热电偶的基本知识
介绍热电偶的基本原理、选用方法和使用要点。
热电偶是什么?
热电偶是由两种不同类型的金属导体组成的温度传感器。
热电偶，主要用于工业应用，与其他温度计(如水银温度计和热敏电阻)相比，有以下特点。
- 快速反应
- 能够测量-200°C和+1700°C(-328°F和+3092°F)之间的广泛温度范围
- 能测量某一特定点或小空间的温度的
- 由于检测到作为电信号的温度信息（热电电动力），简单的信息处理和分析
- 价格低廉，易于可用性
热电偶的原则
1821年，德国科学家托马斯·约翰·塞贝克(Thomas Johann Seebeck)发现，当两种不同的金属连接在一起，并在两个结上施加温差时，这些金属之间就会产生电压和电流。
这种现象被命名为它发现的“塞贝克效应”。产生电路中电流的电力称为热电电，并且已经证实其极性和幅度仅由两种类型的导体的材料和两端之间的温差确定。
利用塞贝克效应(上文解释过)，热电偶根据两种金属结(测温结)T1和仪表侧结(参考结)T0之间的温差T产生电压。
温度测量使用热电偶与仪器测量这种电压。
使用仪器的测量方法分为以下两种类型。
- 直接读取温度，参考结保持在0°C（32°F）（冷结补偿）
- 测量参考结的温度(参考结补偿)，并将其加入温差ΔT
在测量过程中，很难将冷结保持在0°C(32°F)。相反，测温结的温度可以通过测量末端周围的温度，并添加一个0°C(32°F)的温差电动势作为参考来获得。这就是所谓的参考结补偿。
热电偶的传感器部分在哪里?
图中显示的是把热电偶放入一杯热液体中的图像。
假定液体的均匀温度为100°C(212°F)(无温度梯度)。
在这个时候,在液体中的热电偶部分不产生温差电动势．只有在有温度梯度的地方才会产生温差电动势。
由于热电偶的传感器部分是产生温差电动势的地方，具有温度梯度的这一部分是传感器部分。
- 你应该知道的信息还有热电偶
- 点击此处获取温度记录器的基本知识。
如何选择热电偶
根据测量温度选择
根据两种金属导体的组合，有以下八种类型的热电偶。
| 类型 象征 |
组成材料 | 测量范围 | |
|---|---|---|---|
| +电极 | - 电极 | ||
| B | 铂铑合金应承担的 含有30%铑 |
铂铑合金应承担的 含有6%铑 |
+600 to +1700°C (+1112 to +3092°F) |
| R | 铂铑合金应承担的 含有13%铑 |
铂 | 0 to +1100°C (32 to +2012°F) |
| 年代 | 铂铑合金应承担的 含有10%铑 |
铂 | +600 to +1600°C (+1112 to +2912°F) |
| N | 合金主要由 镍，铬和硅 |
合金主要由 镍和硅 |
-200 to +1200°C (-328 to +2192°F) |
| K | 合金主要由 镍和铬 |
合金主要由 镍和铝 |
-200 to +1200°C (-328 to +2192°F) |
| E | 合金主要由 镍和铬 |
合金主要由 铜和镍 |
-200 to +900°C (-328 to +1652°F) |
| J | 铁 | 合金主要由 铜和镍 |
-40 to +750°C (-40 to +1382°F) |
| T | 铜 | 合金主要由 铜和镍 |
-200 to +350°C (-328 to +662°F) |
B、R、S热电偶称为贵金属热电偶，N、K、E、J、T热电偶称为贱金属热电偶。
贵金属热电偶——包含有高熔点的金属，如铂和铑——通常用于测量+1000°C(+1832°F)或更高的温度，而母材热电偶通常用于测量+1000°C(+1832°F)以下的温度。
下表列出了每种热电偶的特性。
| B热电偶 | 与其他贵金属热电偶相比，由于铑的含量较高，具有较高的熔点，机械强度和长寿命。这些热电偶具有极低的电动势，并且不能测量低温范围。基本上，选择这些热电偶测量不能使用R或S热电偶测量的进一步更高的温度范围。 |
|---|---|
| R和S热电偶 | 当在高温范围内需要耐久性时选择。在所有贵金属热电偶中，R热电偶是最常用的热电偶。 |
| N热电偶 | 当您想要以低成本测量+1000°C(+1832°F)或更高的高温范围时，请选择这些热电偶。 |
| K热电偶 | 与贵金属热电偶相比，热电偶的价格较低，目前被广泛应用于工业领域。首先，考虑使用K热电偶，因为它们在电动势方面有良好的线性，也提供高耐热性和耐腐蚀性。 |
| E热电偶 | 具有极高的电动势每1°C(1.8°F)和卓越的分辨率。选择这些热电偶时，你想要测量的温度特别高的精度。 |
| J热电偶 | 具有第二高电动势每1°C(1.8°F) (E热电偶之后)和优秀的分辨率以及。另一个特点是价格比E热电偶低。 |
| T热电偶 | 在低温范围内（-200至+ 300°C / -328至572°F），在低温范围内具有良好的电动力特性。当您想要测量高精度的低温范围时，请选择这些热电偶。 |
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选择基于环境友好性和响应性
热电偶的芯纤维通常屏蔽外部空气，以确保腐蚀性环境中的耐氧化和耐用性。
在其金属护套和一对热电偶芯纤维之间的区域填充了粉状无机绝缘材料的热电偶称为“护套型热电偶”。
套式热电偶的特点
- 机械强度高，具有优异的抗弯性能和抗冲击性能
- 优良的耐腐蚀性和耐压性
由于上述特点，这些热电偶自投入实际使用十多年以来，使用范围逐渐扩大。
套式热电偶的测温结
根据您的应用选择理想的结型。
- 接地
- 一种铠装型热电偶，其测量结是通过将其芯纤维直接焊接到铠装尖端而形成的。这种类型的特点是快速响应，但不能用于嘈杂或危险的位置，因为核心光纤接地到护套。
- 非接地
- 一种铠装型热电偶，其测量结是用其芯纤维与铠装绝缘的。虽然它的响应性比接地型低，但这种类型可以忍受长时间的使用，甚至可以在噪音或危险的地方使用而不受影响。
- 暴露
- 一种铠装型热电偶，其测量结是用其芯纤维暴露在铠装外。在三种类型中，这种类型的响应性最高，即使是轻微的温度变化也能跟上。这种类型用于需要快速响应的情况，如在发动机测试期间，但由于其强度极低，使用后基本上被丢弃。
使用热电偶的关键点
什么是补偿铅线？
补偿导线是指用于连接热电偶和温度测量仪器的导线。
由于它们在工作温度范围(0°C至+60°C/32°F至+140°F)内具有与热电偶几乎相同的热电动势特性，因此它们主要用于热电偶的扩展。
为什么必须用补偿导线来延伸热电偶?
