熱電偶的作用及工作原理

在兩個不同成分的導(dǎo)體(稱為熱電偶芯線和熱電極)的兩端連接電路，如果接合點的溫度不同，則在電路中產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，該電動勢稱為熱電勢。 熱電偶是利用該原理進行溫度測量的，其中直接用于測量介質(zhì)溫度的一端稱為工作端(也稱為測量端，另一端稱為冷端(也稱為補償端) )的冷端與顯示器或輔助器連接，顯示器表示熱電偶產(chǎn)生的熱電勢。

典型的熱電偶索引號包括s、b、k、e、t和j，它們是標(biāo)準(zhǔn)化的熱電偶。 其中k型為鎳鉻熱電偶，是一種能測量較高溫度的廉價熱偶。 該合金具有優(yōu)異的高溫耐氧化性，可應(yīng)用于氧化性或中性介質(zhì)。 這個可以長期測定1000度的高溫，短期可以測定1200度。 不能用于還原性介質(zhì)。 否則，會立即腐蝕，此時只能用于500度以下的測量。 它比s型熱偶便宜得多，重現(xiàn)性好，熱電勢大，靈敏度高，線性好。 其測量精度稍低，但由于滿足工業(yè)測溫要求，因此是工業(yè)上常用于zui的熱電偶。 廣泛用作工業(yè)測溫中zui的溫度傳感器之一<； br/>； 熱電偶與白金測溫電阻體一起，約占溫度傳感器整體的60%，熱電偶通常與顯示器等組合使用，直接測量各種生產(chǎn)過程中-40~1800℃范圍內(nèi)的液體、蒸汽和氣體介質(zhì)、固體的表面溫度。

熱電偶實際上是能量轉(zhuǎn)換器，將熱能轉(zhuǎn)換為電能，用產(chǎn)生的熱電勢測量溫度。 關(guān)于熱電偶的熱電勢，請注意以下幾個問題

(1)熱電偶的熱電勢是熱電偶兩端溫度函數(shù)的差，不是熱電偶兩端溫度差的函數(shù)

(2)熱電偶產(chǎn)生的熱電勢的大小，在熱電偶的材料均勻的情況下，與熱電偶的長度和直徑無關(guān)，只與熱電偶材料的成分和兩端的溫度差有關(guān)

(3)確定了熱電偶的兩個熱電偶芯線的材料成分之后，關(guān)于熱電偶的熱電勢的大小，只要僅與熱電偶的溫度差有關(guān)的熱電偶的冷端的溫度保持一定，該熱電偶的熱電勢只不過是工作端溫度的一值函數(shù)。

熱電偶的基本結(jié)構(gòu):

工業(yè)測溫用的熱電偶，作為基本構(gòu)造有熱電偶線材、絕緣管、保護管、端子箱等。

一、常用熱電偶材料及其性能

1、鉑銠10-鉑熱電偶(索引編號為s，也稱為鉑銠熱電偶)。

該熱電偶的正極成分為含有10%銠的鉑銠合金，負(fù)極為純鉑，其特征如下

(1)熱電性能穩(wěn)定、耐氧化性強、優(yōu)選在氧化性氣氛中連續(xù)使用，長期使用溫度達到1300℃，超過1400℃時，在空氣中即使是純白金線也會再結(jié)晶，晶粒變粗大而斷裂

(2)精度高，它在所有熱電偶中精度等級zui高，通常用作標(biāo)準(zhǔn)，或測量高溫度

(3)使用范圍廣，均勻性和互換性好；

(4)主要缺點是微分熱電勢小，靈敏度低，價格高，機械強度低，不適合在有還原性氣氛或金屬蒸汽的條件下使用。

2、鉑銠13-鉑熱電偶(索引編號也稱為r、鉑銠熱電偶)

該熱電偶正極含鉑銠合金13%，負(fù)極為純鉑，與s型相比電位率大約15%，其他性能基本相同，這種熱電偶在日本產(chǎn)業(yè)界作為高溫?zé)犭娕紌ui較多，在中國較少

3、鉑銠30-鉑銠6熱電偶(也稱為索引號b、鉑銠熱電偶)。

該熱電偶的正極是含有30%銠的鉑銠合金，負(fù)極是含有6%銠的鉑銠合金，在室溫下熱電勢小，因此測定時不需要補償引線，能夠忽略冷溫度變化的影響的長期使用溫度為1600℃，短期為1800℃，熱電勢小，因此靈敏度高

b型熱電偶適合在氧化性或中性氣氛中使用，即使在可以在真空氣氛中短期使用還原氣氛下，其壽命為r或s型的10~20倍，其電極由鉑銠合金構(gòu)成，因此存在鉑銠-鉑熱電偶的負(fù)極上的所有缺點，高溫時大的結(jié)晶化傾向少， 且具有較大的機械強度，同時由于對雜質(zhì)的吸收和銠的遷移的影響較小，長期使用后，熱電勢的變化不嚴(yán)重，缺陷價格高(相對于鉑銠)。

