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熱電偶結(jié)構(gòu)及工作原理：

熱電偶是溫度測(cè)量?jī)x表中常用的測(cè)溫元件，它直接測(cè)量溫度，并把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，通過(guò)電氣儀表（二次儀表）轉(zhuǎn)換成被測(cè)介質(zhì)的溫度。各種熱電偶的外形常因需要而極不相同，但是它們的基本結(jié)構(gòu)卻大致相同，通常由熱電極、絕緣套保護(hù)管和接線盒等主要部分組成，通常和顯示儀表、記錄儀表及電子調(diào)節(jié)器配套使用。

簡(jiǎn)介：

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，溫度是需要測(cè)量和控制的重要參數(shù)之一。在溫度測(cè)量中，熱電偶的應(yīng)用極為廣泛，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、測(cè)量范圍廣、精度高、慣性小和輸出信號(hào)便于遠(yuǎn)傳等許多優(yōu)點(diǎn)。另外，由于熱電偶是一種有源傳感器，測(cè)量時(shí)不需外加電源，使用十分方便，所以常被用作測(cè)量爐子、管道內(nèi)的氣體或液體的溫度及固體的表面溫度。

 工作原理：

當(dāng)有兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B組成一個(gè)回路，其兩端相互連接時(shí)，只要兩結(jié)點(diǎn)處的溫度不同，一端溫度為T，稱為工作端或熱端，另一端溫度為T0 ，稱為自由端（也稱參考端）或冷端，回路中將產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)的方向和大小與導(dǎo)體的材料及兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)。這種現(xiàn)象稱為“熱電效應(yīng)”，兩種導(dǎo)體組成的回路稱為“熱電偶”，這兩種導(dǎo)體稱為“熱電極”，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)則稱為“熱電動(dòng)勢(shì)”。

熱電動(dòng)勢(shì)由兩部分電動(dòng)勢(shì)組成，一部分是兩種導(dǎo)體的接觸電動(dòng)勢(shì)，另一部分是單一導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)。

熱電偶回路中熱電動(dòng)勢(shì)的大小，只與組成熱電偶的導(dǎo)體材料和兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)，而與熱電偶的形狀尺寸無(wú)關(guān)。當(dāng)熱電偶兩電極材料固定后，熱電動(dòng)勢(shì)便是兩接點(diǎn)溫度t和t0。的函數(shù)差 。

這一關(guān)系式在實(shí)際測(cè)溫中得到了廣泛應(yīng)用。因?yàn)槔涠藅0恒定，熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)只隨熱端(測(cè)量端)溫度的變化而變化，即一定的熱電動(dòng)勢(shì)對(duì)應(yīng)著一定的溫度。我們只要用測(cè)量熱電動(dòng)勢(shì)的方法就可達(dá)到測(cè)溫的目的 。

熱電偶測(cè)溫的基本原理是兩種不同成份的材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路， 當(dāng)兩端存在溫度梯度時(shí)，回路中就會(huì)有電流通過(guò)，此時(shí)兩端之間就存在電動(dòng)勢(shì)——熱電動(dòng)勢(shì)，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)(Seebeck effect）。兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體為熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為自由端，自由端通常處于某個(gè)恒定的溫度下。根據(jù)熱電動(dòng)勢(shì)與溫度的函數(shù)關(guān)系，制成熱電偶分度表；分度表是自由端溫度在0℃時(shí)的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。 

在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時(shí)，只要該材料兩個(gè)接點(diǎn)的溫度相同，熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此，在熱電偶測(cè)溫時(shí)，可接入測(cè)量?jī)x表，測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)后，即可知道被測(cè)介質(zhì)的溫度。熱電偶測(cè)量溫度時(shí)要求其冷端（測(cè)量端為熱端，通過(guò)引線與測(cè)量電路連接的端稱為冷端）的溫度保持不變，其熱電勢(shì)大小才與測(cè)量溫度呈一定的比例關(guān)系。若測(cè)量時(shí)，冷端的（環(huán)境）溫度變化，將嚴(yán)重影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。在冷端采取一定措施補(bǔ)償由于冷端溫度變化造成的影響稱為熱電偶的冷端補(bǔ)償正常。與測(cè)量?jī)x表連接用補(bǔ)償導(dǎo)線。

熱電偶冷端補(bǔ)償計(jì)算方法：

從毫伏到溫度：測(cè)量冷端溫度，換算為對(duì)應(yīng)毫伏值，與熱電偶的毫伏值相加，換算出溫度；

從溫度到毫伏：測(cè)量出實(shí)際溫度與冷端溫度，分別換算為毫伏值，相減後得出毫伏值，即得溫度。

測(cè)溫條件：

是一種感溫元件，是一種一次儀表，熱電偶直接丈量溫度。由2種不同成分材質(zhì)的導(dǎo)體組成的閉合回路，由于材質(zhì)不同，不同的電子密度產(chǎn)生電子擴(kuò)散，穩(wěn)定均衡后就產(chǎn)生 了電勢(shì)。當(dāng)兩端存在梯度溫度時(shí)，回路中就會(huì)有電流產(chǎn)生，產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)，溫度差越大，電流就會(huì)越大。測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)之后即可曉得溫度值。熱電偶實(shí)際上是一種能量轉(zhuǎn)換器，可將熱能轉(zhuǎn)換成電能。

