熱電偶概述|熱電偶工作原理|熱電偶的基本構造|常用熱電偶絲材及其性能

作為工業測(ce)溫(wen)(wen)中*廣泛使(shi)用的溫(wen)(wen)度傳感器之一，與一起(qi)，約(yue)占整個(ge)溫度傳(chuan)感器總量的60%，熱電偶通(tong)常和顯(xian)示儀表等配套使用，直接測量各(ge)種生產過程中-40～1800℃范圍(wei)內的液體、蒸氣和氣體介質以(yi)及(ji)固體的表面溫度。

熱電偶工作原理：
兩種不同成份的(de)導體（稱(cheng)為(wei)熱(re)電(dian)(dian)偶絲(si)材或熱(re)電(dian)(dian)極）兩端(duan)(duan)接(jie)(jie)合成回路，當接(jie)(jie)合點的(de)溫度不同時(shi)，在(zai)回路中就會產(chan)生電(dian)(dian)動(dong)勢，這種現(xian)象稱(cheng)為(wei)熱(re)電(dian)(dian)效應，而這種電(dian)(dian)動(dong)勢稱(cheng)為(wei)熱(re)電(dian)(dian)勢。熱(re)電(dian)(dian)偶就是利用(yong)這種原理進行溫度測量的(de)，其中，直(zhi)接(jie)(jie)用(yong)作測量介質溫度的(de)一端(duan)(duan)叫(jiao)做(zuo)工(gong)作端(duan)(duan)（也(ye)稱(cheng)為(wei)測量端(duan)(duan)），另一端(duan)(duan)叫(jiao)做(zuo)冷端(duan)(duan)（也(ye)稱(cheng)為(wei)補償端(duan)(duan)）；冷端(duan)(duan)與顯示儀表或配套儀表連接(jie)(jie)，顯示儀表會指(zhi)出熱(re)電(dian)(dian)偶所產(chan)生的(de)熱(re)電(dian)(dian)勢。

熱(re)電(dian)偶實際上是一(yi)種能量轉(zhuan)(zhuan)換(huan)器，它將熱(re)能轉(zhuan)(zhuan)換(huan)為電(dian)能，用所產生(sheng)的熱(re)電(dian)勢測量溫度，對于熱(re)電(dian)偶的熱(re)電(dian)勢，應注意如下幾個問題(ti)：
(1)熱(re)電偶(ou)的(de)(de)熱(re)電勢是熱(re)電偶(ou)兩端溫(wen)度函(han)數(shu)的(de)(de)差(cha)，而不是熱(re)電偶(ou)兩端溫(wen)度差(cha)的(de)(de)函(han)數(shu)；
(2)熱(re)(re)電偶所(suo)產生的(de)(de)(de)熱(re)(re)電勢的(de)(de)(de)大小，當(dang)熱(re)(re)電偶的(de)(de)(de)材(cai)料是均勻時，與(yu)(yu)熱(re)(re)電偶的(de)(de)(de)長度和直徑(jing)無關，只與(yu)(yu)熱(re)(re)電偶材(cai)料的(de)(de)(de)成份和兩端(duan)的(de)(de)(de)溫差(cha)有(you)關；
(3)當熱(re)電(dian)偶(ou)(ou)的(de)(de)(de)兩個熱(re)電(dian)偶(ou)(ou)絲(si)材料成份確(que)定后，熱(re)電(dian)偶(ou)(ou)熱(re)電(dian)勢(shi)的(de)(de)(de)大小，只與熱(re)電(dian)偶(ou)(ou)的(de)(de)(de)溫(wen)度差有(you)關；若熱(re)電(dian)偶(ou)(ou)冷端的(de)(de)(de)溫(wen)度保持一(yi)定，這進熱(re)電(dian)偶(ou)(ou)的(de)(de)(de)熱(re)電(dian)勢(shi)僅是工作端溫(wen)度的(de)(de)(de)單值函數(shu)。

