内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）
第三章 热电偶简介
3.1 热电偶基本概念与测温原理
3.1.1 热电偶的基本概念
热电偶是一种感温元件，是一次仪表，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。
常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所谓标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准热电偶在使用范围或数量级上均不及标准热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量，这里我们主要介绍标准热电偶。目前国际上规定了以下8种标准热电偶：S型、R型、B型、K型、N型、T型、E型和J型。我国从1988年1月1日起，热电偶全部按国际标准生产，并指定S，B，E， K，R，J，T七种标准热电偶为我国统一设计型热电偶。下面对这8种标准热电偶做一些介绍。
S型热电偶即铂铑10-铂热电偶，它是一种贵金属热电偶。电极线径规定为0.5mm，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，故俗称为单铂铑热电偶。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型热电偶具有准确度高，稳定性好，测温温区宽，使用寿命长等优点。其物理化学性能良好，在高温下抗氧化性能好，适用与氧化和惰性气氛中，使用广泛。S型热电偶的缺点是热点率较小，灵敏度低，高温下机械强度下降，对污染敏感，贵金属材料昂贵，因此一次性投资较大。
R型热电偶即铂铑13-铂热电偶，它是一种贵金属热电偶。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
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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，我国目前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型热电偶即铂铑30-铂铑6热电偶。它是一种贵金属热电偶。偶丝线径规定为0.5mm，其正极(BP)和负极(BN)的名义化学成分均为铂铑合金，只是含量不同，故俗称为双铂铑热电偶，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型热电偶具有准确度高，稳定性好，测温温区宽，使用寿命长等优点，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汽中。它还有一个明显的优点是参比端不需进行冷端补偿，因为在0℃~50℃范围内，热电势小于3μV。B型热电偶缺点是热电率较小，灵敏度低，高温下机械强度下降，抗污染能力差，贵金属材料昂贵。
K型热电偶即镍铬-镍硅热电偶，它是一种能测量较高温度的廉价金属热电偶。由于这种合金具有较好的高温抗氧化性，可适用于氧化性或中性介质中。它可长期测量1000℃的高温，短期可测到1200℃。它不能用于还原性介质中，否则，很快腐蚀，在此情况下只能用于500℃以下的测量。它比S型热电偶要便宜很多，它的重复性很好，产生的热电势大，因而灵敏度很高，而且它的线性很好。虽然其测量精度略低，但完全能满足工业测温要求，所以它是工业上最常用的热电偶。
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N型热电偶即镍铬硅－镍硅镁热电偶，它是一种廉价金属热电偶，热电偶的正极（NP）为名义值13.7％～14.7%的铬和1.2％～1.6%的硅及∠0.01%的镁与镍合金，负极（NN）为名义值4.2％～4.6%的硅和0.5％～1.5%的镁及∠0.02%的铬与镍合金。它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。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[6]。
T型热电偶即铜-康铜热电偶，也是一种最佳的测量低温的廉价金属热电偶。它的正极（TP）是纯铜，负极（TN）为铜镍合金，常称之为康铜，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-康铜热电偶的测量温区为-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，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。
E型热电偶即镍铬-铜镍热电偶又称镍铬-康铜热电偶，也是一种廉价金属热电偶。其正极(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%的镍及少量的钴、锰、铁等元素。该热电偶电动势之大，灵敏度之高属所有标准热电偶之最，宜制成热电偶堆来测量微小温度变化。E型热电偶可用于湿度较大的环境里，具有稳定性好，抗氧化性能高，价格便宜等优点。但不能在高温下用于硫、还原性气氛中。
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J型热电偶即铁-康铜热电偶，它是一种价格低廉的廉价金属的热电偶。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。
热电偶产生测量误差有3个原因：一是在制造时，热电偶材料由于受到外力的作用而产生应力，造成应力分布的不均匀；二是在使用中往往会受到其他化学成分的影响而使得材料成分发生变化；三是使用中产生的误差。后者因与工艺或生产过程有关，这里不再赘述，只讨论前面2个原因。
根据《JJG351-96工业用廉金属热电偶检定规程》规定，新制造或使用中的热电偶必须经检验合格后方可使用。然而，在检定过程中经常会出现一些超出允许误差的检定偏差。出现这种情况是由于热电偶由2个不同的金属导体制成，导体内自由电子的运动产生热电势，它与制作热电偶热电极的材料均匀性有关。若热电极材料不均匀，两热电极又处于温度梯度中，则热电偶回路中就会产生一个附加电势。此附加电势的存在会使热电偶的热电特性发生变化，降低测温的准确性。而造成热电极材料不均匀的主要原因有化学成分和物理状态两方面。
化学成分：(1)热电极表面局部的金属挥发和氧化。(2)热电极中某些元素的选择性氧化。(3)测温气氛、绝缘材料和保护套管材料对热电极的局部玷污和腐蚀等。(4)材料的性质改变。
物理状态：(1)杂质的存在。(2)应力分布的不均匀。实践证明热电偶的热电特性因应
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力的影响而发生变化。在生产过程中，由于塑性形变和退火不均匀、不彻底，往往造成偶丝材料的应力分布不均匀；在安装和使用过程中也会发生偶丝局部形变和加热不均匀而使热电极产生新的应力分布不均匀，从而使热电极沿长度方向出现热电特性不一致的现象，导致热电势发生变化。(3)晶体结构不均匀。热电极的晶粒大小对热电特性有影响。(4)测量端的热扩散[7]。 3.1.2 热电偶的测温原理
热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势—热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。如图3.1所示，把两种不同的导体(或半导体)A和B连接成闭合回路，当两接点1与2的温度不同时，如T >To，则回路中就会产生热电势EAB。导体（T，T0）A和B叫做热电极，两热电极A和B的组合称作热电偶。在两个接点中，接点1是将两电极焊在一起，测温时将它放入被测对象中感受被测温度，故称之为测量端、热端或工作端；接点2处于环境之中，要求温度恒定，故称之为参考端、冷端或自由端。热电偶就是通过测量热电势来实现测温的[8]。
AT12T0B
图3.1热电偶结构图