热电偶基本原理和使用方法Word下载.docx
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冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。
热电偶实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度，对于热电偶的热电势，应注意如下几个问题：
（1）热电偶的热电势是热电偶两端温度函数的差，而不是热电偶两端温度差的函数；
（2）热电偶所产生的热电势的大小，当热电偶的材料是均匀时，与热电偶的长度和直径无关，只与热电偶材料的成份和两端的温差有关；
（3）当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后，热电偶热电势的大小，只与热电偶的温度差有关；
若热电偶冷端的温度保持一定，这进热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。
热电偶的基本构造：
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。
一、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1300C，超达1400C
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E，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1600C，短期为1800C，因热电势较
小，故需配用灵敏度较高的显示仪表。
E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，故不存在铂铑一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0〜1300C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1200C，长期使用温度为1000C，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1000C）往往因
氧化而损坏；
（2）在250〜500C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°
C;
（3）其负极在150〜200C范围内要发生磁性转变，致使在室温至230C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）、钻（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1300C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400〜1300C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（-200〜400C）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-200〜350C，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300C，在-200〜300C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-200〜800C，但常用温度只是500C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500C）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。
二、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。
三、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。
热电偶冷端补偿摘要：
温度测量应用中，热电偶因其坚固性、可靠性以及较快的响应速度得到了普遍应用。
本应用笔记讨论了热电偶的基本工作原理，包括参考端（冷端）的定义和功能。
本文还给出了按照具体应用选择冷端温度测量器件的注意事项，并给出了三个设计范例。
概述
温度测量应用中有多种类型的变送器，热电偶是最常用的一种，可广泛用于汽车、家庭等领域。
与RTD、
电热调节器、温度检测集成电路（IC）相比，热电偶能够检测更宽的温度范围，具有较高的性价比。
另外，热电偶的牢固、可靠性和快速响应时间使其成为各种工作环境下的首要选择。
当然，热电偶在温度测量中也存在一些缺陷，例如，线性特性较差。
虽然它们与RTD、温度传感器IC相
比可以测量更宽的温度范围，但线性度却大打折扣。
除此之外，RTD和温度传感器IC可以提供更高的灵敏度和精度，可理想用于精确测量系统。
热电偶信号电平很低，常常需要放大或高分辨率数据转换器进行处理。
如果排除上述问题，热电偶的低价位、易使用、宽温度范围使其得到广泛使用。
热电偶基础
热电偶是差分温度测量器件，由两段不同的金属/合金线构成，一段用作正端，另一段用作负端。
表1列出
了四种最常用的热电偶类型、所用金属以及对应的温度测量范围。
每种热电偶在其规定的温度范围内具有独特的热电特性。
表1.
常用的热电偶类型
类型
正端金属/合金
负端金属/合金
温度范围（°
c）
T
铜
镍铜合金
-200至+350
J
铁
0至+750
K
镍铬合金
镍基热电偶合金
-200至+1250
E
-200至+900
两种不同类型的金属接（焊接）在一起后形成两个结点，如图1a所示，环路电压是两个结点温差的函数。
这种现象称为Seebeck效应，用于解释热能转换为电能的过程。
Seebeck效应相对于Peltier效应，Peltier效应用于解释电能转换成热能的过程，典型应用有电热致冷器。
图1a所示，测量电压Vout是检测端（热端）
结电压与参考端（冷端）结电压之差。
因为Vh和Vc是由两个结的温度差产生的，Vout也是温差的函数。
定
标因数，a对应于电压差与温差之比，称为Seebeck系数。
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图1a.环路电压由热电偶两个结点之间的温差产生，是Seebeck效应的结果
图1b.常见的热电偶配置由两条线连接在一端，每条线的开路端与铜恒温线连接。
图1b所示是一种最常见的热电偶应用。
该配置中引入了第三种金属（中间金属）和两个额外的节点。
本例中,
每个开路端与铜线电气连接，这些连线为系统增加了两个额外节点，只要这两个节点温度相同，中间金属
（铜）不会影响输出电压。
这种配置允许热电偶在没有独立参考结点的条件下使用。
Vout仍然是热端与冷端
温度之差的函数，与Seebeck系数有关。
然而，由于热电偶测量的是温度差，为了确定热端的实际温度，
冷端温度必须是已知的。
冷端温度为0°
C（冰点）时是一种最简单的情况，如果Tc=0°
，则Vout=Vh。
这种情况下，热端测量电压是结点温度的直接转换值。
美国国家标准局（NBS）提供了各
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