熱電偶測溫儀

熱電偶是利用物理學中的賽貝克效應製成的溫敏感測器。當兩種不同的導體A和B組成閉合迴路時，就構成了一個熱電偶。如圖1.1

溫度T端為感溫部分，稱為熱端；溫度T0為連接儀錶部分，稱為冷端。當熱端溫度T和冷端溫度T0不同時，在迴路中就產生熱電勢EAB（T, T0 ）,這種顯現稱為熱電效應，這個電動勢通常稱為熱電勢。熱電式的大小與T和T0之差（稱為溫差）的大小有關。由熱電偶迴路熱電勢的分佈理論可知，熱電偶的熱電勢僅僅是熱電偶兩端溫度T和T0的函數之差，即：

E(T, T)= E（T）- E（T）式（1.1）

也就是說，熱電偶的熱電勢等於熱端與冷端溫度T和T所引起的電勢差。

實際測溫中，冷端所對應的熱電勢要隨冷端溫度（環境溫度）的變化而變化。要保證冷端溫度恆定是十分困難的，在一定程度上，測量精度取決於冷端溫度的影響。只有當熱電偶冷端溫度保持不變，熱電動勢才是被測溫度的但只函數。標準中規定結點的熱電動勢為0℃時的熱電動勢。

由式（1.1）可知，如果當T=0時可得：

E（T） = E（0）- E(0, T) 式（1.2）

又當T=0時可得：

E（T） = E（T,0）- E(0) 式（1.3）

把式（1.2）和式（1.3）帶入式（1.1）式得：

E（T，0）= E（T,T）+E(T,0) 式（1.4）

在式（1.4）中，E（T，0）是冷端溫度為0℃，熱端溫度為T時的熱電勢，此值就是成品熱電偶給定的分度表值；E（T,T）是熱端溫度為T，冷端溫度為T時的熱電勢，也就是實際測量到的熱電勢值；E(T,0)是假定冷端溫度為0℃，和實際冷端溫度為T時得到的熱電勢，在實測中，用集成測溫感測器AD590測量T，然後從對應熱電偶的分度表中自動查出所對應的熱電勢E(T,0)，這是第一次查表求出的值，也就是冷端溫度補償所對應的熱電勢值。通過單片機把實測到的E（T,T）值與冷端溫度補償E(T,0)值代數相加，就可得到冷端溫度為0℃，熱端溫度為T時的熱電勢E(T,0)值，再從分度表中自動查得對應於E(T,0)的溫度值，這既是第二次查表求出的值，這個值就是熱鍛偶熱端所得的實際溫度。

在實際生產中，熱電偶熱端（測量端）與冷端相距很遠，冷端又暴露於空氣當中，易受環境溫度的影響，因而冷端溫度很難保持恆定。為此需要把冷端延伸並進行溫度補償。

S型熱電偶：鉑銠10-鉑熱電偶 鉑銠10-鉑熱電偶（S型熱電偶）為貴金屬熱電偶。偶絲直徑規定為0.5mm，允許偏差-0.015mm，其正極（SP）的名義化學成分為鉑銠合金，其中含銠為10%，含鉑為90%，負極（SN）為純鉑，故俗稱單鉑銠熱電偶。該熱電偶長期最高使用溫度為1300℃，短期最高使用溫度為1600℃。 S型熱電偶在熱電偶系列中具有準確度最高，穩定性最好，測溫溫區寬，使用壽命長等優點。它的物理，化學性能良好，熱電勢穩定性及在高溫下抗氧化性能好，適用於氧化性和惰性氣氛中。由於S型熱電偶具有優良的綜合性能，符合國際使用溫標的S型熱電偶，長期以來曾作為國際溫標的內插儀器，“ITS-90”雖規定今後不再作為國際溫標的內查儀器，但國際溫度諮詢委員會（CCT）認為S型熱電偶仍可用於近似實現國際溫標。 S型熱電偶不足之處是熱電勢，熱電勢率較小，靈敏讀低，高溫下機械強度下降，對污染非常敏感，貴金屬材料昂貴，因而一次性投資較大。 （R型熱電偶）鉑銠13-鉑熱電偶 鉑銠13-鉑熱電偶