4、鎳鉻合金熱電偶(分度代號k )

這個熱電偶的正極是含有10%鉻的鎳鉻合金，負(fù)極是含有3%硅的鎳硅合金(在一些國家，負(fù)極是純鎳)。 可測定0~1300℃的介質(zhì)溫度，適用于氧化性及惰性氣體中的連續(xù)使用，短期使用溫度為1200℃，長期使用溫度為1000℃，熱電勢與溫度的關(guān)系基本為線性，廉價，是目前使用量zui較大的熱電偶。

k型熱電偶是耐氧化性強的賤金屬熱電偶，在真空、含硫、含碳氣氛和氧化還原交替的氣氛下裸線使用不理想的氧分壓低時，鎳鉻電極中的鉻優(yōu)先氧化，熱電勢變化很大，但金屬氣體的影響小，因此多采用金屬制保護管。

k型熱電偶的缺點:

(1)熱電勢的高溫穩(wěn)定性比n型熱電偶和貴金屬熱電偶差，在高溫度(例如超過1000℃)下多被氧化破壞

(在250~500℃范圍內(nèi)短期的熱循環(huán)的穩(wěn)定性差，即在同一溫度點，在升溫降溫過程中，其熱電勢的顯示值不同，其差能夠達到2~3℃

(3)該負(fù)極在150~200℃的范圍內(nèi)發(fā)生磁性變化，在室溫230℃的范圍內(nèi)，從分度表的分度值偏離的情況較多，特別是在磁場中使用的情況下，大多發(fā)生與時間無關(guān)的熱電勢干擾

(4)在長期高吞吐量系統(tǒng)照射環(huán)境下，負(fù)極中錳( Mn )、鈷( Co )等元素發(fā)生脫變，穩(wěn)定性不佳，熱電勢發(fā)生較大變化。

5、鎳鉻-鎳硅熱電偶(索引編號為n )

該熱電偶的主要特征是在1300℃以下溫度調(diào)節(jié)的抗氧化能力強，長期穩(wěn)定性和短期熱循環(huán)再現(xiàn)性好，耐放射線性和耐低溫性能好，另外，在400~1300℃的范圍內(nèi)，n型熱電偶的熱電特性的線性比k型人偶好，但在低溫區(qū)域(-200~400℃)非線性誤差大，同時

6、銅-銅鎳熱電偶(分度代號t )

t型熱電偶是該熱電偶正極為純銅，負(fù)極為銅鎳合金(也稱為康銅)，其主要特征在于，在賤金屬熱電偶中，其精度高，熱電極的均勻性良好，其使用溫度為-200~350℃，銅熱電偶容易氧化，氧化膜容易剝離，因此在氧化性氣氛下使用時 一般不得超過300℃，在-200~300℃范圍內(nèi)靈敏度高，銅-康銅熱電偶具有價格便宜、常用定型產(chǎn)品中zui便宜的特點。

7、鐵-康銅熱電偶(分度代號為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)，其特征在于廉價，適于真空氧化的還原和惰性氣氛，溫度范圍為-200~800℃，常用溫度為500℃以下，超過該溫度時，鐵熱電極的氧化速度變快，采用粗線徑的線材時，還可以在高溫下使用， 該長壽命熱電偶能耐受氫氣( H2)和一氧化碳( CO )氣體的腐蝕，但在含有高溫(例如500℃)的硫磺( s )的氣氛中不能使用。

8、鎳鉻銅鎳(康銅)熱電偶(分度代號e )

e型熱電偶是一種新產(chǎn)品，其正極為鎳鉻合金，負(fù)極為銅鎳合金(康銅)，zui特征為常用熱電偶，熱電勢zui大，即靈敏度zui高，其應(yīng)用范圍不及k型偶數(shù)

除以上8種常用熱電偶外，非標(biāo)準(zhǔn)化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。

二、絕緣管

該熱電偶的工作端被牢固地焊接，熱電極間需要用絕緣管保護。 熱電偶的絕緣材料很多，基本上分為有機和無機絕緣兩種，高溫端的絕緣物必須采用無機物。 通常，選擇粘土質(zhì)絕緣管在1000以下、氧化鋁管在1300以下、剛玉管在1600以下。

三、保護管

保護管的作用是，由于熱電偶的電極不直接與被檢測介質(zhì)接觸，不僅能延長熱電偶的壽命，還能起到提高熱電偶強度的作用，因此，熱電偶的保護管和絕緣選擇是否適當(dāng)直接影響熱電偶的壽命和測定的準(zhǔn)確性，作為保護管采用的材料主要分為金屬和非金屬兩類。

本文熱電偶高頻詞： 電勢  鉑銠 

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