熱電偶測(cè)溫原理及其應(yīng)用

一、熱電偶簡(jiǎn)介

　　熱電溫度記錄儀常以熱電偶作為測(cè)溫元件，它廣泛用來(lái)測(cè)量 -200 ℃ ~1300 ℃范圍內(nèi)的溫度，特殊情況下，可測(cè)至 2800 ℃的高溫或 4K 的低溫。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，準(zhǔn)確度高，測(cè)溫范圍廣等特點(diǎn)。由于熱電偶將溫度轉(zhuǎn)化成電量進(jìn)行檢測(cè)，使溫度的測(cè)量、控制、以及對(duì)溫度信號(hào)的放大變換都很方便，適用于遠(yuǎn)距離測(cè)量和自動(dòng)控制。在接觸式測(cè)溫法中，熱電溫度計(jì)的應(yīng)用最普遍。

二、熱電偶測(cè)溫原理

1.定義: 由兩種導(dǎo)體組合而成,將溫度轉(zhuǎn)化為熱電動(dòng)勢(shì)的傳感器叫做熱電偶。

2. 測(cè)溫原理 : 熱電偶的測(cè)溫原理基于熱電效應(yīng)。

將兩種不同材料的導(dǎo)體 A 和 B 串接成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn) 1 和 2 的溫 度不同時(shí)，如果 T ＞ T 0 （如上圖 12-1熱電效應(yīng)）， 在回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)， 在回路中產(chǎn)生一定大小的電流，此種現(xiàn)象稱(chēng)為 熱電效應(yīng) 。

熱電動(dòng)勢(shì)記為 EAB ，導(dǎo)體 A 、 B 稱(chēng)為熱電極。接點(diǎn) 1 通常是焊接在一起的， 測(cè)量時(shí)將它置于測(cè)溫場(chǎng)所感受被測(cè)溫度，故稱(chēng)為測(cè)量端（或工作端，熱 端）。

接點(diǎn) 2 要求溫度恒定，稱(chēng)為參考端（或冷端）。

3.熱電效應(yīng)

　　導(dǎo)體 A 和 B 組成的熱電偶閉合電路在兩個(gè)接點(diǎn)處分別由eAB （T） 與 eAB （T0 ）兩個(gè)接觸電勢(shì) ，又因?yàn)?T ＞ T0 ，在導(dǎo)體 A 和 B 中還各有一 個(gè)溫差電勢(shì)。所以閉合回 路總熱電動(dòng)勢(shì) EAB （T,T0 ） 應(yīng)為接觸電動(dòng)勢(shì)和溫差電勢(shì)的代數(shù)和，即：

4.閉合回路總熱電動(dòng)勢(shì)

　　對(duì)于已選定的熱電偶，當(dāng)參考溫度恒定時(shí)，總熱電動(dòng)勢(shì)就變成測(cè)量端溫度 T 的單值函數(shù)，即 EAB （ Ｔ , T 0 ）= f （ T ） 。這就是熱電偶測(cè)量溫度的基本原理。

　　在實(shí)際測(cè)溫時(shí)，必須在熱電偶閉合回路中引入連接導(dǎo)線(xiàn)和儀表。

三、有關(guān)熱電偶測(cè)溫的基本原則

　　由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的橫截面積，長(zhǎng)度以及溫度分布如何均不產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)。

　　如果熱電偶的兩根熱電極由兩種均質(zhì)導(dǎo)體組成，那么，熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)僅與兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)，與熱電偶的溫度分布無(wú)關(guān)；

　　如果熱電極為非均質(zhì)電極，并處于具有溫度梯度的溫場(chǎng)時(shí)，將產(chǎn)生附加電勢(shì)，如果僅從熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)大小來(lái)判斷溫度的高低就會(huì)引起誤差。

　　1.中間導(dǎo)體定則:

    2. 均質(zhì)導(dǎo)體定則

、

　　在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只要兩端的溫度相等，該導(dǎo)體接入就不會(huì)影響熱電偶回路的總熱電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)這一定則，可以將熱電偶的一個(gè)接點(diǎn)斷開(kāi)接入 第三種導(dǎo)體 ，也可以將熱電偶的一種導(dǎo)體斷開(kāi)接入第三種導(dǎo)體，只要每一種導(dǎo)體的兩端溫度相同，均不影響回路的總熱電動(dòng)勢(shì)。

在實(shí)際測(cè)溫電路中，必須有連接導(dǎo)線(xiàn)和顯示儀器，若把連接導(dǎo)線(xiàn)和顯示儀器看成第三種導(dǎo)體 ，只要他們的兩端溫度相同，則不影響總熱電動(dòng)勢(shì) 。

3、參考電極定則 :

　兩種導(dǎo)體 A, B 分別與參考電極 C（ 或稱(chēng)標(biāo)準(zhǔn)電極 ） 組成熱電偶，如果他們所產(chǎn)生的熱電 動(dòng)勢(shì)為已知， A 和 B 兩極配對(duì)后的熱電動(dòng)勢(shì)可用下式求得．由此可見(jiàn)，只要知道兩種導(dǎo)體分別與參考電極組成熱電偶時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)，就可以依據(jù)參考電極定則計(jì)算出兩導(dǎo)體組成熱電偶時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)。從而簡(jiǎn)化了熱電偶的選配工作。由于鉑的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，熔點(diǎn)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(yīng)用的有40~50種。 國(guó)際電工委員會(huì)向世界各國(guó)推薦 8 種熱電偶作為標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶.

　　我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶也有 8 種。分別是：鉑銠 10- 鉑（分度號(hào)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(jiǎn)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(hào)為 S 。鉑銠絲為正 極 , 純鉑絲為負(fù)極。

2. 特點(diǎn)：熱電性能好，抗氧化性強(qiáng)，宜在氧化性、惰性氣氛中連續(xù)使用 。 長(zhǎng)期適用 的溫度為 1400℃ ，超過(guò)此溫度時(shí)，即使在空氣中純鉑絲也將再結(jié)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(zhǔn)確度等級(jí)最 高 ,通常用作標(biāo)準(zhǔn)或測(cè)量高溫的熱電偶，其使用溫度范圍廣（ 0~1600℃ ）， 均質(zhì)性及互換性好。其缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴 , 熱電勢(shì)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(fù)極，分度號(hào)為K。

2.特點(diǎn)： 使用溫度范圍寬（50~1300℃），高溫下性能較穩(wěn)定， 熱電動(dòng)勢(shì)和溫度的關(guān)系近似線(xiàn)性，價(jià)格便宜，因此是 目前用量最大的一種熱電偶。它適用于在氧化性和惰性氣氛中連續(xù)使用，短期使用溫 度為1200℃，長(zhǎng)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(fù)極，分度號(hào)為 E

2. 特點(diǎn)：它的最大特點(diǎn)是在常用熱電偶中 熱電動(dòng)勢(shì)最大 ，即靈 敏度最高， 適宜在250~870℃范圍內(nèi)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(fù)極，分度號(hào)為 T 。

2. 特點(diǎn)：在金屬熱電偶中準(zhǔn)確度最高，熱電絲均勻性好，使用溫度范圍 為 -200 ～ 350 ℃。

　　此外，還有非標(biāo)準(zhǔn)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．