熱電偶^[5]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), 通過電氣儀表（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)——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0℃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。

工作原理

　　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)是熱電偶工作端的兩端溫^[2]度函數(shù)的差，而不是熱電偶冷端與工作端，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)。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，如圖所示。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。

特點(diǎn)

　　◆裝配簡(jiǎn)單，更換方便

　　◆壓簧式感溫元件，抗震性能好 

　　◆測(cè)量范圍大 

　　◆ 機(jī)械強(qiáng)度高，耐壓性能好

　　◆ 耐高溫可達(dá)2400度

熱電偶 - 種類及結(jié)構(gòu)形成

　�。�1）熱電偶的種類

　　常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。所調(diào)用標(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。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶我國(guó)從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。

　�。�2）熱電偶的結(jié)構(gòu)形式為了保證熱電偶可靠、穩(wěn)定地工作，對(duì)它的結(jié)構(gòu)要求如下：

　　①組成熱電偶的兩個(gè)熱電極的焊接必須牢固；

　　②兩個(gè)熱電極彼此之間應(yīng)很好地絕緣，以防短路；

　�、垩a(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶自由端的連接要方便可靠；

　�、鼙Ｗo(hù)套管應(yīng)能保證熱電極與有害介質(zhì)充分隔離。

常用熱電偶材料

　　熱電偶分度號(hào) 熱電極材料 使用溫度范圍（℃）

　　正極 負(fù)極 

　　S 鉑銠合金（銠含量10 %） 純鉑 0-1400

　　R 鉑銠合金（銠含量13 %） 純鉑 0-1400

　　B 鉑銠合金（銠含量30%） 鉑銠合金（銠含量6% ） 0-1400

　　K 鎳鉻 鎳硅 -200-+1000

　　T 純銅 銅鎳 -200-+300

　　J 鐵 銅鎳 -200-+600

　　N 鎳鉻硅 鎳硅 -200-+1200

　　E 鎳鉻 銅鎳 -200-+700

　　熱電偶的種類:裝配熱電偶^[4]，鎧裝熱電偶，端面熱電偶，壓簧固定熱電偶，高溫?zé)犭娕�，鉑銠熱電偶，防腐熱電偶，耐磨熱電偶，高壓熱電偶，特殊熱電偶，手持式熱電偶，微型熱電偶，貴金屬熱電偶 ,快速熱電偶 ,鎢錸熱電偶 等等。

熱電偶的基本定律

　　1，均質(zhì)導(dǎo)體定律 

　　由同一種均質(zhì)材料（導(dǎo)體或半導(dǎo)體）兩端焊接組成閉合回路，無(wú)論導(dǎo)體截面如何以及溫度如何分布，將不產(chǎn)生接觸電勢(shì)，溫差電勢(shì)相抵消，回路中總電勢(shì)為零。 

　　可見，熱電偶必須由兩種不同的均質(zhì)導(dǎo)體或半導(dǎo)體構(gòu)成。若熱電極材料不均勻，由于溫度梯存在，將會(huì)產(chǎn)生附加熱電勢(shì)。 

　　2，中間導(dǎo)體定律 

　　在熱電偶回路中接入中間導(dǎo)體（第三導(dǎo)體），只要中間導(dǎo)體兩端溫度相同，中間導(dǎo)體的引入對(duì)熱電偶回路總電勢(shì)沒有影響，這就是中間導(dǎo)體定律。 

　　應(yīng)用:依據(jù)中間導(dǎo)體定律，在熱電偶實(shí)際測(cè)溫應(yīng)用中，常采用熱端焊接、冷端開路的形式，冷端經(jīng)連接導(dǎo)線與顯示儀表連接構(gòu)成測(cè)溫系統(tǒng)。 

　　有人擔(dān)心用銅導(dǎo)線連接熱電偶冷端到儀表讀取mV值，在導(dǎo)線與熱電偶連接處產(chǎn)生的接觸電勢(shì)會(huì)使測(cè)量產(chǎn)生附加誤差。根據(jù)這個(gè)定律，是沒有這個(gè)誤差的！ 

　　3，中間溫度定律 

　　熱電偶回路兩接點(diǎn)（溫度為T、T0）間的熱電勢(shì)，等于熱電偶在溫度為T、Tn時(shí)的熱電勢(shì)與在溫度為Tn、T0時(shí)的熱電勢(shì)的代數(shù)和。Tn稱中間溫度。 

　　應(yīng)用:由于熱電偶E-T之間通常呈非線性關(guān)系,當(dāng)冷端溫度不為0℃時(shí)，不能利用已知回路實(shí)際熱電勢(shì)E（t,t0）直接查表求取熱端溫度值；也不能利用已知回路實(shí)際熱電勢(shì)E（t,t0）直接查表求取的溫度值，再加上冷端溫度確定熱端被測(cè)溫度值，需按中間溫度定律進(jìn)行修正。初學(xué)者經(jīng)常不按中間溫度定律來(lái)修正! 