R型熱電偶：為貴金屬熱電偶。偶絲直徑規定為0.5mm，允許偏差-0.015mm，其正極（RP）的名義化學成分為鉑銠合金，其中含銠為13%，含鉑為87%，負極（RN）為純鉑，長期最高使用溫度為1300℃，短期最高使用溫度為1600℃。 R型熱電偶在熱電偶系列中具有準確度最高，穩定性最好，測溫溫區寬，使用壽命長等優點。其物理，化學性能良好，熱電勢穩定性及在高溫下抗氧化性能好，適用於氧化性和惰性氣氛中。由於R型熱電偶的綜合性能與S型熱電偶相當，在我國一直難於推廣，除在進口設備上的測溫有所應用外，國內測溫很少採用。1967年至1971年間，英國NPL，美國NBS和加拿大NRC三大研究機構進行了一項合作研究，其結果表明，R型熱電偶的穩定性和復現性比S型熱電偶均好，我國目前尚未開展這方面的研究。 R型熱電偶不足之處是熱電勢，熱電勢率較小，靈敏讀低，高溫下機械強度下降，對污染非常敏感，貴金屬材料昂貴，因而一次性投資較大。 （B型熱電偶）鉑銠30-鉑銠6熱電偶 鉑銠30-鉑銠6熱電偶

B型熱電偶：為貴金屬熱電偶。偶絲直徑規定為0.5mm，允許偏差-0.015mm，其正極（BP）的名義化學成分為鉑銠合金，其中含銠為30%，含鉑為70%，負極（BN）為鉑銠合金，含銠為量6%，故俗稱雙鉑銠熱電偶。該熱電偶長期最高使用溫度為1600℃，短期最高使用溫度為1800℃。 B型熱電偶在熱電偶系列中具有準確度最高，穩定性最好，測溫溫區寬，使用壽命長，測溫上限高等優點。適用於氧化性和惰性氣氛中，也可短期用於真空中，但不適用於還原性氣氛或含有金屬或非金屬蒸氣氣氛中。B型熱電偶一個明顯的優點是不需用補償導線進行補償，因為在0~50℃範圍內熱電勢小於3μV。 B型熱電偶不足之處是熱電勢，熱電勢率較小，靈敏讀低，高溫下機械強度下降，對污染非常敏感，貴金屬材料昂貴，因而一次性投資較大。

K型熱電偶：鎳鉻-鎳硅熱電偶 鎳鉻-鎳硅熱電偶（K型熱電偶）是目前用量最大的廉金屬熱電偶，其用量為其他熱電偶的總和。正極（KP）的名義化學成分為：Ni：Cr=90：10，負極（KN）的名義化學成分為：Ni：Si=97：3，其使用溫度為-200~1300℃。 K型熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度高，穩定性和均勻性較好，抗氧化性能強，價格便宜等優點，能用於氧化性惰性氣氛中。廣泛為用戶所採用。 K型熱電偶不能直接在高溫下用於硫，還原性或還原，氧化交替的氣氛中和真空中，也不推薦用於弱氧化氣氛中。

N型熱電偶：鎳鉻硅-鎳硅熱電偶 鎳鉻硅-鎳硅熱電偶（N型熱電偶）為廉金屬熱電偶，是一種最新國際標準化的熱電偶，是在70年代初由澳大利亞國防部實驗室研製成功的它克服了K型熱電偶的兩個重要缺點：K型熱電偶在300~500℃間由於鎳鉻合金的晶格短程有序而引起的熱電動勢不穩定；在800℃左右由於鎳鉻合金髮生擇優氧化引起的熱電動勢不穩定。正極（NP）的名義化學成分為：Ni:Cr:Si=84.4:14.2:1.4，負極（NN）的名義化學成分為：Ni:Si:Mg=95.5:4.4:0.1，其使用溫度為-200~1300℃。 N型熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度較高，穩定性和均勻性較好，抗氧化性能強，價格便宜，不受短程有序化影響等優點，其綜合性能優於K型熱電偶，是一種很有發展前途的熱電偶. N型熱電偶不能直接在高溫下用於硫，還原性或還原，氧化交替的氣氛中和真空中，也不推薦用於弱氧化氣氛中。 （E型熱電偶）鎳鉻-銅鎳熱電偶 鎳鉻-銅鎳熱電偶

E型熱電偶：又稱鎳鉻-康銅熱電偶，也是一種廉金屬的熱電偶，正極（EP）為：鎳鉻10合金，化學成分與KP相同，負極（EN）為銅鎳合金，名義化學成分為：55%的銅，45%的鎳以及少量的錳，鈷，鐵等元素。該熱電偶的使用溫度為-200~900℃。 E型熱電偶熱電動勢之大，靈敏度之高屬所有熱電偶之最，宜製成熱電堆，測量微小的溫度變化。對於高濕度氣氛的腐蝕不甚靈敏，宜用於濕度較高的環境。E熱電偶還具有穩定性好，抗氧化性能優於銅-康銅，鐵-康銅熱電偶，價格便宜等優點，能用於氧化性和惰性氣氛中，廣泛為用戶採用。 E型熱電偶不能直接在高溫下用於硫，還原性氣氛中，熱電勢均勻性較差。

