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1、热电偶基本原理和使用方法常用热电偶分度号有S、B、K、E、T、J等，这些都是标准化热电偶。其中K型也即镍铬镍硅热电偶，它是一种能测量较高温度的廉价热偶。由于这种 合金具有较好的高温抗氧化性，可适用于氧化性或中性介质中。它可长期测量1000度的高温，短期可测到1200度。它不能用于还原性介质中，否则，很快腐 蚀，在此情况下只能用于500度以下的测量。它比S型热偶要便宜很多，它的重复性很好，产生的热电势大，因而灵敏度很高，而且它的线性很好。虽然其测量精 度略低，但完全能满足工业测温要求，所以它是工业上最常用的热电偶。概述：作为工业测温中最广泛使用的温度传感器之一热电偶，与铂热电阻一起，约占整个温度
2、传感器总量的60%，热电偶通常和显示仪表等配套使用，直接测量各种生产过程中-401800范围内的液体、蒸气和气体介质以及固体的表面温度。热电偶工作原理：两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动 势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）； 冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。热电偶实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度，对于热电偶的热电势，
3、应注意如下几个问题：（）热电偶的热电势是热电偶两端温度函数的差，而不是热电偶两端温度差的函数；（）热电偶所产生的热电势的大小，当热电偶的材料是均匀时，与热电偶的长度和直径无关，只与热电偶材料的成份和两端的温差有关；（）当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后，热电偶热电势的大小，只与热电偶的温度差有关；若热电偶冷端的温度保持一定，这进热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。热电偶的基本构造：工业测温用的热电偶，其基本构造包括热电偶丝材、绝缘管、保护管和接线盒等。一、常用热电偶丝材及其性能、铂铑10铂热电偶（分度号为，也称为单铂铑热电偶）该热电偶的正极成份为含铑10%的铂铑合金，负极为纯铂；它的特点
4、是：（）热电性能稳定、抗氧化性强、宜在氧化性气氛中连续使用、长期使用温度可达1300，超达1400时，即使在空气中、纯铂丝也将会再结晶，使晶粒粗大而断裂；（）精度高，它是在所有热电偶中，准确度等级最高的，通常用作标准或测量较高的温度；（）使用范围较广，均匀性及互换性好；（）主要缺点有：微分热电势较小，因而灵敏度较低；价格较贵，机械强度低，不适宜在还原性气氛或有金属蒸汽的条件下使用。、铂铑13铂热电偶（分度号为，也称为单铂铑热电偶）该热电偶的正极为含13%的铂铑合金，负极为纯铂，同S型相比，它的电势率大15%左右，其它性能几乎相同，该种热电偶在日本产业界，作为高温热电偶用得最多，而在中国，则用得
5、较少；、铂铑30铂铑6热电偶（分度号为，也称为双铂铑热电偶）该热电偶的正极是含铑30%的铂铑合金，负极为含铑6%的铂铑合金，在室温下，其热电势很小，故在测量时一般不用补偿导线，可忽略冷端温度变化的影响；长期使用温度为1600，短期为1800，因热电势较小，故需配用灵敏度较高的显示仪表。型热电偶适宜在氧化性或中性气氛中使用，也可以在真空气氛中的短期使用；即使在还原气氛下，其寿命也是或型的1020倍；由于其电极均由铂 铑合金制成，故不存在铂铑铂热电偶负极上所有的缺点、在高温时很少有大结晶化的趋势，且具有较大的机械强度；同时由于它对于杂质的吸收或铑的迁移的影响 较少，因此经过长期使用后其热电势变化并
