熱電偶工作原理及結(jié)構(gòu)

1、熱電偶工作原理及結(jié)構(gòu)熱電偶是工業(yè)上較常用的溫度檢測(cè)元件之一，熱電偶 工作原理是基于賽貝克(seeback)效應(yīng),即兩種不同成分的導(dǎo) 體兩端連接成回路，如兩連接端溫度不同，則在回路內(nèi)產(chǎn)生 熱電流的物理現(xiàn)象。作為工業(yè)測(cè)溫中較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)過程中 -401800 C范圍內(nèi)的液體、蒸氣和氣體介質(zhì)以及固體的表面 溫度。其優(yōu)點(diǎn)是：測(cè)量精度高；測(cè)量范圍廣；構(gòu)造簡(jiǎn)單，熱電偶 使用方便。熱電偶測(cè)溫基本原理熱電偶是一種感溫元件,是一次儀表，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)，再通過電

2、氣儀表(二次儀 表)轉(zhuǎn)換成被測(cè)介質(zhì)的溫度。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，此時(shí)兩端之間就存在電動(dòng)勢(shì)一一熱電動(dòng)勢(shì)，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)。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0C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

3、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。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, 這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來(lái)工作 的。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

4、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)。常用的熱電偶材料有：熱電偶分度號(hào)熱電極材料正極負(fù)極S鉑佬10

5、純鉑鉑佬13純鉑B鉑佬30鉑佬6K鎳銘鎳硅T純銅銅鎳J鐵銅鎳N鎳銘硅鎳硅E鎳銘銅鎳熱電偶的種類及結(jié)構(gòu)一、種類：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，一般也沒有統(tǒng)一的分度 表，主要用于某些特殊場(chǎng)合的測(cè)量。二、熱電偶的基本構(gòu)造：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。常用熱電偶絲材及其性能：1、鉑佬10一鉑熱電偶(分度號(hào)為S,也稱為單鉑佬 熱電偶該熱電偶的正極成份為含佬10%

6、的鉑佬合金，負(fù)極為 純鉑；它的特點(diǎn)是：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 C，超達(dá)1400 C時(shí)， 即使在空氣中、純鉑絲也將會(huì)再結(jié)品，使品粒粗大而斷裂；精度高，它是在所有熱電偶中，準(zhǔn)確度等級(jí)較 高的，通常用作標(biāo)準(zhǔn)或測(cè)量較高的溫度；使用范圍較廣，均勻性及互換性好；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。2、鉑佬13一鉑熱電偶（分度號(hào)為R,也稱為單鉑佬 熱電偶）該熱電偶的正極為含13%的鉑佬合金，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

7、產(chǎn)業(yè)界，作為高溫?zé)犭娕加玫幂^多，而在 中國(guó)，則用得較少；3、鉑佬30鉑佬6熱電偶（分度號(hào)為B，也稱為雙 鉑佬熱電偶）該熱電偶的正極是含佬30%的鉑佬合金，負(fù)極為含佬 6%的鉑佬合金，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 C，短期為1800 C，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1020倍；由于其電極均由鉑佬合金制成，故 不存在鉑佬一鉑熱電偶負(fù)極上所有的缺點(diǎn)、在高溫時(shí)很少有 大結(jié)品化的趨勢(shì)，且具有較大的機(jī)械

8、強(qiáng)度；同時(shí)由于它對(duì)于 雜質(zhì)的吸收或佬的遷移的影響較少，因此經(jīng)過長(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）。4、鎳銘一鎳硅（鎳鋁）熱電偶（分度號(hào)為K）該熱電偶的正極為含銘10%的鎳銘合金，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 C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1200C,長(zhǎng)期使用溫度為1000C，其熱電 勢(shì)與溫度的關(guān)系近似線性，價(jià)格便宜，是目前用量較大的熱 電偶。K型熱電偶是抗氧化性較強(qiáng)的賤金屬熱電偶，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)，鎳銘極中的銘將擇優(yōu)氧化，使

9、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)：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1000C)往往因氧化而損 壞；在250500C范圍內(nèi)短期熱循環(huán)穩(wěn)定性不好，即 在同一溫度點(diǎn)，在升溫降溫過程中，其熱電勢(shì)示值不一樣， 其差值可達(dá)23C；其負(fù)極在150200C范圍內(nèi)要發(fā)生磁性轉(zhuǎn)變，致 使在室溫至230C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；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（M n）、鉆（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。5、鎳

10、銘硅一鎳硅熱電偶（分度號(hào)為N）該熱電偶的主要特點(diǎn)是：在1300C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4001300C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)（-200400C） 的非線性誤差較大，同時(shí)，材料較硬難于加工。6、銅一銅鎳熱電偶（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：在賤金屬熱電偶中，它的 準(zhǔn)確度較高、熱電極的均勻性好；它的使用溫度是-200 350 C，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300C，在-200300

11、C范圍 內(nèi)，它們靈敏度比較高，銅一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。7、鐵一康銅熱電偶（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-200800C，但常用溫度只是500C以下， 因?yàn)槌^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（H 2 ）及一氧化碳（CO）氣體腐蝕，但不能在 高溫（例如500 r）含硫（S）的氣氛中使用。8、鎳銘一銅鎳（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

12、鎳銘合金， 負(fù)極是銅鎳合金（康銅），其較大特點(diǎn)是在常用的熱電偶中， 其熱電勢(shì)較大，即靈敏度較高；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 偶還有鎢銖熱電偶，鉑佬系熱電偶，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：熱電偶分度號(hào)線徑（mm）長(zhǎng)期短期S 00.513001600R 00.513001600B 00.516001800KO1.28001000熱電偶冷端的溫

13、度補(bǔ)償熱電偶的材料一般都比較貴重（特別是米用貴金屬時(shí)），而測(cè)溫點(diǎn)到儀表的距離都很遠(yuǎn)，為了節(jié)省熱電偶材料， 降低成本，通常采用補(bǔ)償導(dǎo)線把熱電偶的冷端（自由端）延 伸到溫度比較穩(wěn)定的控制室內(nèi)，連接到儀表端子上。必須指 出，熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的作用只起延伸熱電極，使熱電偶的冷 端移動(dòng)到控制室的儀表端子上，它本身并不能消除冷端溫度 變化對(duì)測(cè)溫的影響，不起補(bǔ)償作用。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。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。小結(jié)：熱電偶是工業(yè)溫度測(cè)量常用的傳感器，它具有精度高、 經(jīng)濟(jì)和溫度寬的特點(diǎn)。熱電偶測(cè)量其熱端和冷端之間的溫度 差。為了