熱電偶的基本構(gou)造：

工業測溫用的熱電偶，其基(ji)本構造(zao)包括熱電偶絲材、絕(jue)緣管(guan)、保(bao)護管(guan)和接線盒等(deng)。

一(yi)、常用(yong)熱電偶絲材及其性能
1,鉑銠(lao)10－鉑熱電偶（分度號為S,也稱為單鉑銠(lao)熱電偶）
該熱電偶的正(zheng)極成份為含銠10%的鉑(bo)銠合(he)金(jin)，負(fu)極為純鉑(bo)；它(ta)的特點是(shi)：
(1)熱電性能穩定、抗氧(yang)化性強、宜在(zai)氧(yang)化性氣(qi)(qi)氛(fen)中連續使用、長期使用溫(wen)度(du)可達(da)1300℃，超達(da)1400℃時，即(ji)使在(zai)空氣(qi)(qi)中、純鉑絲(si)也將會再結晶(jing)，使晶(jing)粒(li)粗大(da)而斷裂；
(2)精(jing)度(du)高，它是在所(suo)有熱(re)電偶中，準確度(du)等(deng)級*高的(de)，通(tong)常用作標準或測量較高的(de)溫度(du)；
(3)使(shi)用(yong)范(fan)圍較廣，均勻(yun)性及互換(huan)性好；
(4)主要缺點有：微分熱電勢較小，因而靈敏度較低；價(jia)格較貴，機械(xie)強度低，不適宜在還原性氣氛或有金(jin)屬蒸汽的條件下使用。

2,鉑(bo)(bo)銠13－鉑(bo)(bo)熱(re)電偶(ou)(ou)（分(fen)度號為R，也稱為單鉑(bo)(bo)銠熱(re)電偶(ou)(ou)）
該熱(re)電偶的(de)正(zheng)極為含13%的(de)鉑(bo)銠合金(jin)，負極為純鉑(bo)，同(tong)S型相(xiang)比(bi)，它(ta)(ta)的(de)電勢率(lv)大15%左右，其(qi)它(ta)(ta)性能幾乎相(xiang)同(tong)，該種熱(re)電偶在日本產業(ye)界(jie)，作為高溫(wen)熱(re)電偶用得(de)*多，而在中國，則用得(de)較(jiao)少；
 

3,鉑(bo)銠30－鉑(bo)銠6熱電(dian)偶（分度號為(wei)B，也稱為(wei)雙鉑(bo)銠熱電(dian)偶）
該(gai)熱(re)(re)(re)電偶(ou)的(de)(de)正極是含銠(lao)30%的(de)(de)鉑銠(lao)合(he)金(jin)(jin)，負極為含銠(lao)6%的(de)(de)鉑銠(lao)合(he)金(jin)(jin)，在(zai)(zai)室溫下，其熱(re)(re)(re)電勢(shi)很(hen)小(xiao)，故(gu)在(zai)(zai)測量時(shi)(shi)一般不(bu)用(yong)補償導線，可忽略冷端溫度(du)變化(hua)的(de)(de)影(ying)響(xiang)；長期使(shi)用(yong)溫度(du)為1600℃，短期為1800℃，因(yin)熱(re)(re)(re)電勢(shi)較(jiao)小(xiao)，故(gu)需配用(yong)靈(ling)敏度(du)較(jiao)高(gao)的(de)(de)顯示(shi)儀表。 B型熱(re)(re)(re)電偶(ou)適(shi)宜在(zai)(zai)氧化(hua)性或中性氣(qi)氛中使(shi)用(yong)，也(ye)可以在(zai)(zai)真空氣(qi)氛中的(de)(de)短期使(shi)用(yong)；即使(shi)在(zai)(zai)還原氣(qi)氛下，其壽命也(ye)是R或Ｓ型的(de)(de)10～20倍(bei)；由(you)于(yu)其電極均由(you)鉑銠(lao)合(he)金(jin)(jin)制(zhi)成，故(gu)不(bu)存(cun)在(zai)(zai)鉑銠(lao)－鉑熱(re)(re)(re)電偶(ou)負極上所有(you)(you)的(de)(de)缺點、在(zai)(zai)高(gao)溫時(shi)(shi)很(hen)少(shao)有(you)(you)大結晶化(hua)的(de)(de)趨勢(shi)，且具有(you)(you)較(jiao)大的(de)(de)機械強度(du)；同(tong)時(shi)(shi)由(you)于(yu)它(ta)對于(yu)雜(za)質的(de)(de)吸收或銠(lao)的(de)(de)遷移的(de)(de)影(ying)響(xiang)較(jiao)少(shao)，因(yin)此經(jing)過長期使(shi)用(yong)后其熱(re)(re)(re)電勢(shi)變化(hua)并(bing)不(bu)嚴重、缺點價(jia)格昂貴（相對于(yu)單(dan)鉑銠(lao)而言）。
 

