热电偶的作用及工作原理

在两个不同成分的导体(称为热电偶芯线和热电极)的两端连接电路，如果接合点的温度不同，则在电路中产生电动势的现象称为热电效应，该电动势称为热电势。 热电偶是利用该原理进行温度测量的，其中直接用于测量介质温度的一端称为工作端(也称为测量端，另一端称为冷端(也称为补偿端) )的冷端与显示器或辅助器连接，显示器表示热电偶产生的热电势。

典型的热电偶索引号包括s、b、k、e、t和j，它们是标准化的热电偶。 其中k型为镍铬热电偶，是一种能测量较高温度的廉价热偶。 该合金具有优异的高温耐氧化性，可应用于氧化性或中性介质。 这个可以长期测定1000度的高温，短期可以测定1200度。 不能用于还原性介质。 否则，会立即腐蚀，此时只能用于500度以下的测量。 它比s型热偶便宜得多，重现性好，热电势大，灵敏度高，线性好。 其测量精度稍低，但由于满足工业测温要求，因此是工业上常用于zui的热电偶。 广泛用作工业测温中zui的温度传感器之一<； br/>； 热电偶与白金测温电阻体一起，约占温度传感器整体的60%，热电偶通常与显示器等组合使用，直接测量各种生产过程中-40~1800℃范围内的液体、蒸汽和气体介质、固体的表面温度。

热电偶实际上是能量转换器，将热能转换为电能，用产生的热电势测量温度。 关于热电偶的热电势，请注意以下几个问题

(1)热电偶的热电势是热电偶两端温度函数的差，不是热电偶两端温度差的函数

(2)热电偶产生的热电势的大小，在热电偶的材料均匀的情况下，与热电偶的长度和直径无关，只与热电偶材料的成分和两端的温度差有关

(3)确定了热电偶的两个热电偶芯线的材料成分之后，关于热电偶的热电势的大小，只要仅与热电偶的温度差有关的热电偶的冷端的温度保持一定，该热电偶的热电势只不过是工作端温度的一值函数。

热电偶的基本结构:

工业测温用的热电偶，作为基本构造有热电偶线材、绝缘管、保护管、端子箱等。

一、常用热电偶材料及其性能

1、铂铑10-铂热电偶(索引编号为s，也称为铂铑热电偶)。

该热电偶的正极成分为含有10%铑的铂铑合金，负极为纯铂，其特征如下

(1)热电性能稳定、耐氧化性强、优选在氧化性气氛中连续使用，长期使用温度达到1300℃，超过1400℃时，在空气中即使是纯白金线也会再结晶，晶粒变粗大而断裂

(2)精度高，它在所有热电偶中精度等级zui高，通常用作标准，或测量高温度

(3)使用范围广，均匀性和互换性好；

(4)主要缺点是微分热电势小，灵敏度低，价格高，机械强度低，不适合在有还原性气氛或金属蒸汽的条件下使用。

2、铂铑13-铂热电偶(索引编号也称为r、铂铑热电偶)

该热电偶正极含铂铑合金13%，负极为纯铂，与s型相比电位率大约15%，其他性能基本相同，这种热电偶在日本产业界作为高温热电偶zui较多，在中国较少

3、铂铑30-铂铑6热电偶(也称为索引号b、铂铑热电偶)。

该热电偶的正极是含有30%铑的铂铑合金，负极是含有6%铑的铂铑合金，在室温下热电势小，因此测定时不需要补偿引线，能够忽略冷温度变化的影响的长期使用温度为1600℃，短期为1800℃，热电势小，因此灵敏度高

b型热电偶适合在氧化性或中性气氛中使用，即使在可以在真空气氛中短期使用还原气氛下，其寿命为r或s型的10~20倍，其电极由铂铑合金构成，因此存在铂铑-铂热电偶的负极上的所有缺点，高温时大的结晶化倾向少， 且具有较大的机械强度，同时由于对杂质的吸收和铑的迁移的影响较小，长期使用后，热电势的变化不严重，缺陷价格高(相对于铂铑)。

