使熱電勢發(fā)生很大變化，但金屬氣體對其影響較小，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)，在升溫降溫過程中，其熱電勢示值不一樣，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，尤其是在磁場中使用時往往出現(xiàn)與時間無關(guān)的熱電勢干擾；
（４）長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，致使熱電勢發(fā)生較大變化。
５、鎳鉻硅－鎳硅熱電偶（分度號為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性比Ｋ型偶要好；但在低溫范圍內(nèi)（-200～400℃）的非線性誤差較大，同時，材料較硬難于加工。
６、銅－銅鎳熱電偶（分度號為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，一般不能超過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特點(diǎn)是價格便宜，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^這個溫度后，鐵熱電極的氧化速率加快，如采用粗線徑的絲材，尚可在高溫中使用且有較長的壽命；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)和無機(jī)絕緣兩類，處于高溫端的絕緣物必須采用無機(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介質(zhì)接觸，它不僅可延長熱電偶的壽命，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。