6、不严重、缺点价格昂贵（相对于单铂铑而言）。、镍铬镍硅（镍铝）热电偶（分度号为）该热电偶的正极为含铬10%的镍铬合金，负极为含硅3%的镍硅合金（有些国家的产品负极为纯镍）。可测量01300的介质温度，适宜在氧化性及 惰性气体中连续使用，短期使用温度为1200，长期使用温度为1000，其热电势与温度的关系近似线性，价格便宜，是目前用量最大的热电偶。型热电偶是抗氧化性较强的贱金属热电偶，不适宜在真空、含硫、含碳气氛及氧化还原交替的气氛下裸丝使用；当氧分压较低时，镍铬极中的铬将择优氧化，使热电势发生很大变化，但金属气体对其影响较小，因此，多采用金属制保护管。型热电偶的缺点：（1）热电势的高温稳定性较型
7、热电偶及贵重金属热电偶差，在较高温度下（例如超过1000）往往因氧化而损坏；（2）在250500范围内短期热循环稳定性不好，即在同一温度点，在升温降温过程中，其热电势示值不一样，其差值可达23；（3）其负极在150200范围内要发生磁性转变，致使在室温至230范围内分度值往往偏离分度表，尤其是在磁场中使用时往往出现与时间无关的热电势干扰；（）长期处于高通量中系统辐照环境下，由于负极中的锰（n）、钴（o）等元素发生蜕变，使其稳定性欠佳，致使热电势发生较大变化。、镍铬硅镍硅热电偶（分度号为）该热电偶的主要特点是：在1300以下调温抗氧化能力强，长期稳定性及短期热循环复现性好，耐核辐射及耐低温性能好
8、，另外，在4001300 范围内，型热电偶的热电特性的线性比型偶要好；但在低温范围内（-200400）的非线性误差较大，同时，材料较硬难于加工。、铜铜镍热电偶（分度号为）T型热电电偶,该热电偶的正极为纯铜，负极为铜镍合金（也称康铜），其主要特点是：在贱金属热电偶中，它的准确度最高、热电极的均匀性好；它的使用 温度是-200350，因铜热电极易氧化，并且氧化膜易脱落，故在氧化性气氛中使用时，一般不能超过300，在-200300范围内，它们灵敏 度比较高，铜康铜热电偶还有一个特点是价格便宜，是常用几种定型产品中最便宜的一种。、铁康铜热电偶（分度号为）J型热电偶,该热电偶的正极为纯铁，负极为康铜（铜
9、镍合金），具特点是价格便宜,适用于真空氧化的还原或惰性气氛中，温度范围从 -200800，但常用温度只是500以下，因为超过这个温度后，铁热电极的氧化速率加快，如采用粗线径的丝材，尚可在高温中使用且有较长的寿命； 该热电偶能耐氢气（2）及一氧化碳（）气体腐蚀，但不能在高温（例如500）含硫（）的气氛中使用。、镍铬铜镍（康铜）热电偶（分度号为）型热电偶是一种较新的产品，它的正极是镍铬合金，负极是铜镍合金（康铜），其最大特点是在常用的热电偶中，其热电势最大，即灵敏度最高；它的应用 范围虽不及型偶广泛，但在要求灵敏度高、热导率低、可容许大电阻的条件下，常常被选用；使用中的限制条件与型相同，但对于含有
10、较高湿度气氛的腐蚀不很 敏感。除了以上8种常用的热电偶外，作为非标准化的热电偶还有钨铼热电偶，铂铑系热电偶，铱锗系热电偶，铂钼系热电偶和非金属材料热电偶等。二、绝缘管该热电偶的工作端被牢固地焊接在一起，热电极之间需要用绝缘管保护。热电偶的绝缘材料很多，大体上可分为有机和无机绝缘两类，处于高温端的绝缘物必须采用无机物，通常在1000以下选用粘土质绝缘管，在1300以下选用高铝管，在1600以下选用刚玉管。三、保护管保护管的作用在于使用热电偶电极不直接与被测介质接触，它不仅可延长热电偶的寿命，还可起到支撑和固定热电极增加其强度的作用；因此，热电偶保护管及绝缘选择是否合适，将直接影响到热电偶的使用寿
