热电偶测温仪

用于温度测量的仪器

热电偶测温仪是用于温度测量的仪器。

热电偶工作原理

热电偶是利用物理学中的赛贝克效应制成的温敏传感器。当两种不同的导体A和B组成闭合回路时，就构成了一个热电偶。如图1.1

温度T端为感温部分，称为热端；温度T0为连接仪表部分，称为冷端。当热端温度T和冷端温度T0不同时，在回路中就产生热电势EAB（T, T0 ）,这种显现称为热电效应，这个电动势通常称为热电势。热电式的大小与T和T0之差（称为温差）的大小有关。由热电偶回路热电势的分布理论可知，热电偶的热电势仅仅是热电偶两端温度T和T0的函数之差，即：

EAB (T, T0)= EAB（T）- EAB（T0）式（1.1）

也就是说，热电偶的热电势等于热端与冷端温度T和T0所引起的电势差。

实际测温中，冷端所对应的热电势要随冷端温度（环境温度）的变化而变化。要保证冷端温度恒定是十分困难的，在一定程度上，测量精度取决于冷端温度的影响。只有当热电偶冷端温度保持不变，热电动势才是被测温度的但只函数。标准中规定结点的热电动势为0℃时的热电动势。

由式（1.1）可知，如果当T=0时可得：

EAB（T0） = EAB（0）- EAB (0, T0) 式（1.2）

又当T0=0时可得：

EAB（T） = EAB（T,0）- EAB (0) 式（1.3）

把式（1.2）和式（1.3）带入式（1.1）式得：

EAB（T，0）= EAB（T,T0）+EAB (T0,0) 式（1.4）

在式（1.4）中，EAB（T，0）是冷端温度为0℃，热端温度为T时的热电势，此值就是成品热电偶给定的分度表值；EAB（T,T0）是热端温度为T，冷端温度为T0时的热电势，也就是实际测量到的热电势值；EAB (T0,0)是假定冷端温度为0℃，和实际冷端温度为T0时得到的热电势，在实测中，用集成测温传感器AD590测量T0，然后从对应热电偶的分度表中自动查出所对应的热电势EAB (T0,0)，这是第一次查表求出的值，也就是冷端温度补偿所对应的热电势值。通过单片机把实测到的EAB（T,T0）值与冷端温度补偿EAB (T0,0)值代数相加，就可得到冷端温度为0℃，热端温度为T时的热电势EAB (T0,0)值，再从分度表中自动查得对应于EAB (T0,0)的温度值，这既是第二次查表求出的值，这个值就是热锻偶热端所得的实际温度。

在实际生产中，热电偶热端（测量端）与冷端相距很远，冷端又暴露于空气当中，易受环境温度的影响，因而冷端温度很难保持恒定。为此需要把冷端延伸并进行温度补偿。

热电偶分类

S型热电偶：铂铑10-铂热电偶铂铑10-铂热电偶（S型热电偶）为贵金属热电偶。偶丝直径规定为0.5mm，允许偏差-0.015mm，其正极（SP）的名义化学成分为铂铑合金，其中含铑为10%，含铂为90%，负极（SN）为纯铂，故俗称单铂铑热电偶。该热电偶长期最高使用温度为1300℃，短期最高使用温度为1600℃。 S型热电偶在热电偶系列中具有准确度最高，稳定性最好，测温温区宽，使用寿命长等优点。它的物理，化学性能良好，热电势稳定性及在高温下抗氧化性能好，适用于氧化性和惰性气氛中。由于S型热电偶具有优良的综合性能，符合国际使用温标的S型热电偶，长期以来曾作为国际温标的内插仪器，“ITS-90”虽规定今后不再作为国际温标的内查仪器，但国际温度咨询委员会（CCT）认为S型热电偶仍可用于近似实现国际温标。 S型热电偶不足之处是热电势，热电势率较小，灵敏读低，高温下机械强度下降，对污染非常敏感，贵金属材料昂贵，因而一次性投资较大。（R型热电偶）铂铑13-铂热电偶铂铑13-铂热电偶