熱電偶的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：熱電偶測(cè)溫范圍寬，性能比擬穩(wěn)定；丈量精度高，熱電偶與被測(cè)對(duì)象直接接觸，不受中間介質(zhì)的影響；熱響應(yīng)時(shí)間快，熱電偶對(duì)溫度變化反響靈活；丈量范圍 大，熱電偶從-40~+ 1600℃ 均可連續(xù)測(cè)溫；熱電偶性能牢靠， 機(jī)械強(qiáng)度好。運(yùn)用壽命長(zhǎng)，裝置便當(dāng)。

電偶必需是由兩種性質(zhì)不同但契合一定要求的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）材料構(gòu)成回路。熱電偶丈量端和參考端之間必需有溫差。

將兩種不同資料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B焊接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)閉合回路。當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個(gè)執(zhí)著點(diǎn)1和2之間存在溫差時(shí)，兩者之間便產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),因此在回路中構(gòu)成一個(gè)大小的電流,這 種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電偶就是應(yīng)用這一效應(yīng)來(lái)工作的。

主要特點(diǎn)：

1、安裝簡(jiǎn)單，更換方便；

2、壓簧式感溫元件，抗震性能好；

3、測(cè)量精度高；

4、測(cè)量范圍大（－200℃～1300℃，特殊情況下－270℃～2800℃）；

5、熱響應(yīng)時(shí)間快；

6、機(jī)械強(qiáng)度高，耐壓性能好；

7、耐高溫可達(dá)2800度；

8、使用壽命長(zhǎng)。

結(jié)構(gòu)要求：

熱電偶的結(jié)構(gòu)形式為了保證熱電偶可靠、 

穩(wěn)定地工作，對(duì)它的結(jié)構(gòu)要求如下：

1、組成熱電偶的兩個(gè)熱電極的焊接必須牢固；

2、兩個(gè)熱電極彼此之間應(yīng)很好地絕緣，以防短路；

3、補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶自由端的連接要方便可靠；

4、保護(hù)套管應(yīng)能保證熱電極與有害介質(zhì)充分隔離。

工作原理：

兩種不同成份的導(dǎo)體（稱為熱電偶絲材或熱電極）兩端接合成回路， 

當(dāng)兩個(gè)接合點(diǎn)的溫度不同時(shí)，在回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，而這種電動(dòng)勢(shì)稱為熱電勢(shì)。熱電偶就是利用這種原理進(jìn)行溫度測(cè)量的，其中，直接用作測(cè)量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端（也稱為測(cè)量端），另一端叫做冷端（也稱為補(bǔ)償端）；冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會(huì)指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)。

熱電偶實(shí)際上是一種能量轉(zhuǎn)換器，它將熱能轉(zhuǎn)換為電能，用所產(chǎn)生的熱電勢(shì)測(cè)量溫度，對(duì)于熱電偶的熱電勢(shì)，應(yīng)注意如下幾個(gè)問(wèn)題：

1、熱電偶的熱電勢(shì)是熱電偶工作端的兩端溫度函數(shù)的差，而不是熱電偶冷端與工作端，兩端溫度差的函數(shù)；

2、熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)的大小，當(dāng)熱電偶的材料是均勻時(shí)，與熱電偶的長(zhǎng)度和直徑無(wú)關(guān)，只與熱電偶材料的成份和兩端的溫差有關(guān)；

3、當(dāng)熱電偶的兩個(gè)熱電偶絲材料成份確定后，熱電偶熱電勢(shì)的大小，只與熱電偶的溫度差有關(guān)；若熱電偶冷端的溫度保持一定，這進(jìn)熱電偶的熱電勢(shì)僅是工作端溫度的單值函數(shù)。將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B焊接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)閉合回路，如圖所示。當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個(gè)執(zhí)著點(diǎn)1和2之間存在溫差時(shí)，兩者之間便產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，因而在回路中形成一個(gè)大小的電流。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來(lái)工作的。

常見(jiàn)種類：

常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。所謂標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級(jí)上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒(méi)有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場(chǎng)合的測(cè)量。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶中國(guó)從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為中國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。

從理論上講，任何兩種不同導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）都可以配制成熱電偶，但是作為實(shí)用的測(cè)溫元件，對(duì)它的要求是多方面的。為了保證工程技術(shù)中的可靠性，以及足夠的測(cè)量精度，并不是所有材料都能組成熱電偶，一般對(duì)熱電偶的電極材料，基本要求是：

