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（Thermoelectromotive 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。我们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，我们将这种加工而成的热电偶称为“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。
