1.1 熱電偶工作原理
用熱電偶測(cè)溫是基于1821年西貝克（T.J.Seebeck）發(fā)現(xiàn)的熱電效應(yīng)，1826年貝克雷爾（A.C.Becquerel）*個(gè)根據(jù)熱電效應(yīng)來(lái)測(cè)量溫度。將兩種不同的均質(zhì)導(dǎo)體（或叫熱電極也叫偶絲）焊接在一起，另一端連接電流計(jì)構(gòu)成閉合回路，當(dāng)焊接端(或叫測(cè)量端)與電流計(jì)端（或叫參比端）溫度不一致時(shí)，回路中就會(huì)有電流通過(guò)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為西貝克效應(yīng)，又稱(chēng)熱電效應(yīng)。熱電特性是物質(zhì)具有的一種普遍特性，熱電偶是應(yīng)用的測(cè)溫儀表。熱電偶回路中的熱電動(dòng)勢(shì)由溫差電勢(shì)和接觸電勢(shì)兩部分組成。
實(shí)驗(yàn)與計(jì)算表明，熱電偶回路中的總熱電動(dòng)勢(shì)EAB（t，to）可以用下面的數(shù)學(xué)表達(dá)式得出：
式中k、e為常數(shù)，Na和Nb分別是A、B熱電極的電子密度，由熱電極本身的化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)決定，與環(huán)境條件和外形尺寸無(wú)關(guān)。在A、B電極確定的情況下，如將參比端溫度保持恒定(一般為0℃或室溫)，那么回路中的熱電動(dòng)熱大小就只與測(cè)量端溫度相關(guān)了。這種以測(cè)量熱電動(dòng)熱的方法來(lái)測(cè)量溫度的一對(duì)金屬導(dǎo)體，稱(chēng)為熱電偶。
1.2 熱電偶的結(jié)構(gòu)
熱電偶的結(jié)構(gòu)可以用“兩端五部”來(lái)概括。
從熱電偶的測(cè)溫原理可知，構(gòu)成zui基本的熱電偶除了兩根熱電極材料外，還必須在熱電極的兩端按照要求作成測(cè)量端和參比端，俗稱(chēng)“熱端”和“冷端”，這就是所謂的“兩端”。根據(jù)熱電偶的不同用途和附加結(jié)構(gòu)，熱端有絕緣型、多支分離絕緣型、接殼型、露頭型四種形式，冷端有密封和非密封兩種形式。
熱電偶一般由五部分構(gòu)成，兩根熱電極（或叫偶絲）是構(gòu)成熱電偶的核心部分（*部分測(cè)溫元件），其它部分都是圍繞它展開(kāi)；為了保證回路中熱電動(dòng)勢(shì)不損失以準(zhǔn)確傳遞被測(cè)溫度信號(hào)，必須用絕緣材料使兩熱電極除兩端點(diǎn)之外的其余部分之間，及其與外界之間有可靠的絕緣（第二部分絕緣材料）；為了保護(hù)絕緣材料和偶絲，延長(zhǎng)熱電偶的使用壽命，一般還設(shè)計(jì)有保護(hù)套管（第三部分保護(hù)管）；為了安裝接線使用方便，同時(shí)適應(yīng)各種使用場(chǎng)合，一般還設(shè)計(jì)有第四部分接線裝置和第五部分安裝固定裝置。這些就是所謂的“五部”。根據(jù)不同用途，能夠測(cè)溫的zui基本的熱電偶（即熱電偶芯），沒(méi)有保護(hù)管和安裝固定裝置。
1.3 熱電偶的分類(lèi)
熱電偶按照制造方法和結(jié)構(gòu)分類(lèi)，可分為裝配熱電偶、鎧裝熱電偶兩個(gè)基本大類(lèi)；隨著工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，綜合了裝配熱電偶和鎧裝熱電偶的優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合鎧裝熱電偶具有很好的性?xún)r(jià)比，有很大的市場(chǎng)推廣潛力。按照熱電偶的熱電特性分類(lèi)，有10個(gè)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化的分度號(hào)和其它很多具有專(zhuān)門(mén)用途的非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶；按照每支產(chǎn)品中所含熱電偶的對(duì)數(shù)分類(lèi)，有單支、雙支、三支、多支熱電偶；按照熱電偶電極（或叫偶絲）的資源狀況分類(lèi)，有貴金屬熱電偶和廉金屬熱電偶兩種；根據(jù)用途來(lái)分類(lèi)的就比較多了，比如真空熱電偶、高溫耐蝕熱電偶，還有將正負(fù)極偶絲分別鎧裝加工自由配對(duì)的“單芯鎧裝熱電偶”等等。在熱電偶產(chǎn)品的名稱(chēng)中，一般同時(shí)含有結(jié)構(gòu)特征、分度號(hào)、數(shù)量等多種分類(lèi)含義，比如雙支式鎧裝K型熱電偶、單支變徑式E型熱電偶等等。
