热电偶基本知识

热电偶基本知识

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。

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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：Et-热电偶的热电势；eAB(t)-温度为t时工作端的热电势；eAB(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Et=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

等级及允许偏差 分序度热电偶名称 号 号 热电偶Ⅰ 丝直径（mm） 温度范围℃ 0~1100 1 S 铂铑10-铂 0.5-0.020 Ⅱ 允许偏差 ±1℃ 温度范围℃ 0~600 允许偏差 ±1.5℃ Ⅲ 温度范围℃ 0~1600 允许偏差 ±0.5%t ±3℃ ±0.5%t ±[1+≤600 1100~1600 （t-1100）600~1600 ±0.25%t >600 ×0.003]℃ -- ±1.6℃ ±0.4%t 600~1700 ±0.25%t ≤400 >400 ±3℃ ±0.75%t -200~0 2 B 铂铑30-铂铑6 0.5-0.015 -- 600~800 ±4℃ 900~1700 ±0.5%t 3 K 镍铬-镍硅 0.3，0.5，≤400 0.8，1.0，1.2，1.6，2.0，2.5，>400 3.2 0.3，0.5，0.8，1.2，-40~750 1.6，2.0，3.2 0~1100 ±1.5%t 4 J 铁康铜 ±1.5℃或(±0.4%t) ±1℃ -40~750 ±2.5℃或-- (±0.75%t) ±1.5℃ -- 0~600 5 R 铂铑13-铂 0.5-0.020 ±[1+-- （t-1100）1100~1600 600~1600 ±0.25%t ×0.003℃ ±1.5℃或(±0.4%t) -- 6 E 镍铬-康铜 0.3，0.5，0.8，1.2，-40~800 1.6，2.0，3.2 0.2，0.3，0.5，1.0，-40~350 1.6 ±2.5℃±2.5℃或-40~900 -200~+40 或(±0.75%t) (±1.5%t) ±1.0或(±0.75) ±1或±1.5%t 7 T 铜-康铜 ±05℃或(±0.4%t) -40~350 -200~+40 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

材料 正极 测温范负极 围℃ 0~1600 名称 允许误差℃ 特点 用途 铂铑-3 铂 测量钴合热电势较铂铑10大,其它一样 金熔液温度<1501℃ 铂铑13 铂铑1 0~1700 铂铑20 铂铑5 0~1700 铱铑40 高温热电偶 铂铑20 0~1850 在高温下抗沾污性能和机械性≤600为±10 能好 在高温下抗氧化性能,机械性各种高温>600为能好,化学稳定性好,50℃以下测量 ±0.5%t 热电势小,参比端可以不用温度补偿 ≤1000为±10 航空和空热电势与温度线性好,适用于间技术及氧化,真空,惰性气体,热电势小,其他高温价贵,寿命短 测量 钢水温度上限温度高,热电势比上述材测量及其料大,线性较好,适用于真空,还他高温测原性和惰性气氛 量 用于超导,宇航,受控热核反应等低温工程以及科研部门 铱铑40 铱 铱铑60 铱 钨铼25 钨铼20 300~2800 300~2200 >1000为±1.0%t ≤1000为±10 >1000为±1.0%t 钨铼3 钨铼5 镍铬 低温热电偶 铜 金铁-270~0 0.07% 金铁-270~-196 0.07% 石墨 测温上限2400 ±1.0 在极低温下,灵敏度较高,稳定性好,热电极材料易复制,是较理想的低温热电偶 碳 非金属热电测温上限硼化锆 碳化锆 偶 2000 二硅化二硅化测温上限钨 钼 1700 注：t为被测温度的绝对值

用于耐火热电势大,熔点高,价格低廉,但材料的高复现性和机械性能差 温测量 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 1 测量端形式 露头型 示意图 特点 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 时间常数较序号2大；适用 于较恶劣的气氛，寿命长 3 绝缘型 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 手柄式圆柱表面热电偶 手柄式平面表面热电偶 直柄式圆柱表面热电偶 直柄式平面表面热电偶 直柄式弓形表面热电偶 测温范围℃ 0~250 0~250 0~250 0~250 0~250 型号 WRKM-101 用途 各种φ130mm以上圆柱体、滚筒形表面测温 各种φ130mm以上圆柱体、滚筒形表面测温 WRKM-102 各种固体介质平面测温 WRKM-201 WRKM-202 各种固体介质平面表面测温 WRKM-203 圆柱凸型表面测温 WRKM-204 蒸气、液体测温 WRKM-205 各种机械设备、各种狭缝处测温 WRKM-206 轮胎胶料内部测温 直柄式指针形表面热电偶 0~500 直柄式薄片型表面热电偶 0~250 直柄式注射形表面热电偶 0~250