1、在測(cè)溫范圍內(nèi)，熱電性質(zhì)穩(wěn)定，不隨時(shí)間而變化，有足夠的物理化學(xué)穩(wěn)定性，不易氧化或腐蝕；

2、電阻溫度系數(shù)小，導(dǎo)電率高，比熱小；

3、測(cè)溫中產(chǎn)生熱電勢(shì)要大，并且熱電勢(shì)與溫度之間呈線性或接近線性的單值函數(shù)關(guān)系；

4、材料復(fù)制性好，機(jī)械強(qiáng)度高，制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。

 安裝：

在生產(chǎn)中由于被測(cè)對(duì)象不同，環(huán)境條件不同，測(cè)量要求不同，和熱電阻的安裝方法及采取的措施也不同，需要考慮的問(wèn)題比較多，但原則上可以從測(cè)溫的準(zhǔn)確性、安全性、維修方便三個(gè)方面來(lái)考慮。

為避免測(cè)溫元件損壞，應(yīng)保證其有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，為保護(hù)感溫元件不受磨損應(yīng)加保護(hù)屏或保護(hù)管等，為確保安全、可靠，測(cè)溫元件的安裝方法應(yīng)視具體情況（如待測(cè)介質(zhì)的溫度、壓力、測(cè)溫元件的長(zhǎng)度及其安裝位置、形式等）而定。下面僅舉幾例以引起注意：

凡安裝承受壓力的測(cè)溫元件，都必須保證其密封性。高溫下工作的熱電偶，為防止保護(hù)管在高溫下產(chǎn)生變形，一般應(yīng)垂直安裝，若必須水平安裝則不宜過(guò)長(zhǎng)，并用支架保護(hù)熱電偶。若測(cè)溫元件安裝于介質(zhì)流速較大的管道中，則其應(yīng)傾斜安裝。為防止測(cè)溫元件受到過(guò)大的沖蝕，安裝在管道的彎曲處。當(dāng)介質(zhì)壓力超過(guò)10MPa時(shí)，必須在測(cè)量元件上加保護(hù)外套。熱電偶/熱電阻的安裝部位還應(yīng)考慮其拆裝、維修、校驗(yàn)的足夠空間和場(chǎng)地，具有較長(zhǎng)保護(hù)管的熱電偶、熱電阻應(yīng)能方便地拆裝。

測(cè)量方法：

熱電偶的熱響應(yīng)時(shí)間比較復(fù)雜，不同的試驗(yàn)條件會(huì)有不同的測(cè)量結(jié)果，這是因?yàn)樗軣犭娕寂c周圍介質(zhì)的換熱率影響，換熱率高，則熱響應(yīng)時(shí)間就短。為了使熱電偶產(chǎn)品的熱響應(yīng) 時(shí)間具有可比性，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：熱響應(yīng)時(shí)間應(yīng)在水流試驗(yàn)裝置上進(jìn)行。該裝置的水流速度應(yīng)保持0.4±0.05m/s，初始溫度在5-45℃的范圍內(nèi)，溫度階躍值為40-50℃。在試驗(yàn) 過(guò)程中，水的溫度變化應(yīng)不大于溫度階躍值的±1%。被試熱電偶的置入深度為150mm或設(shè)計(jì)的置入深度（選其中較小值并在試驗(yàn)報(bào)告中注明）。
　　由于該裝置比較復(fù)雜，目前只有極少數(shù)單位有這套設(shè)備，故國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定允許生產(chǎn)廠與用戶協(xié)商，可采用其他試驗(yàn)方法，但所給數(shù)據(jù)必須注明試驗(yàn)條件。
　　由于B型熱電偶在室溫附近熱電勢(shì)很小，熱響應(yīng)時(shí)間不容易測(cè)出，因此國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定可采用同規(guī)格的S型熱電偶的熱電極組件替換其自身的熱電極組件，然后進(jìn)行試驗(yàn)。
　　試驗(yàn)時(shí)應(yīng)記錄 熱電偶 的輸出變化至相當(dāng)于溫度階躍變化50%的時(shí)間T0.5，必要時(shí)可記錄變化10%的熱響應(yīng)時(shí)間T0.1和變化90%的熱響應(yīng)時(shí)間T0.9。所記錄的熱響應(yīng)時(shí)間，應(yīng)是同一 試驗(yàn)至少三次測(cè)試結(jié)果的平均值，每次測(cè)量結(jié)果對(duì)于平均值的偏離應(yīng)在±10%以內(nèi)。此外，形成溫度階躍變化所需的時(shí)間不應(yīng)超過(guò)被測(cè)試 熱電偶 的T0.5的十分之一。記錄儀器或儀 表的響應(yīng)時(shí)間不應(yīng)超過(guò)被試熱電偶的T0.5的十分之一。