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為工業(yè)測(cè)溫中廣泛使用的溫度傳感器之一—熱電偶，與鉑熱電阻一起，約占整個(gè)溫度傳感器總量的60%，熱電偶通常和顯示儀表等配套使用，直接測(cè)量各種生產(chǎn)過(guò)程中-40～1800℃范圍內(nèi)的液體、蒸氣和氣體介質(zhì)以及固體的表面溫度。

關(guān)鍵詞：熱電偶 原理 構(gòu)成 選型 安裝

正文

1、 熱電偶工作原理： 

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)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)是熱電偶兩端溫度函數(shù)的差，而不是熱電偶兩端溫度差的函數(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)。

2、 熱電偶的構(gòu)成

工業(yè)測(cè)溫用的熱電偶，其基本構(gòu)造包括熱電偶絲材、絕緣管、保護(hù)管和接線盒等。

1. 常用熱電偶絲材及其性能

根據(jù)熱電偶選用的絲材可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。所調(diào)用標(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 ,我國(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、R、B、K、N、T、J、 E、（即分度號(hào)）八種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。 

a) 鉑銠10－鉑熱電偶（分度號(hào)為Ｓ，也稱為單鉑銠熱電偶）

該熱電偶的正極成份為含銠10%的鉑銠合金，負(fù)極為純鉑；它的特點(diǎn)是：

（１）熱電性能穩(wěn)定、抗氧化性強(qiáng)、宜在氧化性氣氛中連續(xù)使用、長(zhǎng)期使用溫度可達(dá)1300℃，超達(dá)1400℃時(shí)，即使在空氣中、純鉑絲也將會(huì)再結(jié)晶，使晶粒粗大而斷裂；

（２）精度高，它是在所有熱電偶中，準(zhǔn)確度等級(jí)很高的，通常用作標(biāo)準(zhǔn)或測(cè)量較高的溫度；

（３）使用范圍較廣，均勻性及互換性好；

（４）主要缺點(diǎn)有：微分熱電勢(shì)較小，因而靈敏度較低；價(jià)格較貴，機(jī)械強(qiáng)度低，不適宜在還原性氣氛或有金屬蒸汽的條件下使用。

b) 鉑銠13－鉑熱電偶（分度號(hào)為Ｒ，也稱為單鉑銠熱電偶）

該熱電偶的正極為含13%的鉑銠合金，負(fù)極為純鉑，同S型相比，它的電勢(shì)率大15%左右，其它性能幾乎相同，該種熱電偶在日本產(chǎn)業(yè)界，作為高溫?zé)犭娕加玫枚?，而在中?guó)，則用得較少；

c) 鉑銠30－鉑銠6熱電偶（分度號(hào)為Ｂ，也稱為雙鉑銠熱電偶）

該熱電偶的正極是含銠30%的鉑銠合金，負(fù)極為含銠6%的鉑銠合金，在室溫下，其熱電勢(shì)很小，故在測(cè)量時(shí)一般不用補(bǔ)償導(dǎo)線，可忽略冷端溫度變化的影響；長(zhǎng)期使用溫度為1600℃，短期為1800℃，因熱電勢(shì)較小，故需配用靈敏度較高的顯示儀表。

Ｂ型熱電偶適宜在氧化性或中性氣氛中使用，也可以在真空氣氛中的短期使用；即使在還原氣氛下，其壽命也是Ｒ或Ｓ型的10～20倍；由于其電極均由鉑銠合金制成，故不存在鉑銠－鉑熱電偶負(fù)極上所有的缺點(diǎn)、在高溫時(shí)很少有大結(jié)晶化的趨勢(shì)，且具有較大的機(jī)械強(qiáng)度；同時(shí)由于它對(duì)于雜質(zhì)的吸收或銠的遷移的影響較少，因此經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用后其熱電勢(shì)變化并不嚴(yán)重、缺點(diǎn)價(jià)格昂貴（相對(duì)于單鉑銠而言）。

d) 鎳鉻－鎳硅（鎳鋁）熱電偶（分度號(hào)為Ｋ）

該熱電偶的正極為含鉻10%的鎳鉻合金，負(fù)極為含硅3%的鎳硅合金（有些國(guó)家的產(chǎn)品負(fù)極為純鎳）?？蓽y(cè)量0～1300℃的介質(zhì)溫度，適宜在氧化性及惰性氣體中連續(xù)使用，短期使用溫度為1200℃，長(zhǎng)期使用溫度為1000℃，其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系近似線性，價(jià)格便宜，是目前用量很大的熱電偶。