1.4 關(guān)于鎧裝熱電偶與裝配熱電偶
裝配熱電偶顧名思義是指構(gòu)成熱電偶的zui基本的三個(gè)部分（簡(jiǎn)稱(chēng)”基體部分”，包括測(cè)溫元件、絕緣材料、保護(hù)管）是通過(guò)組裝而成、可以通過(guò)拆卸而分的。鎧裝熱電偶的基體部分（稱(chēng)為鎧裝熱電偶材料或“偶材”或“鎧材”或“鎧裝熱電偶電纜”）是不可拆卸的，它是由熱電偶絲穿入絕緣氧化鎂型材中，再一同穿入金屬保護(hù)管中，經(jīng)過(guò)多次拉拔縮徑退火而形成的一個(gè)堅(jiān)實(shí)整體。
將鎧裝熱電偶材料下料成需要的長(zhǎng)度，再制作冷熱兩端并附加需要的安裝固定裝置就形成了鎧裝熱電偶。鎧裝熱電偶是在裝配熱電偶的基礎(chǔ)上采用新的工藝技術(shù)制造而發(fā)展起來(lái)的第二代通用型熱電偶，相對(duì)于裝配熱電偶具有直徑小、密封性好、易彎曲、熱響應(yīng)時(shí)間快、可靠性高、成本低、適合批量生產(chǎn)、安裝使用方便等特點(diǎn)。
鎧裝熱電偶在絕大多數(shù)的場(chǎng)合都可以代替裝配熱電偶使用，只是由于人們的使用習(xí)慣和接受觀念不同，一些場(chǎng)合還在繼續(xù)使用裝配熱電偶。近年來(lái)越來(lái)越多的廠家采用鎧裝熱電偶作為裝配熱電偶的芯子來(lái)改造傳統(tǒng)的裝配熱電偶。隨著技術(shù)的發(fā)展裝配熱電偶會(huì)被逐漸淘汰。
鎧裝熱電偶與裝配熱電偶是兩種zui基本的結(jié)構(gòu)類(lèi)型，在此基礎(chǔ)上根據(jù)具體的使用環(huán)境發(fā)展了很多特殊的熱電偶。復(fù)合鎧裝熱電偶和單芯鎧裝熱電偶是在鎧裝熱電偶的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同用途以及綜合裝配偶和鎧裝偶的優(yōu)點(diǎn)，采用新技術(shù)新材料由大正儀表公司研制的新產(chǎn)品，開(kāi)創(chuàng)了第三代通用型熱電偶，性?xún)r(jià)比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通裝配或鎧裝熱電偶。
1.5 熱電偶的特點(diǎn)
熱電偶是使用zui廣泛、使用量zui大的測(cè)溫儀表，它以其測(cè)溫范圍寬、準(zhǔn)確度高、使用方便、使用壽命長(zhǎng)、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于化工、冶金、電力、機(jī)械、建材等各行各業(yè)中，在一定的溫度范圍內(nèi)對(duì)氣體(如烘箱)，液體(如油槽)、固體(如金屬模具)等的溫度進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)?？偨Y(jié)其使用特點(diǎn)如下：
1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，安裝使用方便，價(jià)格便宜。
2）將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電勢(shì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，能滿足遠(yuǎn)距離測(cè)量和控制的要求。
3）測(cè)溫范圍寬（-200—2300℃）。
4）直接測(cè)溫準(zhǔn)確度高（測(cè)量準(zhǔn)確度可達(dá)0.2℃）。
5）惰性小，測(cè)量響應(yīng)時(shí)間快。
6）能適應(yīng)各種測(cè)量對(duì)象的要求，如點(diǎn)溫和面溫的測(cè)量。
7）要求保持參比端溫度恒定。
8）要求用補(bǔ)償導(dǎo)線連接熱電偶與顯示控制儀表
9）容易受介質(zhì)的影響或腐蝕，使用壽命有限。
1.6 熱電偶的在測(cè)溫系統(tǒng)中的作用
