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热电偶的基本知识

热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是：

•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。

•测量范围广。常用的热电偶从-50~+1600℃均可连续测量，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）。

•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。

一、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1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。

图1 热电偶工作原理图

如图1所示，热电偶的一端将A、B两种导体焊在一起，置于温度为t的被测介中称为自由端，放在温度为t0的恒定温度下。当工作端的被测介质温度发生变化时，热电势随之发生变化，将热电势送入显示仪表进行指示或记录，或送入微机进行处理，即可获得温度值。

热电偶两端的热电势差可以用下式表示：

式中：E t-热电偶的热电势；e AB(t)-温度为t时工作端的热电势；e AB(t0)-温度为t0时自由端的热电势

当自由端温度t0恒定时，热电势只与工作端的温度有关，即E t=f(t)。

当组成热电偶的热电极的材料均匀时，其热电势的大小与热电极本身的长度和直径大小无关，只与热电极材料的成分及两端的温度有关，因此，用各种不同的导体或半导体材料可做成各种用途的热电偶，以满足不同温度对象测量的需要。

二、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。

1、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。这七种标准化热电偶的使用特性见表1，分度表详见2。

表1 标准化热电偶使用特性

注：

•t为被测温度

•允许偏差以℃值或实际温度的百分数表示,两者中采用计算数值的较大值2、非标准化热电偶

非标准化热电偶使用概况见表2

表2 非标准热电偶使用概况

注：t为被测温度的绝对值

二、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：

•组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；

•两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；

•补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；

•保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。

按热电偶的用途不同，常制成以下几种形式。

1、普通型热电偶

普通型热电偶是使用最多的，主要用来测量气体、蒸汽和液体等介质的温度。根据测温范围及环境的不同，所用的热电偶电极和保护套管的材料也不同，但因使用条件基本类似，所以这类热电偶已标准化、系列化。按其安装时的连接方法可分为螺纹连接和法兰连接两种。图2-1所示为普通热电偶结构图。

图2-1

2、铠装热电偶

铠装热电偶又称缆式热电偶，是由热电极、绝缘材料（通常为电熔氧化镁）和金属保护管三者结合，经控制而成一个坚实的整体。

铠装热电偶有单支（双芯）和双支（四芯）之分，其测量端有露头型、接壳型和绝缘型三种基本形式。见表2-1

序号测量端形

式

示意图特点

1 露头型时间常数小；适用于良好的气氛，寿命短

2 接壳型时间常数较序号1大；适用于较坏的气氛

3 绝缘型

时间常数较序号2大；适用于

较恶劣的气氛，寿命长

表2-1铠装热电偶测量端的结构形式及特点

铠装热电偶的参比端（接线盒）形式有简易式、防水式、防溅式、接插式和小接线盒式等。

铠装热电偶具有体积小、精度高、动态响应快、耐振动、耐冲击、机械强度高、可挠性好，便于安装等优点，已广泛应用在航空、原子能、电力、冶金和石油化工等部门。

3、表面热电偶

表面热电偶主要用来测量圆弧形表面温度。它的测温结构分为凸形、弓形和针形。图2-2所示为直柄式弓形热电偶结构示意图，表2-2为WRKM系列表面热电偶。

图2-2 直柄式弓形热电偶结构示意图表2-2 WRKM系列表面热电偶

名称测温范

围℃

型号用途

手柄式圆柱表面热电偶0~250 WRKM-101 各种φ130mm以上圆柱体、滚筒形表面测温

手柄式平面表面热电偶0~250 WRKM-102 各种固体介质平面测温

直柄式圆柱表面热电偶0~250 WRKM-201 各种φ130mm以上圆柱体、滚筒形表面测温

直柄式平面表面热电偶0~250 WRKM-202 各种固体介质平面表面测温

直柄式弓形表面热电偶0~250 WRKM-203 圆柱凸型表面测温

直柄式指针形表面热电

偶

0~500 WRKM-204 蒸气、液体测温

直柄式薄片型表面热电

偶

0~250 WRKM-205 各种机械设备、各种狭缝处测温直柄式注射形表面热电

偶

0~250 WRKM-206 轮胎胶料内部测温

4、薄膜式热电偶

图2-3

薄膜式热电偶是用真空蒸镀的方法，将热电极沉积蓄沉积在绝缘基板上而成的热电偶。其结构如图

2-3所示。加采用蒸镀工镀工艺，所以热电偶可以做得很薄，而且尺寸可做得很小。它的特点是热容量小，响应速度快，适合于测量微小面积上的瞬变温度。

5、快速消耗型热电偶

图2-4

这是一种专为测量钢水及熔融金属温度而设计的特殊热电偶，其结构如图2-4所示。热电极由直径0.05~0.1mm的铂铑10-铂铑30(或钨铼6-钨铼20)等材料制成,且装在外径为1mm的U形石英管内,构成测温的敏感元件.其外部有绝缘良好的纸管、保护管及高温绝热水泥加以保护和固定。它的特点是：当其插入钢水后，保护帽瞬即熔化，热电偶工作端即刻暴露于钢水中，由于石英管和热电偶热容量都很小，因此能很快反映出钢水的温度，反应时间一般为4~6秒。在测出温度后，热电偶和石英保护管都被烧坏，因此它只能一次性使用。这种热电偶可直接用补偿导线接到专用的快速电子电位差计上，直接读取钢水温度。

三、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℃。常用热电偶的补偿导线列于表3-1中。

表3-1常用热电偶的补偿导线

配用热

电偶分

度号

补偿导

线型号

补偿导线正

极

补偿导线负

极

补偿导线在100℃的热电势允许误

差，mV

材料颜色材料颜色A(精密级) B(精密级)

S SC 铜红铜镍绿0.645±0.0230.645±0.037

K KC 铜红铜镍蓝 4.095±0.063 4.095±0.105