Ｋ型熱電偶是抗氧化性較強(qiáng)的便宜的金屬熱電偶，不適宜在真空、含硫、含碳?xì)夥占把趸€原交替的氣氛下裸絲使用；當(dāng)氧分壓較低時(shí)，鎳鉻極中的鉻將擇優(yōu)氧化，使熱電勢(shì)發(fā)生很大變化，但金屬氣體對(duì)其影響較小，因此，多采用金屬制保護(hù)管。

Ｋ型熱電偶的缺點(diǎn)：        

（1）熱電勢(shì)的高溫穩(wěn)定性較Ｎ型熱電偶及貴重金屬熱電偶差，在較高溫度下（例如超過(guò)1000℃）往往因氧化而損壞；

（2）在250～500℃范圍內(nèi)短期熱循環(huán)穩(wěn)定性不好，即在同一溫度點(diǎn)，在升溫降溫過(guò)程中，其熱電勢(shì)示值不一樣，其差值可達(dá)2～3℃；

（3）其負(fù)極在150～200℃范圍內(nèi)要發(fā)生磁性轉(zhuǎn)變，致使在室溫至230℃范圍內(nèi)分度值往往偏離分度表，尤其是在磁場(chǎng)中使用時(shí)往往出現(xiàn)與時(shí)間無(wú)關(guān)的熱電勢(shì)干擾；

（４）長(zhǎng)期處于高通量中系統(tǒng)輻照環(huán)境下，由于負(fù)極中的錳（Ｍn）、鈷（Ｃo）等元素發(fā)生蛻變，使其穩(wěn)定性欠佳，致使熱電勢(shì)發(fā)生較大變化。

e) 鎳鉻硅－鎳硅熱電偶（分度號(hào)為Ｎ）

該熱電偶的主要特點(diǎn)是：在1300℃以下調(diào)溫抗氧化能力強(qiáng)，長(zhǎng)期穩(wěn)定性及短期熱循環(huán)復(fù)現(xiàn)性好，耐核輻射及耐低溫性能好，另外，在400～1300℃范圍內(nèi)，Ｎ型熱電偶的熱電特性的線性比Ｋ型偶要好；但在低溫范圍內(nèi)（-200～400℃）的非線性誤差較大，同時(shí)，材料較硬難于加工。

f) 銅－銅鎳熱電偶（分度號(hào)為Ｔ）

T型熱電電偶,該熱電偶的正極為純銅，負(fù)極為銅鎳合金（也稱康銅），其主要特點(diǎn)是：在便宜的金屬熱電偶中，它的準(zhǔn)確度高、熱電極的均勻性好；它的使用溫度是-200～350℃，因銅熱電極易氧化，并且氧化膜易脫落，故在氧化性氣氛中使用時(shí)，一般不能超過(guò)300℃，在-200～300℃范圍內(nèi)，它們靈敏度比較高，銅－康銅熱電偶還有一個(gè)特點(diǎn)是價(jià)格便宜，是常用幾種定型產(chǎn)品中較便宜的一種。

g) 鐵－康銅熱電偶（分度號(hào)為Ｊ）

J型熱電偶,該熱電偶的正極為純鐵，負(fù)極為康銅（銅鎳合金），具特點(diǎn)是價(jià)格便宜,適用于真空氧化的還原或惰性氣氛中，溫度范圍從-200～800℃，但常用溫度只是500℃以下，因?yàn)槌^(guò)這個(gè)溫度后，鐵熱電極的氧化速率加快，如采用粗線徑的絲材，尚可在高溫中使用且有較長(zhǎng)的壽命；該熱電偶能耐氫氣（Ｈ2）及一氧化碳（ＣＯ）氣體腐蝕，但不能在高溫（例如500℃）含硫（Ｓ）的氣氛中使用。

h) 鎳鉻－銅鎳（康銅）熱電偶（分度號(hào)為Ｅ）

Ｅ型熱電偶是一種較新的產(chǎn)品，它的正極是鎳鉻合金，負(fù)極是銅鎳合金（康銅），其特點(diǎn)是在常用的熱電偶中，其熱電勢(shì)大，即靈敏度高；它的應(yīng)用范圍雖不及Ｋ型偶廣泛，但在要求靈敏度高、熱導(dǎo)率低、可容許大電阻的條件下，常常被選用；使用中的限制條件與Ｋ型相同，但對(duì)于含有較高濕度氣氛的腐蝕不很敏感。

