关于热电偶在工业生产中的应用王耀雷

关于热电偶在工业生产中的应用

摘要

热电偶是温度测量仪表中常用的测温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。他的主要特点就是测温范围宽，性能比较稳定，同时结构简单，动态响应好，便于自动控制和集中控制。文章主要介绍了热电偶的种类，工作原理、应用现状、应用前景。

关键词：热电偶，原理，种类，应用，前景

一．热电偶的工作原理与分类

1. 热电偶的工作原理

任意两种材质不同的金属导体或半导体（称为热电偶丝材或热电极）A 和B 首尾连接成闭合回路, 只要两接点T1和T2 的温度不同, 就会产生热电势, 形成热电流, 这就是热电效应。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.

热电偶原理图

对于热电偶的热电势，应注意如下几个问题：

（1）热电偶的热电势是热电偶工作端的两端温度函数的差，而不是热电偶冷端与工作端，两端温度差的函数；

（2）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；

（3）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。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。

2.热电偶的计算方法

1、公式

当热电偶的冷端温度t0 0℃时，由于热端与冷端的温差随冷端的变化而变化，所以测得的热电势E AB（t，t0）与冷端为0℃时所测得的热电势E AB（t，0℃）不等。若冷端温度高于0℃，则E AB（t，t0）

E AB（t，0℃）=E AB（t，t0）+E AB（t0，0℃）

2、举例9-1 用镍铬-镍硅（K型）热电偶测炉温时，冷端温度t0=30℃，在直流毫伏表上测得的热电势E AB（t，30℃）=38.505mV，试求炉温为多少？

解查镍铬-镍硅热电偶分度表，得到E AB（30℃，0℃）=1.203mV。根据计算公式有

E AB（t，0℃）=E AB（t，30℃）+E AB（30℃，0℃）

=（38.505+1.203）mV=39.708mV

反查K型热电的偶分度表，得到t=960℃。

该方法适用于热电偶冷端温度较恒定的情况。在智能化仪表中，查表及运算过程均可由计算机完成。

3.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。

1)S型热电偶,铂铑10-铂热电偶

铂铑10-铂热电偶（S型热电偶）为贵金属热电偶。其中含铑为10%，含铂为90%，负极（SN）为纯铂，故俗称单铂铑热电偶。该热电偶长期最高使用温度为1300℃，短期最高使用温度为1600℃。S型热电偶在热电偶系列中具有准确度最高，稳定性最好，测温温区宽，使用寿命长等优点。它的物理，化学性能良好，热电势稳定性及在高温下抗氧化性能好，适用于氧化性和惰性气氛中。S型热电偶不足之处是热电势，热电势率较小，灵敏读低，对污染非常敏感，贵金属材料昂贵，因而一次性投资较大。

2)R型热电偶,铂铑13-铂热电偶

铂铑13-铂热电偶（R型热电偶）为贵金属热电偶。其中含铑为13%，含铂为87%，负极（RN）为纯铂，长期最高使用温度为1300℃，短期最高使用温度为1600℃。R型热电偶在热电偶系列中具有准确度最高，稳定性最好，测温温区宽，使用寿命长等优点。其物理，化学性能良好，热电势稳定性及在高温下抗氧化性能好，适用于氧化性和惰性气氛中。R型热电偶不足之处是热电势，热电势率较小，灵敏读低，高温下机械强度下降，对污染非常敏感，贵金属材料昂贵，因而一次性投资较大。

3)B型热电偶,铂铑30-铂铑6热电偶

铂铑30-铂铑6热电偶（B型热电偶）为贵金属热电偶。其中含铑为30%，含铂为70%，负极（BN）为铂铑合金，含铑为量6%，故俗称双铂铑热电偶。该热电偶长期最高使用温度为1600℃，短期最高使用温度为1800℃。B型热电偶在热电偶系列中具有准确度最高，稳定性最好，测温温区宽，使用寿命长，测温上限高等优点。适用于氧化性和惰性气氛中，也可短期用于真空中，但不适用于还原性气氛或含有金属或非金属蒸气气氛中。B 型热电偶一个明显的优点是不需用补偿导线进行补偿，因为在0~50℃范围内热电势小于3μV。B型热电偶不足之处是热电势，热电势率较小，灵敏读低，高温下机械强度下降，对污染非常敏感，贵金属材料昂贵，因而一次性投资较大。

4)K型热电偶,镍铬-镍硅热电偶

镍铬-镍硅热电偶（K型热电偶）是目前用量最大的廉金属热电偶。正极（KP）的名义化学成分为：Ni：Cr=90：10，负极（KN）的名义化学成分为：Ni：Si=97：3，其使用温度为-200~1300℃。K型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中。广泛为用户所采用。K型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛中。

5)E型热电偶,镍铬-铜镍热电偶

镍铬-铜镍热电偶（E型热电偶）又称镍铬-康铜热电偶，也是一种廉金属的热电偶，正极（EP）为：镍铬10合金，化学成分与KP相同，负极（EN）为铜镍合金，名义化学成分为：55%的铜，45%的镍以及少量的锰，钴，铁等元素。该热电偶的使用温度为-200~900℃。E型热电偶热电动势之大，灵敏度之高属所有热电偶之最，宜制成热电堆，测量微小的温度变化。对于高湿度气氛的腐蚀不甚灵敏，宜用于湿度较高的环境。E热电偶还具有稳定性好，抗氧化性能优于铜-康铜，铁-康铜热电偶，价格便宜等优点，能用于氧化性和惰性气氛中，广泛为用户采用。E型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性气氛中，热电势均匀性较差。

6)J型热电偶,铁-铜镍热电偶

铁-铜镍热电偶（J型热电偶）又称铁-康铜热电偶，也是一种价格低廉的廉金属的热电偶。它的正极（JP）的名义化学成分为纯铁，负极（JN）为铜镍合金，常被含糊地