热电偶测温原理及常见故障

热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一，热电偶工作原理是基于赛贝克(seeback)效应,即两种不同成分的导体两端连接成回路，如两连接端温度不同，则在回路内产生热电流的物理现象。其优点是：

①测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。

②测量范围广。常用的热电偶从-50~+1600℃均可边续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）。

③构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。

1．热电偶测温基本原理

将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，如图所示。当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。

常用的热电偶材料有：

热电偶分度号热电极材料

正极负极

S 铂铑10 纯铂

R 铂铑13 纯铂

B 铂铑30 铂铑6

K 镍铬镍硅

T 纯铜铜镍

J 铁铜镍

N 镍铬硅镍硅

E 镍铬铜镍

2．热电偶的种类及结构形成

（1）热电偶的种类

常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。

标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。

(2)热电偶的结构形式为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下：

①组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；

②两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；

③补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；

④保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。

3．热电偶冷端的温度补偿

由于热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。必须指出，热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t0≠0℃时对测温的影响。

在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100℃。

热电偶冷端补偿原理

热电偶测量温度时要求其冷端（测量端为热端，通过引线与测量电路连接的端称为冷端）的温度保持不变，其热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系。若测量时，冷端的（环境）温度变化，将影响严重测量的准确性。在冷端采取一定措施补偿由于冷端温度变化造成的影响称为热电偶的冷端补偿。

热电偶的冷端补偿通常采用在冷端串联一个由热电阻构成的电桥。电桥的三个桥臂为标准电阻，另外有一个桥臂由（铜）热电阻构成。当冷端温度变化（比如升高），热电偶产生的热电势也将变化（减小），而此时串联电桥中的热电阻阻值也将变化并使电桥两端的电压也发生变化（升高）。如果参数选择得好且接线正确，电桥产生的电压正好与热电势随温度变化而变化的量相等，整个热电偶测量回路的总输出电压（电势）正好真实反映了所测量的温度值。这就是热电偶的冷端补偿原理。

热电偶温度表是目前应用最广泛的一种温度表，热电偶温度表是一种温度电测仪表，它通常由热电偶、热电偶冷端温度补偿装置(或元件)和显示仪表三部分组成，三者之间用导线连接起来。

热电偶测温原理

热电偶是通过把两根不同的导体或半导体线状材料A和B的一端焊接起来而形成的，A、B就称为热电极(或热电偶丝)。焊接起来的一端置于被测温度t处，称为热电偶的热端(或称测量端、工作端);非焊接端称为冷端(或参考端、自由端)，冷端则置于被测对象之外温度为t0的环境中。

如把热电偶的两个冷端也连接起来则形成一个闭合回路，如图2-1所示，则当热端温度和冷端温度不相等，即t≠to时，回路中有电流流过，这说明在回路中产生了电动势，由于热电偶两个接点处的温度不同而产生的电动势称为热电(动)势，上述理象称为热电效应，或称塞贝克效应。热电偶就是利用热电效应来测量温度的。进一步的研究表明，热电势是由接触电势和温差电组成的。

1.接触电势

两种均质导体A和B接触时，由于A和B中自由电子密度不同（设自由电子密度NA>NB)，导体A 将通过接点向导体B进行自由电子扩散，则A失电子，B积累电子，从而使接点两侧产生电位差，建立了静电场E，如图2-2所示，静电场E的存左将阻止自由电子继续扩散。当扩散力和电场力的作用相互平衡时。电子的扩散就相对停止，最终在接点两侧之间产生电势，此电势称为接触电势，用符号eAB(t)表示，其中t为接点处的温度，接触电势的大小与接触面温度t和两种导体的性质有关，方向如图2-2所示，由电子密度小的电极指向电子密度大的电极。

2.温差电势

因导体的自由电子密度会随温度升高而增大，因此当同一导体两端温度不同时(如图2-3所示)，温度高的一端自由电子密度将高于温度低的一端，因此在两端之间也会出现与接触电势中相似的自由电子扩散过程，最终在导体的两端间产生电位差，建立起电势，这种电势被称为温差电势，用符号eA(t，to)表示，其大小与导体两端温度t、to及导体性质有关，如图2-3所示由低温端指向高温端。为了便于分析问题，温差电势有时也写成下面的形式，即eA(t，to)=eA(t)-eA(to)。

3.热电势

综上所述，在图2-1所示的热电偶回路中，当t＞t0，NA＞NB时，回路内将产生两个接触电势eAB(t)和ｅAB(to)，两个温差电势eA(t，to)和eB(t，to)。各电势的方向如图中所示。

这时，回路的总电势，即热电势EAB(t，to)是这些接触电势和温差电势的代数和，即

EAB(t，to)= eAB(t) - eA(，to) - eAB(to) + eB(t，to)

= eAB(t)-[eA(t) - eA(to)] - eAB(to) + [eB(t) - eB(to)]

= [eAB(t) - eA(t) + eB(t)] - [eAB(tO) - eA(to) + eB(to)]

= fAB(t) –fAB(to)

由于温差电势比接触电势小，又t>tO，所以在总电势EAB(t，tO)中，接触电势eAB(t)所占百分比最大，故总电势EAB(t，to)的方向取决于eAB(t)的方向。又因A的电子密度大，所以A为正极，B为负极，在正热电极里，电势的方向由热端指向冷端。

上式表明，当两个热电极的材料选定后，热电势就是两个分别与接点温度有关的函数之差。如果冷端温度to保持不变，则fAB(to) = C(常数)，那么，EAB(t，to)=fAB(t) –C，热电势就与热端温度t成一一对应关系。因此，测得热电势EAB(t，to)，就可以确定被测温度t的数值，这就是热电偶测量温度的原理。

为了使用方便，标准化热电偶的热端温度与热电势之间的对应关系都有函数表可查。这种函数表是在冷端温度为0℃条件下，通过实验方法制定出来的，称为热电偶分度表。热电偶分度表可用于表达热电偶的热电特性。几种常用热电偶的分度表见附表1～附表5。应注意to不等于0℃时不能使用分度表由t直接查EAB(t，to)值，也不能直接由EAB(t，to)查t

附表1：铂铑10-铂热电偶分度表（分度号为S；参考端温度为0℃；mV)