熱電偶將感應(yīng)到的溫度信號(hào)根據(jù)熱電效應(yīng)轉(zhuǎn)變成毫伏信號(hào)，再經(jīng)補(bǔ)償導(dǎo)線傳送到溫度顯示(控制)儀表，經(jīng)過(guò)顯示儀表的轉(zhuǎn)換電路將熱電偶感應(yīng)到的溫度毫伏信號(hào)以攝氏度的形式直觀地顯示出來(lái)，而不是顯示毫伏值，所以熱電偶阻又叫溫度傳感器或一次測(cè)溫儀表。為了將溫度信號(hào)引入高一級(jí)的控制系統(tǒng)，有時(shí)在使用過(guò)程中還需將毫伏信號(hào)轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)（即溫度變送器），以適應(yīng)多臺(tái)表共用一個(gè)信號(hào)和實(shí)現(xiàn)各種控制目的。
經(jīng)過(guò)170多年的發(fā)展，熱電偶測(cè)溫技術(shù)已相當(dāng)成熟。從技術(shù)上分析，熱電偶可以解決所有的直接測(cè)溫問(wèn)題，只是用在2000℃左右的高溫測(cè)試中因?yàn)槌杀咎叨婚g接測(cè)溫儀表部分代替，用在0—600℃范圍內(nèi)因?yàn)榫嚷缘投粺犭娮璨糠执妫€有在0—600℃范圍內(nèi)要求現(xiàn)場(chǎng)顯示同時(shí)不需供電和遠(yuǎn)傳的場(chǎng)合用雙金屬溫度計(jì)和壓力式溫度計(jì)以及玻璃溫度計(jì)部分代替。
1.7 熱電偶的測(cè)溫精度
1.7.1 允許偏差
允許偏差又稱(chēng)“允差”或“測(cè)溫精度”，指具體一支熱電偶的熱電特性與該類(lèi)熱電偶的標(biāo)準(zhǔn)分度表的符合程度。從理論上講沒(méi)有材質(zhì)、組織結(jié)構(gòu)、加工狀態(tài)*相同的兩支熱電偶，所以任何一支熱電偶都與標(biāo)準(zhǔn)分度表有偏差，任何一支熱電偶的兩次測(cè)試結(jié)果也不一致，都只能在一定程度上符合標(biāo)準(zhǔn)分度表。根據(jù)符合程度或偏差的大小把熱電偶分為三級(jí)，下表給出的兩種計(jì)算方法，取計(jì)算結(jié)果較大的一種作為允許偏差的標(biāo)準(zhǔn)值。如K型Ⅱ級(jí)精度300℃的允差為±2.5℃而不是±2.25℃（300x0.75%=2.25）。
1.7.2 穩(wěn)定性
穩(wěn)定性指熱電偶隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)其熱電特性的變化程度，是反映熱電偶使用壽命的重要指標(biāo)，是一項(xiàng)破壞性試驗(yàn)要求，只在產(chǎn)品型式試驗(yàn)時(shí)才做。具體規(guī)定為：在熱電偶的長(zhǎng)期使用的上限溫度維持250小時(shí)后，熱電動(dòng)勢(shì)的變化量不超過(guò)測(cè)量精度全部偏差量的50%。如N型Ⅱ級(jí)精度的穩(wěn)定性要求指標(biāo)為：在1200℃維持250小時(shí)后，該熱電偶試驗(yàn)前后熱電勢(shì)的變化量應(yīng)小于9℃（1200x0.75%）。
未注單位：℃
性能 分度號(hào) | 允許偏差 | 穩(wěn)定性 |
Ⅰ | Ⅱ | Ⅲ | Ⅰ | Ⅱ |
K | ±1.5 或0.4% t | ±2.5 或0.75% t | ±2.5 或1.5% t （-200~ -40） | 在長(zhǎng)期使用的上限溫度維持250h后的變化量≤0.4%t | 在長(zhǎng)期使用的上限溫度維持250h后的變化量≤0.75%t |
N |
E |
J |
T | ±0.5 或0.4%t | ±1.0 或0.75%t | ±1.0 或1.5%t | ≤1.4 350℃/250h | ≤2.6 350℃/250h |
S | ±1或 ±(1+（t-1100）x0.3%) | ±1.5 或0.25%t | 無(wú) | ≤1.9 1400/℃250h | ≤3.5 1400℃/250h |
R |
B | 無(wú) | ±0.25% t | ±4或0.5%t | ≤4.25 1700℃/250h | ≤8.5 1700℃/250h |
W3/25 | 無(wú) | ±4或1.0%t | 無(wú) | 無(wú) | ≤21 2100℃/250h |
W5/26 |
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