J型熱電偶：鐵-銅鎳熱電偶 鐵-銅鎳熱電偶（J型熱電偶）又稱鐵-康銅熱電偶，也是一種價格低廉的廉金屬的熱電偶。它的正極（JP）的名義化學成分為純鐵，負極（JN）為銅鎳合金，常被含糊地稱之為康銅，其名義化學成分為：55%的銅和45%的鎳以及少量卻十分重要的錳，鈷，鐵等元素，儘管它叫康銅，但不同於鎳鉻-康銅和銅-康銅的康銅，故不能用EN和TN來替換。鐵-康銅熱電偶的覆蓋測量溫區為-200~1200℃，但通常使用的溫度範圍為0~750℃ J型熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度較高，穩定性和均勻性較好，價格便宜等優點，廣為用戶所採用。 J型熱電偶可用於真空，氧化，還原和惰性氣氛中，但正極鐵在高溫下氧化較快，故使用溫度受到限制，也不能直接無保護地在高溫下用於硫化氣氛中。

T型熱電偶：銅-銅鎳熱電偶 銅-銅鎳熱電偶（T型熱電偶）又稱銅-康銅熱電偶，也是一種最佳的測量低溫的廉金屬的熱電偶。它的正極（TP）是純銅，負極（TN）為銅鎳合金，常之為康銅，它與鎳鉻-康銅的康銅EN通用，與鐵-康銅的康銅JN不能通用，儘管它們都叫康銅，銅-銅鎳熱電偶的蓋測量溫區為-200~350℃。 T型熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度較高，穩定性和均勻性較好，價格便宜等優點，特別在-200~0℃溫區內使用，穩定性更好，年穩定性可小於±3μV，經低溫檢定可作為二等標準進行低溫量值傳遞。 T型熱電偶的正極銅在高溫下抗氧化性能差，故使用溫度上限受到限制。

市場應用最多、測量範圍最廣的是K型熱電偶。

K型熱電偶概述：

K型熱電偶作為一種溫度感測器，K型熱電偶通常和顯示儀錶，記錄儀錶和電子調節器配套使用。K型熱電偶可以直接測量各種生產中從0℃到1300℃範圍的液體蒸汽和氣體介質以及固體的表面溫度。

K型熱電偶通常由感溫元件、安裝固定裝置和接線盒等主要部件組成。

鎳鉻-偶(K型熱電偶是目前用量最大的廉金屬熱電偶，其用量為其他熱電偶的總和。K型熱電偶絲直徑一般為1.2～4.0mm。

正極(KP)的名義化學成分為：Ni：Cr=92：12，負極(KN)的名義化學成分為：Ni：Si=99：3，能用於氧化性惰性氣氛中廣泛為用戶所採用。

K型熱電偶不能直接在高溫下用於硫，還原性或還原，氧化交替的氣氛中和真空中，也不推薦用於弱氧化氣氛。

K型熱電偶熱響應時間的測量

測量K型熱電偶的熱響應時間實際上是比較複雜的，不同的試驗條件會產生不同的測量結果，這是由於受周圍介質的換熱率影響，換熱率高，則熱響應時間就短。

為了使熱電偶的熱響應時間具有可比性，國家標準規定：熱響應時間應在專用水流試驗裝置上進行。該裝置的水流速度應保持0.4±0.05m/s，初始溫度在5-45℃的範圍內，溫度階躍值為40-50℃。在試驗過程中，水的溫度變化應不大於溫度階躍值的±1%。被試熱電偶的置入深度為150mm或設計的置入深度。

由於熱電偶在室溫附近熱電勢很小，熱響應時間不容易測出，因此國家標準規定可採用同規格的K型熱電偶的熱電極組件替換其自身的熱電極組件，然後進行試驗。

試驗時應記錄熱電偶的輸出變化至相當於溫度階躍變化50%的時間T0.5，必要時可記錄變化10%的熱響應時間T0.1和變化90%的熱響應時間T0.9。所記錄的熱響應時間，應是同一試驗至少三次測試結果的平均值，每次測量結果對於平均值的偏離應在±10%以內。此外，形成溫度階躍變化所需的時間不應超過被測試熱電偶的T0.5的十分之一。記錄儀器或儀錶的響應時間不應超過被試熱電偶的T0.5的十分之一。