11、命和测量的准确度，被采用做保护管的材料主要分金属和非金属两大类。热电偶冷端补偿摘要：温度测量应用中，热电偶因其坚固性、可靠性以及较快的响应速度得到了普遍应用。本应用笔记讨论了热电偶的基本工作原理，包括参考端(冷端)的定义和功能。本文还给出了按照具体应用选择冷端温度测量器件的注意事项，并给出了三个设计范例。 概述温度测量应用中有多种类型的变送器，热电偶是最常用的一种，可广泛用于汽车、家庭等领域。与RTD、电热调节器、温度检测集成电路(IC)相比，热电偶能够检测更宽的温度范围，具有较高的性价比。另外，热电偶的牢固、可靠性和快速响应时间使其成为各种工作环境下的首要选择。当然，热电偶在温度测量中也存在
12、一些缺陷，例如，线性特性较差。虽然它们与RTD、温度传感器IC相比可以测量更宽的温度范围，但线性度却大打折扣。除此之外，RTD和温度传感器IC可以提供更高的灵敏度和精度，可理想用于精确测量系统。热电偶信号电平很低，常常需要放大或高分辨率数据转换器进行处理。如果排除上述问题，热电偶的低价位、易使用、宽温度范围使其得到广泛使用。热电偶基础热电偶是差分温度测量器件，由两段不同的金属/合金线构成，一段用作正端，另一段用作负端。表1列出了四种最常用的热电偶类型、所用金属以及对应的温度测量范围。每种热电偶在其规定的温度范围内具有独特的热电特性。表1. 常用的热电偶类型 类型 正端金属/合金负端金属/合金温
13、度范围(C)T铜镍铜合金-200至+350J铁镍铜合金0至+750K镍铬合金镍基热电偶合金-200至+1250E镍铬合金镍铜合金-200至+900两种不同类型的金属接(焊接)在一起后形成两个结点，如图1a所示，环路电压是两个结点温差的函数。这种现象称为Seebeck效应，用于解释热能转换为电能的过程。Seebeck效应相对于Peltier效应，Peltier效应用于解释电能转换成热能的过程，典型应用有电热致冷器。图1a所示，测量电压VOUT是检测端(热端)结电压与参考端(冷端)结电压之差。因为VH和VC是由两个结的温度差产生的，VOUT也是温差的函数。定标因数，对应于电压差与温差之比，称为Se
14、ebeck系数。图1a. 环路电压由热电偶两个结点之间的温差产生，是Seebeck效应的结果。图1b. 常见的热电偶配置由两条线连接在一端，每条线的开路端与铜恒温线连接。 图1b所示是一种最常见的热电偶应用。该配置中引入了第三种金属(中间金属)和两个额外的节点。本例中，每个开路端与铜线电气连接，这些连线为系统增加了两个额外节点，只要这两个节点温度相同，中间金属(铜)不会影响输出电压。这种配置允许热电偶在没有独立参考结点的条件下使用。VOUT仍然是热端与冷端温度之差的函数，与Seebeck系数有关。然而，由于热电偶测量的是温度差，为了确定热端的实际温度，冷端温度必须是已知的。冷端温度为0C (冰
15、点)时是一种最简单的情况，如果TC = 0C，则VOUT = VH。这种情况下，热端测量电压是结点温度的直接转换值。美国国家标准局(NBS)提供了各种类型热电偶的电压特征数据与温度对应关系的查找表。所有数据均基于0C冷端温度。利用冰点作为参考点，通过查找适当表格中的VH可以确定热端温度。在热电偶应用初期，冰点被当作热电偶的标准参考点，但在大多数应用中获得一个冰点参考温度不太现实。如果冷端温度不是0C，那么，为了确定实际热端温度必须已知冷端温度。考虑到非零冷端温度的电压，必需对热电偶输出电压进行补偿，既所谓的冷端补偿。选择冷端温度测量器件如上所述，为了实现冷端补偿，必须确定冷端温度，这可以通过任何类型的温度检测器件实现。在通用的温度传感器IC、电热调节器和RTD中，不同类型的器件具有不同的优、缺点，需根据具体应用进行选择。对于精度要求非常高的器件，经过校准的铂RTD能够在很宽的温度范围内保持较高精度，但其成本很高。精度要求不是
