热电偶的工作原理及结构 1

工业测温用的热电偶，其基本构造包括热电偶丝材、绝缘管、保护管和接线盒等。

常用热电偶丝材及其性能：

１、铂铑10－铂热电偶（分度号为Ｓ，也称为单铂铑热电偶该热电偶的正极成份为含铑10%的铂铑合金，负极为纯铂；它的特点是：

（１）热电性能稳定、抗氧化性强、宜在氧化性气氛中连续使用、长期使用温度可达1300℃，超达1400℃时，即使在空气中、纯铂丝也将会再结晶，使晶粒粗大而断裂；

（２）精度高，它是在所有热电偶中，准确度等级最高的，通常用作标准或测量较高的温度；

（３）使用范围较广，均匀性及互换性好；

（４）主要缺点有：微分热电势较小，因而灵敏度较低；价格较贵，机械强度低，不适宜在还原性气氛或有金属蒸汽的条件下使用。

２、铂铑13－铂热电偶（分度号为Ｒ，也称为单铂铑热电偶）
        该热电偶的正极为含13%的铂铑合金，负极为纯铂，同S型相比，它的电势率大15%左右，其它性能几乎相同，该种热电偶在日本产业界，作为高温热电偶用得最多，而在中国，则用得较少；

３、铂铑30－铂铑6热电偶（分度号为Ｂ，也称为双铂铑热电偶）

该热电偶的正极是含铑30%的铂铑合金，负极为含铑6%的铂铑合金，在室温下，其热电势很小，故在测量时一般不用补偿导线，可忽略冷端温度变化的影响；长期使用温度为1600℃，短期为1800℃，因热电势较小，故需配用灵敏度较高的显示仪表。

Ｂ型热电偶适宜在氧化性或中性气氛中使用，也可以在真空气氛中的短期使用；即使在还原气氛下，其寿命也是Ｒ或Ｓ型的10～20倍；由于其电极均由铂铑合金制成，故不存在铂铑－铂热电偶负极上所有的缺点、在高温时很少有大结晶化的趋势，且具有较大的机械强度；同时由于它对于杂质的吸收或铑的迁移的影响较少，因此经过长期使用后其热电势变化并不严重、缺点价格昂贵（相对于单铂铑而言）。

４、镍铬－镍硅（镍铝）热电偶（分度号为Ｋ）

该热电偶的正极为含铬10%的镍铬合金，负极为含硅3%的镍硅合金（有些国家的产品负极为纯镍）。可测量0～1300℃的介质温度，适宜在氧化性及惰性气体中连续使用，短期使用温度为1200℃，长期使用温度为1000℃，其热电势与温度的关系近似线性，价格便宜，是目前用量最大的热电偶。

Ｋ型热电偶是抗氧化性较强的贱金属热电偶，不适宜在真空、含硫、含碳气氛及氧化还原交替的气氛下裸丝使用；当氧分压较低时，镍铬极中的铬将择优氧化，使热电势发生很大变化，但金属气体对其影响较小，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较Ｎ型热电偶及贵重金属热电偶差，在较高温度下（例如超过1000℃）往往因氧化而损坏；

（2）在250～500℃范围内短期热循环稳定性不好，即在同一温度点，在升温降温过程中，其热电势示值不一样，其差值可达2～3℃；
   （3）其负极在150～200℃范围内要发生磁性转变，致使在室温至230℃范围内分度值往往偏离分度表，尤其是在磁场中使用时往往出现与时间无关的热电势干扰；
   （４）长期处于高通量中系统辐照环境下，由于负极中的锰（Ｍn）、钴（Ｃo）等元素发生蜕变，使其稳定性欠佳，致使热电势发生较大变化。

５、镍铬硅－镍硅热电偶（分度号为Ｎ）
    该热电偶的主要特点是：在1300℃以下调温抗氧化能力强，长期稳定性及短期热循环复现性好，耐核辐射及耐低温性能好，另外，在400～1300℃范围内，Ｎ型热电偶的热电特性的线性比Ｋ型偶要好；但在低温范围内（-200～400℃）的非线性误差较大，同时，材料较硬难于加工。

