工業熱電偶測溫原理及其應用

       一、熱電偶簡介

       熱電溫度記錄儀常以熱電偶作為測溫元件，它廣泛用來測量-200 ℃ ~1300 ℃范圍內的溫度，特殊情況下，可測至2800 ℃的高溫或4K的低溫。它具有結構簡單，價格便宜，準確度高，測溫范圍廣等特點。由于熱電偶將溫度轉化成電量進行檢測，使溫度的測量、控制、以及對溫度信號的放大變換都很方便，適用于遠距離測量和自動控制。在接觸式測溫法中，熱電溫度計的應用很普遍。

       二、熱電偶測溫原理

       1.定義: 由兩種導體組合而成,將溫度轉化為熱電動勢的傳感器叫做熱電偶。

       2.測溫原理: 熱電偶的測溫原理基于熱電效應。

       將兩種不同材料的導體A和B串接成一個閉合回路，當兩個接點1和2的溫度不同時，如果 T ＞ T0，在回路中就會產生熱電動勢，在回路中產生一定大小的電流，此種現象稱為熱電效應。

       熱電動勢記為EAB ，導體A、B稱為熱電極。接點 1 通常是焊接在一起的，測量時將它置于測溫場所感受被測溫度，故稱為測量端（或工作端，熱端）。

       2 要求溫度恒定，稱為參考端（或冷端）。

       3.熱電效應

       導體A和B組成的熱電偶閉合電路在兩個接點處分別由eAB （T） 與 eAB （T0）兩個接觸電勢 ，又因為T＞T0，在導體 A 和 B 中還各有一 個溫差電勢。所以閉合回 路總熱電動勢 EAB （T,T0）應為接觸電動勢和溫差電勢的代數和，即：

       4.閉合回路總熱電動勢

       對于已選定的熱電偶，當參考溫度恒定時，總熱電動勢就變成測量端溫度 T 的單值函數，即 EAB （T, T0）= f （T） 。這就是熱電偶測量溫度的基本原理。

       在實際測溫時，必須在熱電偶閉合回路中引入連接導線和儀表。

       三、有關熱電偶測溫的基本原則

       由一種均質導體組成的閉合回路，不論導體的橫截面積，長度以及溫度分布如何均不產生熱電動勢。

       如果熱電偶的兩根熱電極由兩種均質導體組成，那么，熱電偶的熱電動勢僅與兩接點的溫度有關，與熱電偶的溫度分布無關；

       如果熱電極為非均質電極，并處于具有溫度梯度的溫場時，將產生附加電勢，如果僅從熱電偶的熱電動勢大小來判斷溫度的高低就會引起誤差。

       1.中間導體定則:

       2. 均質導體定則

       在熱電偶回路中接入第三種材料的導體，只要兩端的溫度相等，該導體接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。根據這一定則，可以將熱電偶的一個接點斷開接入 第三種導體，也可以將熱電偶的一種導體斷開接入第三種導體，只要每一種導體的兩端溫度相同，均不影響回路的總熱電動勢。

       在實際測溫電路中，必須有連接導線和顯示儀器，若把連接導線和顯示儀器看成第三種導體 ，只要他們的兩端溫度相同，則不影響總熱電動勢 。

       3、參考電極定則 :

       兩種導體 A, B 分別與參考電極 C（或稱標準電極 ）組成熱電偶，如果他們所產生的熱電 動勢為已知， A 和 B 兩極配對后的熱電動勢可用下式求得．由此可見，只要知道兩種導體分別與參考電極組成熱電偶時的熱電動勢，就可以依據參考電極定則計算出兩導體組成熱電偶時的熱電動勢。從而簡化了熱電偶的選配工作。由于鉑的物理化學性質穩定，熔點高，易提純，所以人們多采用高純鉑作為參考電極。

       四、常用熱電偶

       適于制作熱電偶的材料有300多種，其中廣泛應用的有40~50種。 國際電工委員會向世界各國推薦 8 種熱電偶作為標準化熱電偶.

       我國標準化熱電偶也有 8 種。分別是：鉑銠 10- 鉑（分度號為S）、 鉑銠 13- 鉑 （R） 、鉑銠 30- 鉑銠 6（B） 、鎳鉻 - 鎳硅 （K） 、鎳鉻-康銅 （E）、鐵-康銅（J）、銅-康銅（T）和鎳鉻硅-鎳硅（N）。下面簡要介紹其中幾種：

       五、幾種常用的熱電偶

       1、鉑銠 10- 鉑熱電偶  組成：由φ0.5mm 的純鉑絲和直徑相同的鉑銠絲制成，分度號為 S 。鉑銠絲為正 極 , 純鉑絲為負極。

       2. 特點：熱電性能好，抗氧化性強，宜在氧化性、惰性氣氛中連續使用 。 長期適用 的溫度為 1400℃ ，超過此溫度時，即使在空氣中純鉑絲也將再結晶而使晶 粒增大。短期使用溫度為 1600℃ 。在所有的熱電偶中，它的準確度等級很 高 ,通常用作標準或測量高溫的熱電偶，其使用溫度范圍廣（ 0~1600℃ ）， 均質性及互換性好。其缺點是價格昂貴 , 熱電勢較小，需配靈敏度高的顯示儀表．

       2、 鎳鉻 - 鎳硅 （ 鎳鋁 ） 熱電偶

       1.組成：鎳鉻為正極，鎳硅為負極，分度號為K。

       2.特點： 使用溫度范圍寬（50~1300℃），高溫下性能較穩定， 熱電動勢和溫度的關系近似線性，價格便宜，因此是 目前用量很大的一種熱電偶。它適用于在氧化性和惰性氣氛中連續使用，短期使用溫 度為1200℃，長期使用溫度為1000℃

       3、鎳鉻 — 康銅熱電偶

       1. 組成：鎳鉻為正極，康銅為負極，分度號為E

       2. 特點：它的很大特點是在常用熱電偶中熱電動勢很大，即靈敏度很高，適宜在250~870℃范圍內的氧化性或惰性氣氛中使用,尤其適宜在0℃以下使用。在濕度大的情 況下,較其他熱電偶耐腐蝕。

       4、銅 - 康銅熱電偶

       1. 組成：純銅為正極，康銅為負極，分度號為T 。

       2. 特點：在金屬熱電偶中準確度很高，熱電絲均勻性好，使用溫度范圍 為 -200 ～ 350 ℃。

       此外，還有非標準化熱電偶，有鎢錸系列（屬難融金屬），鉑銠系列，銥銠系列，鉑鉬系列及非金屬熱電偶等等。