R型热电偶：为贵金属热电偶。偶丝直径规定为0.5mm，允许偏差-0.015mm，其正极（RP）的名义化学成分为铂铑合金，其中含铑为13%，含铂为87%，负极（RN）为纯铂，长期最高使用温度为1300℃，短期最高使用温度为1600℃。 R型热电偶在热电偶系列中具有准确度最高，稳定性最好，测温温区宽，使用寿命长等优点。其物理，化学性能良好，热电势稳定性及在高温下抗氧化性能好，适用于氧化性和惰性气氛中。由于R型热电偶的综合性能与S型热电偶相当，在我国一直难于推广，除在进口设备上的测温有所应用外，国内测温很少采用。1967年至1971年间，英国NPL，美国NBS和加拿大NRC三大研究机构进行了一项合作研究，其结果表明，R型热电偶的稳定性和复现性比S型热电偶均好，我国尚未开展这方面的研究。 R型热电偶不足之处是热电势，热电势率较小，灵敏读低，高温下机械强度下降，对污染非常敏感，贵金属材料昂贵，因而一次性投资较大。（B型热电偶）铂铑30-铂铑6热电偶铂铑30-铂铑6热电偶

B型热电偶：为贵金属热电偶。偶丝直径规定为0.5mm，允许偏差-0.015mm，其正极（BP）的名义化学成分为铂铑合金，其中含铑为30%，含铂为70%，负极（BN）为铂铑合金，含铑为量6%，故俗称双铂铑热电偶。该热电偶长期最高使用温度为1600℃，短期最高使用温度为1800℃。 B型热电偶在热电偶系列中具有准确度最高，稳定性最好，测温温区宽，使用寿命长，测温上限高等优点。适用于氧化性和惰性气氛中，也可短期用于真空中，但不适用于还原性气氛或含有金属或非金属蒸气气氛中。B型热电偶一个明显的优点是不需用补偿导线进行补偿，因为在0~50℃范围内热电势小于3μV。 B型热电偶不足之处是热电势，热电势率较小，灵敏读低，高温下机械强度下降，对污染非常敏感，贵金属材料昂贵，因而一次性投资较大。

K型热电偶：镍铬-镍硅热电偶镍铬-镍硅热电偶（K型热电偶）是用量最大的廉金属热电偶，其用量为其他热电偶的总和。正极（KP）的名义化学成分为：Ni：Cr=90：10，负极（KN）的名义化学成分为：Ni：Si=97：3，其使用温度为-200~1300℃。 K型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中。广泛为用户所采用。 K型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛中。

N型热电偶：镍铬硅-镍硅热电偶镍铬硅-镍硅热电偶（N型热电偶）为廉金属热电偶，是一种最新国际标准化的热电偶，是在70年代初由澳大利亚国防部实验室研制成功的它克服了K型热电偶的两个重要缺点：K型热电偶在300~500℃间由于镍铬合金的晶格短程有序而引起的热电动势不稳定；在800℃左右由于镍铬合金发生择优氧化引起的热电动势不稳定。正极（NP）的名义化学成分为：Ni:Cr:Si=84.4:14.2:1.4，负极（NN）的名义化学成分为：Ni:Si:Mg=95.5:4.4:0.1，其使用温度为-200~1300℃。 N型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜，不受短程有序化影响等优点,其综合性能优于K型热电偶,是一种很有发展前途的热电偶. N型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛中。（E型热电偶）镍铬-铜镍热电偶镍铬-铜镍热电偶

E型热电偶：又称镍铬-康铜热电偶，也是一种廉金属的热电偶，正极（EP）为：镍铬10合金，化学成分与KP相同，负极（EN）为铜镍合金，名义化学成分为：55%的铜，45%的镍以及少量的锰，钴，铁等元素。该热电偶的使用温度为-200~900℃。 E型热电偶热电动势之大，灵敏度之高属所有热电偶之最，宜制成热电堆，测量微小的温度变化。对于高湿度气氛的腐蚀不甚灵敏，宜用于湿度较高的环境。E热电偶还具有稳定性好，抗氧化性能优于铜-康铜，铁-康铜热电偶，价格便宜等优点，能用于氧化性和惰性气氛中，广泛为用户采用。 E型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性气氛中，热电势均匀性较差。