4,鎳鉻－鎳硅（鎳鋁）熱電偶（分度號為(wei)K）
該熱(re)電(dian)偶的(de)(de)(de)正極(ji)為(wei)(wei)(wei)(wei)含鉻(ge)10%的(de)(de)(de)鎳(nie)(nie)鉻(ge)合金，負極(ji)為(wei)(wei)(wei)(wei)含硅(gui)3%的(de)(de)(de)鎳(nie)(nie)硅(gui)合金（有(you)些國家的(de)(de)(de)產品負極(ji)為(wei)(wei)(wei)(wei)純鎳(nie)(nie)）。可測量0～1300℃的(de)(de)(de)介質(zhi)溫(wen)度，適宜在(zai)氧化性及惰性氣體中(zhong)連續使用(yong)(yong)，短期使用(yong)(yong)溫(wen)度為(wei)(wei)(wei)(wei)1200℃，長期使用(yong)(yong)溫(wen)度為(wei)(wei)(wei)(wei)1000℃，其熱(re)電(dian)勢(shi)與溫(wen)度的(de)(de)(de)關系近似(si)線性，價格便宜，是目前用(yong)(yong)量*大的(de)(de)(de)熱(re)電(dian)偶。
K型熱電(dian)偶(ou)是抗氧化性較強的(de)(de)賤金屬熱電(dian)偶(ou)，不適宜(yi)在真空、含硫、含碳氣氛及氧化還原交替的(de)(de)氣氛下裸(luo)絲使用；當氧分壓較低(di)時，鎳鉻極中的(de)(de)鉻將(jiang)擇(ze)優(you)氧化，使熱電(dian)勢發生(sheng)很大變化，但(dan)金屬氣體對(dui)其影響(xiang)較小，因此，多采用金屬制保護(hu)管。
的缺點(dian)：
（1）熱(re)電(dian)勢的(de)高溫(wen)穩(wen)定性較N型熱(re)電(dian)偶(ou)及貴重金屬(shu)熱(re)電(dian)偶(ou)差，在較高溫(wen)度(du)下(xia)（例如超(chao)過1000℃）往往因氧化(hua)而損壞；
（2）在250～500℃范圍內短(duan)期熱(re)循(xun)環穩定性(xing)不好，即在同一溫度點，在升溫降(jiang)溫過程中，其熱(re)電勢示值(zhi)不一樣，其差值(zhi)可達2～3℃；
（3）其(qi)負極在(zai)150～200℃范(fan)圍內(nei)要(yao)發生磁(ci)性轉變，致使在(zai)室溫(wen)至230℃范(fan)圍內(nei)分度(du)值往(wang)往(wang)偏離分度(du)表(biao)，尤其(qi)是(shi)在(zai)磁(ci)場中使用時往(wang)往(wang)出現與時間(jian)無(wu)關的(de)熱電勢干擾(rao)；
(4)長期處(chu)于高通量中系統(tong)輻照環境下(xia)，由于負極中的錳（Ｍn）、鈷（Ｃo）等元素發生蛻變，使(shi)其穩定性欠(qian)佳，致使(shi)熱電勢發生較大變化。
 

5,鎳鉻硅(gui)－鎳硅(gui)熱(re)電偶（分度號為N）
的(de)主要特(te)點是：在(zai)1300℃以下調溫抗氧(yang)化能力強，長(chang)期(qi)穩定(ding)性(xing)(xing)及短期(qi)熱(re)循(xun)環復現性(xing)(xing)好(hao)，耐核(he)輻射及耐低溫性(xing)(xing)能好(hao)，另外，在(zai)400～1300℃范(fan)圍(wei)內，N型熱(re)電偶的(de)熱(re)電特(te)性(xing)(xing)的(de)線性(xing)(xing)比(bi)K型偶要好(hao)；但在(zai)低溫范(fan)圍(wei)內（-200～400℃）的(de)非(fei)線性(xing)(xing)誤差較大，同時(shi)，材料較硬難于加工(gong)。

6,銅－銅鎳熱電偶（分度號(hao)為Ｔ）
,該熱電(dian)偶的(de)正極(ji)為純銅(tong)，負極(ji)為銅(tong)鎳合金(jin)（也稱康銅(tong)），其主(zhu)要特點是(shi)：在賤金(jin)屬熱電(dian)偶中(zhong)(zhong)，它的(de)準確(que)度(du)*高、熱電(dian)極(ji)的(de)均(jun)勻性(xing)好；它的(de)使用溫度(du)是(shi)-200～350℃，因銅(tong)熱電(dian)極(ji)易氧(yang)化，并且氧(yang)化膜易脫落，故在氧(yang)化性(xing)氣氛中(zhong)(zhong)使用時(shi)，一般不能超過300℃，在-200～300℃范圍內，它們(men)靈(ling)敏(min)度(du)比較高，銅(tong)－康銅(tong)熱電(dian)偶還有一個特點是(shi)價格便宜，是(shi)常(chang)用幾種定型產品(pin)中(zhong)(zhong)*便宜的(de)一種。
 