4、镍铬合金热电偶(分度代号k )

这个热电偶的正极是含有10%铬的镍铬合金，负极是含有3%硅的镍硅合金(在一些国家，负极是纯镍)。 可测定0~1300℃的介质温度，适用于氧化性及惰性气体中的连续使用，短期使用温度为1200℃，长期使用温度为1000℃，热电势与温度的关系基本为线性，廉价，是目前使用量zui较大的热电偶。

k型热电偶是耐氧化性强的贱金属热电偶，在真空、含硫、含碳气氛和氧化还原交替的气氛下裸线使用不理想的氧分压低时，镍铬电极中的铬优先氧化，热电势变化很大，但金属气体的影响小，因此多采用金属制保护管。

k型热电偶的缺点:

(1)热电势的高温稳定性比n型热电偶和贵金属热电偶差，在高温度(例如超过1000℃)下多被氧化破坏

(在250~500℃范围内短期的热循环的稳定性差，即在同一温度点，在升温降温过程中，其热电势的显示值不同，其差能够达到2~3℃

(3)该负极在150~200℃的范围内发生磁性变化，在室温230℃的范围内，从分度表的分度值偏离的情况较多，特别是在磁场中使用的情况下，大多发生与时间无关的热电势干扰

(4)在长期高吞吐量系统照射环境下，负极中锰( Mn )、钴( Co )等元素发生脱变，稳定性不佳，热电势发生较大变化。

5、镍铬-镍硅热电偶(索引编号为n )

该热电偶的主要特征是在1300℃以下温度调节的抗氧化能力强，长期稳定性和短期热循环再现性好，耐放射线性和耐低温性能好，另外，在400~1300℃的范围内，n型热电偶的热电特性的线性比k型人偶好，但在低温区域(-200~400℃)非线性误差大，同时

6、铜-铜镍热电偶(分度代号t )

t型热电偶是该热电偶正极为纯铜，负极为铜镍合金(也称为康铜)，其主要特征在于，在贱金属热电偶中，其精度高，热电极的均匀性良好，其使用温度为-200~350℃，铜热电偶容易氧化，氧化膜容易剥离，因此在氧化性气氛下使用时 一般不得超过300℃，在-200~300℃范围内灵敏度高，铜-康铜热电偶具有价格便宜、常用定型产品中zui便宜的特点。

7、铁-康铜热电偶(分度代号为j )

j型热电偶，该热电偶的正极为纯铁，负极为康铜(铜镍合金)，其特征在于廉价，适于真空氧化的还原和惰性气氛，温度范围为-200~800℃，常用温度为500℃以下，超过该温度时，铁热电极的氧化速度变快，采用粗线径的线材时，还可以在高温下使用， 该长寿命热电偶能耐受氢气( H2)和一氧化碳( CO )气体的腐蚀，但在含有高温(例如500℃)的硫磺( s )的气氛中不能使用。

8、镍铬铜镍(康铜)热电偶(分度代号e )

e型热电偶是一种新产品，其正极为镍铬合金，负极为铜镍合金(康铜)，zui特征为常用热电偶，热电势zui大，即灵敏度zui高，其应用范围不及k型偶数

除以上8种常用热电偶外，非标准化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，热电极间需要用绝缘管保护。 热电偶的绝缘材料很多，基本上分为有机和无机绝缘两种，高温端的绝缘物必须采用无机物。 通常，选择粘土质绝缘管在1000以下、氧化铝管在1300以下、刚玉管在1600以下。

三、保护管

保护管的作用是，由于热电偶的电极不直接与被检测介质接触，不仅能延长热电偶的寿命，还能起到提高热电偶强度的作用，因此，热电偶的保护管和绝缘选择是否适当直接影响热电偶的寿命和测定的准确性，作为保护管采用的材料主要分为金属和非金属两类。