热电偶的基础知识
下面介绍热电偶的基础知识、选择方法、使用时的要点。
何谓热电偶
所谓热电偶，是指由两种不同材质的金属导体构成的温度传感器。
与其他温度计（水银温度计、热敏电阻等）相比较，主要用于工业行业的热电偶具有如下特点。
- 响应速度快。
- 可进行-200℃到+1700℃之间大范围的温度采集。
- 可对特定点和小空间进行温度采集。
- 由于温度信息可检测为电信号（热电动势），信息的处理和分析非常便利。
- 价格低廉，易购买。
热电偶的原理
1821年德国科学家塞贝克（T. J. Seebeck）发现：当连接两种不同金属，并对两端的接点施加不同温度时，金属之间会产生电压并有电流通过。
这一现象以发现者的名字命名为“塞贝克效应”。该电路中生成电流的电力被称为热电动势（Thꩵermoelectromotive force），其极性和大小仅由两种导体的材质和两端之间的温度差决定。
利用前面所说的塞贝克效应，热电偶凭借两种不同金属的接合处（测温接点）T1与采集仪接点（基准接点）T0之间的温度差T，从而产生电压。
使用热电偶采集温度时，采集仪会采集该电压。
采集仪的采集方法有以下两种。
- 将基准接点设为0°C（冷接点补偿）直接读取温度的方法
- 采集基准接点的气温（基准接点补偿）计入温度差ΔT的方法
采集时，将冷接点维持在0℃非常困难。通过采集端子周围的温度，将其与以0℃为基准的热电动势相加，可以获🅷得测温接点的温度。凯发K8国际一触即发称之为基准接点补偿。
热电偶的感温部位位于何处？
图为将热电偶插入装有热液体的杯中的示意图。
假设液体内温度为均匀100°C（无温度梯度）。
此时，液体内的热电偶部分不会产生热电动势。热电动势只产生于存在温度梯度的部分。
由于热电偶的感温部位会产生热电动势，因此该温度梯度部位即为热电偶的感温部位。
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热电偶的选择方法
根据采集温度选择
热电偶按照两种金属导体的组合方式可分为以下8大种类。
| 种类 的符号 |
使用材料 | 采集范围 | |
|---|---|---|---|
| +极 | -极 | ||
| B | 含铑为30%的 铂铑合金 |
含铑为6%的 铂铑合金 |
+600到+1700°C |
| R | 含铑为13%的 铂铑合金 |
铂 | 0到+1100°C |
| S | 含铑为10%的 铂铑合金 |
铂 | +600到+1600°C |
| N | 以镍、铬和 硅为主的合金 |
以镍和硅 为主的合金 |
-200到+1200°C |
| K | 以镍和铬 为主的合金 |
以镍和铝 为主的合金 |
-200到+1200°C |
| E | 以镍和铬 为主的合金 |
以铜和镍 为主的合金 |
-200到+900°C |
| J | 铁 | 以铜和镍 为主的合金 |
-40到+750°C |
| T | 铜 | 以铜和镍 为主的合金 |
-200到+350°C |
B/R/S热电偶被称为贵金属热电偶，而N/K/E/J/T热电偶被称为廉金属热电偶。
含有铂、铑等熔点较高金属的贵金属热电偶被用来采集+1000°C以上的温度，而廉金属热电偶则常用于采集低于+1000°C的温度。
下面描述了各类热电偶的特点。
| B热电偶 | 由于相较其他贵金属热电偶，其铑含量更高，所以熔点和机械强度有所增加，使用寿命长。电动势极低，无法采集低温区域。主要用于采集R/S热电偶无法采集的温度更高的区域。 |
|---|---|
| R/S热电偶 | 它也用于对耐久性有一定要求的高温区域。贵金属热电偶中R热电偶的使用率超高。 |
| N热电偶 | 价格低廉，用于采集+1000℃以上的高温区域。 |
| K热电偶 | 相较于贵金属热电偶，其价格低廉，现在工业用途中较为常见到它的身影。由于其电动势的直线性良好，具有较高的耐热和耐腐蚀性，因此可优先考虑使用K热电偶。 |
| E热电偶 | 每1℃的电动势极大，是分辨率良好的类型。特别用于对温度进行精确采集。 |
| J热电偶 | 是次于E热电偶的类型，其每1℃的电动势较大，分辨率优良。价格低于E热电偶也是其一大特点。 |
| T热电偶 | 是低温区域（-200到+300℃）下的电动势特性优秀的类型。用于精确采集低温区域。 |
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根据环境性和响应性选择
为了使热电偶引线在氧化和腐蚀环境下具有耐久性，通常将其与外界空气隔绝。
为了与外界空气隔绝，会在金属套管和一对热电偶引线之间充填和封入粉末状的无机绝缘🔜物质，凯发K8国际一触即发将这种加工而成的热电偶ꦑ称为“铠装热电偶”。
铠装热电偶的特点
- 较大的机械强度使其具有优良的弯曲性和耐冲击性