　　4，參考電極定律 

　　這個(gè)定律是專業(yè)人士才研究、關(guān)注的，一般生產(chǎn)、使用環(huán)節(jié)的人士不太了解，簡(jiǎn)單說明就是：用高純度鉑絲做標(biāo)準(zhǔn)電極，假設(shè)鎳鉻-鎳硅熱電偶的正負(fù)極分別和標(biāo)準(zhǔn)電極配對(duì)，他們的值相加是等于這支鎳鉻-鎳硅的值。

　　熱電偶^[3]的安裝要求

　　對(duì)熱電偶與熱電阻的安裝,應(yīng)注意有利于測(cè)溫準(zhǔn)確,安全可考及維修方便,而且不影響設(shè)備運(yùn)行和生產(chǎn)操作.要滿足以上要求,在選擇對(duì)熱電偶和熱電阻的安裝部位和插入深度時(shí)要注意以下幾點(diǎn):

　　1、為了使熱電偶和熱電阻的測(cè)量端與被測(cè)介質(zhì)之間有充分的熱交換,應(yīng)合理選擇測(cè)點(diǎn)位置,盡量避免在閥門,彎頭及管道和設(shè)備的死角附近裝設(shè)熱電偶或熱電阻.

　　2、帶有保護(hù)套管的熱電偶和熱電阻有傳熱和散熱損失,為了減少測(cè)量誤差,熱電偶和熱電阻應(yīng)該有足夠的插入深度:

　�。�1）對(duì)于測(cè)量管道中心流體溫度的熱電偶,一般都應(yīng)將其測(cè)量端插入到管道中心處（垂直安裝或傾斜安裝）.如被測(cè)流體的管道直徑是200毫米,那熱電偶或熱電阻插入深度應(yīng)選擇100毫米;

　�。�2）對(duì)于高溫高壓和高速流體的溫度測(cè)量（如主蒸汽溫度）,為了減小保護(hù)套對(duì)流體的阻力和防止保護(hù)套在流體作用下發(fā)生斷裂,可采取保護(hù)管淺插方式或采用熱套式熱電偶.淺插式的熱電偶保護(hù)套管,其插入主蒸汽管道的深度應(yīng)不小于75mm;熱套式熱電偶的標(biāo)準(zhǔn)插入深度為100mm;

　�。�3）假如需要測(cè)量是煙道內(nèi)煙氣的溫度,盡管煙道直徑為4m,熱電偶或熱電阻插入深度1 m即可.

　�。�4）當(dāng)測(cè)量原件插入深度超過1m時(shí),應(yīng)盡可能垂直安裝,或加裝支撐架和保護(hù)套管.

故障處理案例

　　熱電偶輸入產(chǎn)生故障判別法

　　按照儀表接線圖進(jìn)行正確接線通電后，儀表先是顯示儀表的熱電偶分度號(hào)，接著顯示儀表量程范圍，再測(cè)儀表下排的數(shù)碼管顯示設(shè)定溫度，儀表上排數(shù)碼管顯示測(cè)量溫度。若儀表上排數(shù)碼管顯示不是發(fā)熱體的溫度，而顯示“OVER”、“0000”或“000”等狀況，說明儀表輸入部位產(chǎn)生故障,應(yīng)作如下試驗(yàn)：

　　A）把熱電偶從儀表熱電偶輸入端拆下，再用任何一根導(dǎo)線把儀表熱電偶輸入端短路。通電時(shí)，儀表上排數(shù)碼管顯示值約為室溫時(shí)，說明熱電偶內(nèi)部連線開路，應(yīng)更換同類型熱電偶。若還是以上所說的狀況，說明儀表在運(yùn)輸過程中，儀表的輸入端被損壞，要調(diào)換儀表。

　　B）把上述故障儀表的熱電偶拆去，換用旁邊運(yùn)行正常的同種分度號(hào)儀表上接入的熱電偶，通電后，原故障儀表上排數(shù)碼管顯示發(fā)熱體溫度時(shí)，說明熱電偶內(nèi)部連線開路，更換同類型熱電偶。若還是以上所說的狀況，說明儀表在運(yùn)輸過程中，儀表的輸入端被損壞，要更換儀表。

　　C）把有故障的熱電偶從儀表上拆下來(lái)，用萬(wàn)用表放在測(cè)量歐姆（R）*1檔，用萬(wàn)用表兩表棒去測(cè)熱電偶兩端，若萬(wàn)用表上顯示的電阻值很大，說明熱電偶內(nèi)部連接開路，更換同類型熱電偶。否則有一定阻值，說明儀表輸入端有問題，應(yīng)更換儀表。

　　2）按照儀表接線圖接線正確，若儀表通電后，儀表上排數(shù)碼管顯示有負(fù)值等現(xiàn)象，說明接入儀表的熱電偶“+”與“—”接錯(cuò)而造成的。只要重新調(diào)換一下即可。

　　3）接線正確儀表在運(yùn)行時(shí)，儀表上排數(shù)碼管顯示的溫度與實(shí)際測(cè)量的溫度相差30ºC~60ºC。甚至相差更大，說明儀表的分度號(hào)與熱電偶的分度號(hào)搞錯(cuò)。按熱電偶分度號(hào)B、S、K、E等熱電偶的溫度（ºC）與毫伏（MV）值的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)看，同樣溫度（ºC）的情況下，產(chǎn)生的毫伏值（MV）B分度號(hào)*小，S分度號(hào)次小，K分度號(hào)較大，E分度號(hào)，按照此原理來(lái)判別。


 

原創(chuàng)作者：江蘇三豐儀表科技有限公司