６、铜－铜镍热电偶（分度号为Ｔ）
    T型热电电偶,该热电偶的正极为纯铜，负极为铜镍合金（也称康铜），其主要特点是：在贱金属热电偶中，它的准确度最高、热电极的均匀性好；它的使用温度是-200～350℃，因铜热电极易氧化，并且氧化膜易脱落，故在氧化性气氛中使用时，一般不能超过300℃，在-200～300℃范围内，它们灵敏度比较高，铜－康铜热电偶还有一个特点是价格便宜，是常用几种定型产品中最便宜的一种。

７、铁－康铜热电偶（分度号为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），具特点是价格便宜,适用于真空氧化的还原或惰性气氛中，温度范围从-200～800℃，但常用温度只是500℃以下，因为超过这个温度后，铁热电极的氧化速率加快，如采用粗线径的丝材，尚可在高温中使用且有较长的寿命；该热电偶能耐氢气（Ｈ2）及一氧化碳（ＣＯ）气体腐蚀，但不能在高温（例如500℃）含硫（Ｓ）的气氛中使用。

８、镍铬－铜镍（康铜）热电偶（分度号为Ｅ）

Ｅ型热电偶是一种较新的产品，它的正极是镍铬合金，负极是铜镍合金（康铜），其最大特点是在常用的热电偶中，其热电势最大，即灵敏度最高；它的应用范围虽不及Ｋ型偶广泛，但在要求灵敏度高、热导率低、可容许大电阻的条件下，常常被选用；使用中的限制条件与Ｋ型相同，但对于含有较高湿度气氛的腐蚀不很敏感。

除了以上8种常用的热电偶外，作为非标准化的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。

下表所列的是常用热电偶的材料规格和线径使用温度的关系：

热电偶分度号    线径（mm）      长期       短期

Ｓ                 Φ0.5           1300      1600

Ｒ                 Φ0.5           1300      1600

Ｂ                 Φ0.5           1600      1800

Ｋ                Φ1.2            800      1000

热电偶冷端的温度补偿
    热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。必须指出，热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。

绝缘管                  

该热电偶的工作端被牢固地焊接在一起，热电极之间需要用绝缘管保护。热电偶的绝缘材料很多，大体上可分为有机和无机绝缘两类，处于高温端的绝缘物必须采用无机物，通常在1000以下选用粘土质绝缘管，在1300以下选用高铝管，在1600以下选用刚玉管。
 保护管

保护管的作用在于使用热电偶电极不直接与被测介质接触，它不仅可延长热电偶的寿命，还可起到支撑和固定热电极增加其强度的作用；因此，热电偶保护管及绝缘选择是否合适，将直接影响到热电偶的使用寿命和测量的准确度，被采用做保护管的材料主要分金属和非金属两大类。

小结：

热电偶是工业温度测量常用的传感器，它具有精度高、经济和温度宽的特点。热电偶测量其热端和冷端之间的温度差。为了得到热端感测点的绝对温度，必须测试冷端温度和相应地调节热电偶输出。现在，位于热电偶信号处理单元输入端的冷端同温通常靠具有高热导率的材料片保持。热导率381W/mK的铜是理想的材料。输入连接必须电隔离，热连路到片上。整个信号处理单元理想上应该处在这种同温环境中。
　　热电偶信号范围为μV/℃量级，热电偶的信号处理单元对电磁干扰(EMI)敏感，热电偶线往往遭受EMI。EMI增加了接收信号的不确定性和损害所采集温度数据的精度。另外，此连接所需的专门热电偶缆线是昂贵的，假若无意中用另外的缆线替代，则会变得分析困难。
　　由于EMI与线长度成正比，所以要使干扰最小的通常选择是把控制电路靠近感测点，增加一个靠近感测点的远程板或采用复杂的信号滤波和缆线屏蔽。一个比较妙的方案是在靠近感测点数字化热电偶输出。