- 良好的耐腐蚀性和耐压性
凭借这些特点，自十多年前投入到实际应用中以来，铠装热电偶的使用变得越来越广泛。
铠装热电偶的测温接点
根据使用用途选择合适的接点类型。
- 接地式
- 这种热电偶将热电偶引线直接焊接在套管前端，构成测温接点。其特点是响应快。由于引线与套管导通，不能使用于存在噪音或危险的场所。
- 非接地式
- 这种热电偶的热电偶引线与套管充分绝缘，构成测温接点。其响应性不及接地式，但可长时间使用，此外也可用于存在噪音或危险的场所而不受各种影响。
- 露端式
- 这种热电偶的热电偶引线从套管中露出，构成测温接点。其响应性在三种类型中有优势，可对细微的温度变化作出反应。它可用于诸如发动机测试等对快速响应性有一定要求的场合。但是，强度很低，基本上只作为一次性使用。
使用热电偶时的要点
何谓补偿导线
所谓补偿导线，是指用于连接热电偶与温度采集仪之间的导线。
在使用温度范围（0℃到+60℃）内具有与热电偶几乎相同的热电动势，因此它主要用于延长热电偶。
为何延长热电偶必须使用补偿导线？
出于对下图所示温度梯度的考虑。
由于感温部位存在温度梯度，补偿导线上也会🍸产生与该温度差相当的热电动势。采集仪运算产生的热电动势的合计值，并显示为温𝓡度。
如果按上🐻图所示不使用补偿导线而使用铜导线，那么即使存在温度梯度的部分也不会产生热电动势。由此导致温度的采集结果产生误差。
如果不存在温度梯度，是否可以使用铜导线？
实际不存在温度梯度时不会产生热电动势。因此，对于那些不会产生热电ꦐ动势等不存在温度梯度🌃的延长部分，可以使用铜导线。
热电偶与补偿导线的连接
连接部位不存在温度梯度时，使用普通端子台连接热电偶与补偿导线不会有问题。假使连🦄接部位产生温度差异，则无法进行正确采集。此时，应使用与所用热电偶具有相𒈔同热电动势特性的专用连接器。
热电偶的最大延长
🐼热电偶本身延长至1 km以上也可以使用。但是，采集仪上一般都规定了可配线的最大输入信号电阻值和“输入信号电阻”。需要注意的是，如果热电偶的总电阻值超出该值，则无法实现正𝔉确采集。
热电偶校正
定点法和比较法
所谓热电偶校正，是指决定所用热电偶显示的值与实际温🐠度之间关系的一项操作。校正通常每半年进行1次。校正方法大致ౠ可分为定点法和比较法。
定点法
所谓定点法，是指使用温度定点给出正确温度值，然后进行校正的方法。
如图所示采集定点温度后进行校正。
由于温度定点为物质的相平衡状态，不同时间复现温度也恒定不变。
| 定点 | 温度 |
|---|---|
| 氮的沸点 | -195.798°C |
| 氧的沸点 | -182.954°C |
| 冰点 | 0°C |
| 水的沸点 | 99.974°C |
| 水的三相点 | 0.01°C |
| 锡的凝固点 | 231.928°C |
| 锌的凝固点 | 419.527°C |
| 铝的凝固点 | 660.323°C |
| 银的凝固点 | 961.78°C |
| 金的凝固点 | 1064.18°C |
| 铂的凝固点 | 1768°C |
何谓水的三相点（0.01°C）
所谓水的三相点，是指液体、气体、固体这三种形态共存的温度，通常可以在被称为水三相点槽的玻璃制槽中实现。
能够以±0.001°C的良好精度获取，因此常用于定点法。
比较法
所谓比较法，是指利用标准热电偶采集随意规定♛的恒温槽温度，同时获得它与已测被校正热电偶之间的误差后进行校🦋正的一种方法。
相较于定点法，其精度下降，可使用各种温度进行校正是其特点所在。
热电偶的使用寿命
热电偶也具有使用寿命。虽然其使用温度和环境千差万别，但一般来说，如果在常用温度以下的氧化环境中使用，贵金属热电偶使用寿命约为2000小时，廉金属热电偶的使用寿命约为10000小时。如果在上限温度下使用，则它的使用寿命会大幅缩短，约为50到250小时。当热电偶接近使用寿命时，它将无法显示正常温度，最终会断线。为了进行正🐻确采集，请定期对热电偶进行维护和更换。
热电偶采集故障排除
使用热电偶采集温度时，有时会无法获得正确的采集值。下面汇总了热电偶采集时容易发生的故障案例。
右侧是进行正常🐠热电偶采集的状态。按照总体的热电动势为1.00 mV + 3.00 mV + 10.00 mV = 14.00 mV，采集值为100°C。
（以热电动势的各数值作为参考值）
热电偶与补偿导线的极性相异
如果弄错热电偶与补偿导线的极性，则无法正确采集。
总体的热电动势变为-6.00 mV，采集仪上显示错误温度。
补偿导线使用了铜导线等
存在温度梯度时，如果使用铜导线等替代补偿导线，则无法正确采集。
总体的热电动势变为11.00 mV，采集仪上显示错误温度。
使用了不同种类的热电偶和补偿导线
如果使用与采集仪不同种类的热电偶与补偿导线，则无法正确采集。
总体的热电动势变为7.50 mV，采集仪上显示错误温度。