除了以上8種常用的熱電偶外，作為非標(biāo)準(zhǔn)化的熱電偶還有鎢錸熱電偶，鉑銠系熱電偶，銥鍺系熱電偶，鉑鉬系熱電偶和非金屬材料熱電偶等。

下表所列的是常用熱電偶的材料規(guī)格和線徑使用溫度的關(guān)系：

2. 絕緣管

該熱電偶的工作端被牢固地焊接在一起，熱電極之間需要用絕緣管保護(hù)。熱電偶的絕緣材料很多，大體上可分為有機(jī)和無(wú)機(jī)絕緣兩類，處于高溫端的絕緣物必須采用無(wú)機(jī)物，通常在1000以下選用粘土質(zhì)絕緣管，在1300以下選用高鋁管，在1600以下選用剛玉管。

3. 保護(hù)管

保護(hù)管的作用在于使用熱電偶電極不直接與被測(cè)介質(zhì)接觸，它不僅可延長(zhǎng)熱電偶的壽命，還可起到支撐和固定熱電極增加其強(qiáng)度的作用；因此，熱電偶保護(hù)管及絕緣選擇是否合適，將直接影響到熱電偶的使用壽命和測(cè)量的準(zhǔn)確度，被采用做保護(hù)管的材料主要分金屬和非金屬兩大類。

綜合上述所講，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。

3、 熱電偶優(yōu)點(diǎn)

熱電偶是工業(yè)上較常用的溫度檢測(cè)元件之一。其優(yōu)點(diǎn)是：

1. 測(cè)量精度高。因熱電偶直接與被測(cè)對(duì)象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。 

2. 測(cè)量范圍廣。常用的熱電偶從-50~+1600℃均可邊續(xù)測(cè)量，某些特殊熱電偶低溫可測(cè)到-269℃（如金鐵鎳鉻），高溫可達(dá)+2800℃（如鎢-錸）。

3. 構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開(kāi)頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來(lái)非常方便。

4、 熱電偶如何正確選型

選擇熱電偶要根據(jù)使用溫度范圍、所需精度、使用氣氛、測(cè)定對(duì)象的性能、響應(yīng)時(shí)間和經(jīng)濟(jì)效益等綜合考慮。

1. 測(cè)量精度和溫度測(cè)量范圍的選擇 

使用溫度在1300~1800℃，要求精度又比較高時(shí)，一般選用B型熱電偶；要求精度不高，氣氛又允許可用鎢錸熱電偶，高于1800℃一般選用鎢錸熱電偶；使用溫度在1000~1300℃要求精度又比較高可用S型熱電偶和N型熱電偶；在1000℃以下一般用K型熱電偶和N型熱電偶，低于400℃一般用E型熱電偶；250℃下以及負(fù)溫測(cè)量一般用T型電偶，在低溫時(shí)T型熱電偶穩(wěn)定而且精度高。

2. 使用氣氛的選擇 

S型、B型、K型熱電偶適合于強(qiáng)的氧化和弱的還原氣氛中使用，J型和T型熱電偶適合于弱氧化和還原氣氛，若使用氣密性比較好的保護(hù)管，對(duì)氣氛的要求就不太嚴(yán)格。

3. 耐久性及熱響應(yīng)性的選擇 

線徑大的熱電偶耐久性好，但響應(yīng)較慢一些，對(duì)于熱容量大的熱電偶，響應(yīng)就慢，測(cè)量梯度大的溫度時(shí)，在溫度控制的情況下，控溫就差。要求響應(yīng)時(shí)間快又要求有一定的耐久性，選擇鎧裝偶比較合適。

4. 測(cè)量對(duì)象的性質(zhì)和狀態(tài)對(duì)熱電偶的選擇 
運(yùn)動(dòng)物體、振動(dòng)物體、高壓容器的測(cè)溫要求機(jī)械強(qiáng)度高，有化學(xué)污染的氣氛要求有保護(hù)管，有電氣干擾的情況下要求絕緣比較高。 