7,鐵－康銅熱電偶（分度號為Ｊ）
,該(gai)熱電偶(ou)的(de)正極為(wei)純鐵，負極為(wei)康(kang)銅（銅鎳合金），具特點(dian)是價格便宜,適(shi)用(yong)(yong)于真空氧(yang)化的(de)還原或惰性氣氛中(zhong)，溫(wen)度(du)(du)(du)范(fan)圍從-200～800℃，但常用(yong)(yong)溫(wen)度(du)(du)(du)只是500℃以下，因為(wei)超過這個溫(wen)度(du)(du)(du)后，鐵熱電極的(de)氧(yang)化速(su)率加(jia)快，如(ru)采用(yong)(yong)粗線徑的(de)絲材，尚可在高溫(wen)中(zhong)使(shi)用(yong)(yong)且有較(jiao)長的(de)壽命；該(gai)熱電偶(ou)能耐氫氣（Ｈ2）及一(yi)氧(yang)化碳（ＣＯ）氣體腐(fu)蝕，但不能在高溫(wen)（例如(ru)500℃）含硫（Ｓ）的(de)氣氛中(zhong)使(shi)用(yong)(yong)。
 

8,鎳鉻－銅鎳（康銅）熱(re)電偶（分度號為E）
是(shi)一(yi)種較新的(de)(de)(de)(de)(de)產品，它的(de)(de)(de)(de)(de)正極是(shi)鎳(nie)(nie)鉻合金，負極是(shi)銅鎳(nie)(nie)合金（康(kang)銅），其(qi)*大(da)特(te)點(dian)是(shi)在常(chang)(chang)用的(de)(de)(de)(de)(de)熱電(dian)偶中，其(qi)熱電(dian)勢*大(da)，即(ji)靈敏度(du)*高；它的(de)(de)(de)(de)(de)應用范圍雖不及K型偶廣(guang)泛(fan)，但在要求靈敏度(du)高、熱導率低、可(ke)容許大(da)電(dian)阻的(de)(de)(de)(de)(de)條件(jian)下(xia)，常(chang)(chang)常(chang)(chang)被選用；使用中的(de)(de)(de)(de)(de)限制條件(jian)與K型相同，但對于含有較高濕度(du)氣氛的(de)(de)(de)(de)(de)腐蝕不很(hen)敏感。

除了以(yi)上8種常用的熱(re)(re)(re)電(dian)(dian)(dian)偶(ou)外(wai)，作為非(fei)標(biao)準化(hua)的熱(re)(re)(re)電(dian)(dian)(dian)偶(ou)還有鎢錸(lai)熱(re)(re)(re)電(dian)(dian)(dian)偶(ou)，鉑銠系熱(re)(re)(re)電(dian)(dian)(dian)偶(ou)，銥鍺系熱(re)(re)(re)電(dian)(dian)(dian)偶(ou)，鉑鉬系熱(re)(re)(re)電(dian)(dian)(dian)偶(ou)和非(fei)金屬材料熱(re)(re)(re)電(dian)(dian)(dian)偶(ou)等(deng)。

下表所列的是常用(yong)熱電偶的材料規格(ge)和線(xian)徑使用(yong)溫度(du)的關系：
 

二、絕緣(yuan)管
該熱電偶的(de)工作端被牢固地焊接在(zai)一起，熱電極(ji)之(zhi)間需要用(yong)(yong)(yong)絕(jue)緣(yuan)(yuan)(yuan)管(guan)保護。熱電偶的(de)絕(jue)緣(yuan)(yuan)(yuan)材料很多，大體(ti)上(shang)可分(fen)為(wei)有機(ji)和(he)無機(ji)絕(jue)緣(yuan)(yuan)(yuan)兩類，處于高溫端的(de)絕(jue)緣(yuan)(yuan)(yuan)物(wu)(wu)必須采(cai)用(yong)(yong)(yong)無機(ji)物(wu)(wu)，通常(chang)在(zai)1000以下(xia)選(xuan)用(yong)(yong)(yong)粘土(tu)質絕(jue)緣(yuan)(yuan)(yuan)管(guan)，在(zai)1300以下(xia)選(xuan)用(yong)(yong)(yong)高鋁管(guan)，在(zai)1600以下(xia)選(xuan)用(yong)(yong)(yong)剛玉(yu)管(guan)。

三、保(bao)護管
保護管的作用在于使用熱電偶電極不直接與被測介質接觸，它不僅可延長熱電偶的壽命，還可起到支撐和固定熱電極增加其強度的作用；因此，熱電偶保護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量的準確度，被采用做保護管的材料主要分金屬和非金屬兩大類。