J型热电偶：铁-铜镍热电偶铁-铜镍热电偶（J型热电偶）又称铁-康铜热电偶，也是一种价格低廉的廉金属的热电偶。它的正极（JP）的名义化学成分为纯铁，负极（JN）为铜镍合金，常被含糊地称之为康铜，其名义化学成分为：55%的铜和45%的镍以及少量却十分重要的锰，钴，铁等元素，尽管它叫康铜，但不同于镍铬-康铜和铜-康铜的康铜，故不能用EN和TN来替换。铁-康铜热电偶的覆盖测量温区为-200~1200℃，但通常使用的温度范围为0~750℃ J型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均匀性较好，价格便宜等优点,广为用户所采用。 J型热电偶可用于真空，氧化，还原和惰性气氛中，但正极铁在高温下氧化较快，故使用温度受到限制，也不能直接无保护地在高温下用于硫化气氛中。

T型热电偶：铜-铜镍热电偶铜-铜镍热电偶（T型热电偶）又称铜-康铜热电偶，也是一种最佳的测量低温的廉金属的热电偶。它的正极（TP）是纯铜，负极（TN）为铜镍合金，常之为康铜，它与镍铬-康铜的康铜EN通用，与铁-康铜的康铜JN不能通用，尽管它们都叫康铜，铜-铜镍热电偶的盖测量温区为-200~350℃。 T型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均匀性较好，价格便宜等优点,特别在-200~0℃温区内使用，稳定性更好，年稳定性可小于±3μV，经低温检定可作为二等标准进行低温量值传递。 T型热电偶的正极铜在高温下抗氧化性能差，故使用温度上限受到限制。

K型热电偶

市场应用最多、测量范围最广的是K型热电偶。

K型热电偶概述：

K型热电偶作为一种温度传感器，K型热电偶通常和显示仪表，记录仪表和电子调节器配套使用。K型热电偶可以直接测量各种生产中从0℃到1300℃范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。

K型热电偶通常由感温元件、安装固定装置和接线盒等主要部件组成。

镍铬-偶(K型热电偶是用量最大的廉金属热电偶，其用量为其他热电偶的总和。K型热电偶丝直径一般为1.2～4.0mm。

正极(KP)的名义化学成分为：Ni：Cr=92：12，负极(KN)的名义化学成分为：Ni：Si=99：3，其使用温度为-200~1300℃。

K型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中广泛为用户所采用。

K型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛。

K型热电偶热响应时间的测量

测量K型热电偶的热响应时间实际上是比较复杂的，不同的试验条件会产生不同的测量结果，这是由于受周围介质的换热率影响，换热率高，则热响应时间就短。

为了使热电偶的热响应时间具有可比性，国家标准规定：热响应时间应在专用水流试验装置上进行。该装置的水流速度应保持0.4±0.05m/s，初始温度在5-45℃的范围内，温度阶跃值为40-50℃。在试验过程中，水的温度变化应不大于温度阶跃值的±1%。被试热电偶的置入深度为150mm或设计的置入深度。

由于热电偶在室温附近热电势很小，热响应时间不容易测出，因此国家标准规定可采用同规格的K型热电偶的热电极组件替换其自身的热电极组件，然后进行试验。

试验时应记录热电偶的输出变化至相当于温度阶跃变化50%的时间T0.5，必要时可记录变化10%的热响应时间T0.1和变化90%的热响应时间T0.9。所记录的热响应时间，应是同一试验至少三次测试结果的平均值，每次测量结果对于平均值的偏离应在±10%以内。此外，形成温度阶跃变化所需的时间不应超过被测试热电偶的T0.5的十分之一。记录仪器或仪表的响应时间不应超过被试热电偶的T0.5的十分之一。

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