假设温度梯度如下。
由于温度传感部分具有温度梯度，因此补偿引线上也产生与该温差相对应的温差电动势。该仪器计算出所产生的热电动势的总和，并将结果显示为温度。
如果用铜引线代替补偿引线，如上所示，即使在有温度梯度的截面上也不会产生温差电动势。温度测量结果出现错误。
如果没有温度梯度，可以用铜引线吗?
在实际没有温度梯度的情况下，也不会产生热电动势。因此，在不产生温差电动势的情况下，可以用铜导线来延伸没有温度梯度的截面。
热电偶与补偿导线之间的连接
对于热电偶和补偿引线之间的连接，可以在没有任何问题的情况下使用通用接线块而在连接部分中没有温度梯度的情况下没有任何问题。然而，如果发生温差，则不可能执行精确的测量。在这种情况下，使用具有热电电力特性的专用连接器，其等同于相关热电偶的特性。
热电偶的最大延伸
热电偶甚至可以在扩展1公里或更多后使用。然而，仪器通常有一个特定的“输入信号电阻”，即可以接线的输入信号的最大电阻。请注意，如果热电偶的总电阻值超过这个值，则不可能进行精确的测量。
校准热电偶
定点法和比较法
热电偶校准是指确定所使用热电偶指示值与真实温度之间的关系的操作。一般来说，每半年进行一次校正。标定方法主要分为不动点法和比较法。
不动点方法
固定点方法是校准方法，其中在温度固定点处给出精确的温度值。
如图所示，测量固定点的温度，进行校准。
当温度不动点处于物质的相平衡状态时，总能再现出特定的温度。
| 不动点 | 温度 |
|---|---|
| 氮气沸点 | -195.798°C(-320.436°F) |
| 氧气沸点 | -182.954°C(-297.317°F) |
| 冰点 | 0°C(32°F) |
| 水的沸点 | 99.974°C（211.953°F） |
| 水的三相点 | 0.01°C(32.018°F) |
| 锡冰点 | 231.928°C(449.470°F) |
| 锌冰点 | 419.527°C(787.148°F) |
| 铝冰点 | 660.323°C(1220.581°F) |
| 银冻点 | 961.78°C(1763.204°F) |
| 黄金冰点 | 1064.18°C（1947.524°F） |
| 铂冰点 | 1768°C(3214.4°F) |
水的三相点(0.01°C)(32.018°F)是多少?
水的三相温度是气体、液体和固体共存时的温度，通常是通过一种叫做水的三相电池来实现的。
这一点通常用于固定点法，因为它提供±0.001°C（±0.0018°F）的最佳精度。
比较法
比较法是用标准热电偶对恒温槽任意设定的温度进行测量，得到与被校准热电偶同时测量的误差的一种校准方法。
虽然精度低于定点方法，但该方法允许在可选温度下进行校准。
热电偶使用寿命
热电偶也有自己的使用寿命。虽然它很大程度上取决于操作温度和气氛，贵金属热电偶将持续约2000小时，母材热电偶将持续约10,000小时在正常温度或低于氧化气氛。在高温极限下，使用寿命将显著缩短至大约50至250小时。由于热电偶的使用寿命即将结束，它不再显示适当的温度，最终将断开。为确保测量准确，一定要定期维护和更换热电偶。
使用热电偶测量的故障排除
有时，使用热电偶进行的温度测量可能不能给出准确的值。下面对热电偶测量中发现的典型问题进行了总结。
右图显示的是使用热电偶进行的正确测量。总温差电动势为1.00 mV + 3.00 mV + 10.00 mV = 14.00 mV，测量值为100°C(212°F)。
（每个热电电力值仅供参考。）
热电偶和补偿引线极性错误
不正确的热电偶和补偿导线的极性使测量不准确。
不正确的极性导致总热电电力-6.00 mV，从而使仪器显示出错误的温度。
用铜线或其他引线代替补偿引线
在存在温度梯度的情况下，使用由铜或类似材料制成的引线，而不是使用补偿引线，防止精确测量。
这种引线的结果导致总温差电动势为11.00 mV，从而使仪器显示错误的温度。
采用不同类型的热电偶和补偿引线
由于热电偶和补偿导线的类型与仪器的不同，因此无法进行准确的测量。
这些不匹配类型的使用导致总热电动力为7.50 mV，从而导致仪器显示出错误的温度。