選型流程：型號(hào)－分度號(hào)—防爆等級(jí)—精度等級(jí)—安裝固定形式—保護(hù)管材質(zhì)—長(zhǎng)度或插入深度 。

5、 熱電阻的安裝

1. 熱電偶的安裝要求

對(duì)熱電偶的安裝，應(yīng)注意有利于測(cè)溫準(zhǔn)確，安全可靠及維修方便，而且不影響設(shè)備運(yùn)行和生產(chǎn)操作。要滿足以上要求，在選擇對(duì)熱電偶和熱電阻的安裝部位和插入深度時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：

A. 安裝位置。為了使熱電偶的測(cè)量端與被測(cè)介質(zhì)之間有充分的熱交換，應(yīng)合理選擇測(cè)點(diǎn)位置，盡量避免在閥門，彎頭及管道和設(shè)備的死角附近裝設(shè)熱電偶。

B. 插入深度。帶有保護(hù)套管的熱電偶有傳熱和散熱損失，為了減少測(cè)量誤差，熱電偶應(yīng)該有足夠的插入深度：

a) 對(duì)于測(cè)量管道中心流體溫度的熱電偶，一般都應(yīng)將其測(cè)量端插入到管道中心處（垂直安裝或傾斜安裝）。如被測(cè)流體的管道直徑是200毫米，那熱電偶插入深度應(yīng)選擇100毫米；

b) 對(duì)于高溫高壓和高速流體的溫度測(cè)量（如主蒸汽溫度），為了減少保護(hù)套對(duì)流體的阻力和防止保護(hù)套在流體作用下發(fā)生斷裂，可采取保護(hù)管淺插方式或采取熱套式熱電偶，淺插式的熱電偶保護(hù)套管，其插入主蒸汽管道的深度應(yīng)不小于75mm；熱套式熱電偶的標(biāo)準(zhǔn)插入深度為100mm；

c) 假如需要測(cè)量是煙道內(nèi)煙氣的溫度，盡管煙道直徑為4m，熱電偶插入深度1m即可。

d) 當(dāng)測(cè)量原件插入深度超過(guò)1m時(shí)，應(yīng)盡可能垂直安裝，或加裝支撐架和保護(hù)套管。

C. 熱輻射作用。在熱電偶附近如果存在與其具有一定溫差的很大物體時(shí)，熱電偶將接受輻射能。從而顯著改變了被測(cè)介質(zhì)的溫度，此時(shí)可采用輻射屏蔽罩來(lái)使其溫度接近氣體溫度，亦即使用屏蔽式熱電偶

D. 補(bǔ)償導(dǎo)線的作用。補(bǔ)償導(dǎo)線是指鏈接熱電偶接線盒與溫度指示儀表的一對(duì)帶有絕緣層的導(dǎo)線。正確地使用補(bǔ)償導(dǎo)線，不但可以講熱電偶的參考端延伸到院里熱源或環(huán)境溫度較恒定的地方，改善其測(cè)溫線路的機(jī)械物理性能，而且還能降低測(cè)量線路的成本，提高測(cè)溫準(zhǔn)確性，即起到補(bǔ)償溫度作用。補(bǔ)償導(dǎo)線的使用還應(yīng)注意，其兩連接點(diǎn)的溫度應(yīng)相同，且不得超過(guò)規(guī)定的使用溫度(普通型不大于100°C，耐熱型不大于200°C)，同時(shí)保證其與熱電偶連接時(shí)極性不得接反，否則將產(chǎn)生附加熱電動(dòng)勢(shì)，對(duì)回路縱熱電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生影響，從而增大測(cè)溫誤差。

2. 熱電偶的安裝方式

A. 首先應(yīng)測(cè)量好熱電偶螺牙的尺寸，車好螺牙座。

B. 要根據(jù)螺牙座的直徑，在需要測(cè)量的管道上開(kāi)孔。

C. 螺牙座的焊接。把螺牙座插入已開(kāi)好孔內(nèi)，把螺牙座與被測(cè)量的管道焊接好。

D. 把熱電偶旋進(jìn)已焊好的螺牙座。

E. 按照接線圖將熱電偶的接線盒接好線，并與表盤上相對(duì)應(yīng)得顯示儀表連接，注意接線盒不可與被測(cè)介質(zhì)管道的管壁相接觸，保證接線盒內(nèi)的溫度不超過(guò)0-100℃范圍。接線盒的出線孔應(yīng)朝下安裝，以防因密封不良，水汽灰塵等沉積造成接線端子短路。