热电偶

一、简介

热电偶是温度测量仪表中常用的测温元件，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。各种热电偶的外形常因需要而极不相同，但是它们的基本结构却大致相同，通常由热电极、绝缘套保护管和接线盒等主要部分组成，通常和显示仪表、记录仪表及电子调节器配套使用。

在工业生产过程中，温度是需要测量和控制的重要参数之一。在温度测量中，热电偶的应用极为广泛，它具有结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯性小和输出信号便于远传等许多优点。另外，由于热电偶是一种有源传感器，测量时不需外加电源，使用十分方便，所以常被用作测量炉子、管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度。

二、工作原理

1、热电动势由两部分电动势组成，一部分是两种导体的接触电动势，另一部分是单一导体的温差电动势。

2、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(Seebeck effect）。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系，制成热电偶分度表；分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。

3、热电偶冷端补偿计算方法：

（1）从毫伏到温度：测量冷端温度，换算为对应毫伏值，与热电偶的毫伏值相加，换算出温度；

（2）从温度到毫伏：测量出实际温度与冷端温度，分别换算为毫伏值，相减後得出毫伏值，即得温度。

三、测温条件

1、热电偶是一种感温元件，是一种一次仪表，热电偶直接丈量温度。由2种不同成分材质的导体组成的闭合回路，由于材质不同，不同的电子密度产生电子扩散，稳定均衡后就产生 了电势。当两端存在梯度温度时，回路中就会有电流产生，产生热电动势，温度差越大，电流就会越大。测得热电动势之后即可晓得温度值。热电偶实际上是一种能量转换器，可将热能转换成电能。

2、热电偶的技术优势：热电偶测温范围宽，性能比拟稳定；丈量精度高，热电偶与被测对象直接接触，不受中间介质的影响；热响应时间快，热电偶对温度变化反响灵活；丈量范围 大，热电偶从-40~+ 1600℃ 均可连续测温；热电偶性能牢靠， 机械强度好。运用寿命长，装置便当。

3、电偶必需是由两种性质不同但契合一定要求的导体（或半导体）材料构成回路。热电偶丈量端和参考端之间必需有温差。

四、主要特点

1、装配简单，更换方便；

2、压簧式感温元件，抗震性能好；

3、测量精度高；

4、测量范围大（－200℃～1300℃，特殊情况下－270℃～2800℃）；

5、热响应时间快；

6、机械强度高，耐压性能好；

7、耐高温可达2800度；

8、使用寿命长。

五、结构要求

热电偶的结构形式为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下：

1、组成热电偶的两个热电极的焊接须***牢固；

2、两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；

3、补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；

4、保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。

六、工作原理

两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当两个接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。

热电偶实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度，对于热电偶的热电势，应注意如下几个问题：

1、热电偶的热电势是热电偶工作端的两端温度函数的差，而不是热电偶冷端与工作端，两端温度差的函数；

2、热电偶所产生的热电势的大小，当热电偶的材料是均匀时，与热电偶的长度和直径无关，只与热电偶材料的成份和两端的温差有关；

3、当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后，热电偶热电势的大小，只与热电偶的温度差有关；若热电偶冷端的温度保持一定，这进热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，如图所示。当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一个大小的电流。热电偶就是利用这一效应来工作的。

七、安装

在生产中由于被测对象不同，环境条件不同，测量要求不同，和热电阻的安装方法及采取的措施也不同，需要考虑的问题比较多，但原则上可以从测温的准确性、安全性、维修方便三个方面来考虑。

为避免测温元件损坏，应保证其有足够的机械强度，为保护感温元件不受磨损应加保护屏或保护管等，为确保安全、可靠，测温元件的安装方法应视具体情况（如待测介质的温度、压力、测温元件的长度及其安装位置、形式等）而定。下面仅举几例以引起注意：

凡安装承受压力的测温元件，都须***保证其密封性。高温下工作的热电偶，为防止保护管在高温下产生变形，一般应垂直安装，若须***水平安装则不宜过长，并用支架保护热电偶。若测温元件安装于介质流速较大的管道中，则其应倾斜安装。为防止测温元件受到过大的冲蚀，***好安装在管道的弯曲处。当介质压力超过10MPa时，须***在测量元件上加保护外套。热电偶/热电阻的安装部位还应考虑其拆装、维修、校验的足够空间和场地，具有较长保护管的热电偶、热电阻应能方便地拆装。

安装要求：

1、为了使热电偶和热电阻的测量端与被测介质之间有充分的热交换，应合理选择测点位置，尽量避免在阀门，弯头及管道和设备的死角附近装设热电偶或热电阻。

2、带有保护套管的热电偶和热电阻有传热和散热损失，为了减少测量误差，热电偶和热电阻应该有足够的插入深度：

（1）对于测量管道中心流体温度的热电偶，

热电偶（图7）

一般都应将其测量端插入到管道中心处（垂直安装或倾斜安装）.如被测流体的管道直径是200毫米，那热电偶或热电阻插入深度应选择100毫米；

（2）对于高温高压和高速流体的温度测量（如主蒸汽温度），为了减小保护套对流体的阻力和防止保护套在流体作用下发生断裂，可采取保护管浅插方式或采用热套式热电偶，浅插式的热电偶保护套管，其插入主蒸汽管道的深度应不小于75mm；热套式热电偶的标准插入深度为100mm；

（3）假如需要测量是烟道内烟气的温度，尽管烟道直径为4m，热电偶或热电阻插入深度1 m即可；

（4）当测量原件插入深度超过1m时，应尽可能垂直安装，或加装支撑架和保护套管。

正确使用：

1、安装不当引入的误差

如热电偶安装的位置及插入深度不能反映炉膛的真实温度等，换句话说，热电偶不应装在太靠近门和加热的地方，插入的深度至少应为保护管直径的8～10倍；热电偶的保护套管与壁间的间隔未填绝热物质致使炉内热溢出或冷空气侵入，因此热电偶保护管和炉壁孔之间的空隙应用耐火泥或石棉绳等绝热物质堵塞以免冷热空气对流而影响测温的准确性；热电偶冷端太靠近炉体使温度超过100℃；热电偶的安装应尽可能避开强磁场和强电场，所以不应把热电偶和动力电缆线装在同一根导管内以免引入干扰造成误差；热电偶不能安装在被测介质很少流动的区域内，当用热电偶测量管内气体温度时，须***使热电偶逆着流速方向安装，而且充分与气体接触。

2、绝缘变差而引入的误差

如热电偶绝缘了，保护管和拉线板污垢或盐渣过多致使热电偶极间与炉壁间绝缘不良，在高温下更为严重，这不仅会引起热电势的损耗而且还会引入干扰，由此引起的误差有时可达上百度。

3、热惰性引入的误差

由于热电偶的热惰性使仪表的指示值落后于被测温度的变化，在进行快速测量时这种影响尤为突出。所以应尽可能采用热电极较细、保护管直径较小的热电偶。测温环境许可时，甚至可将保护管取去。由于存在测量滞后，用热电偶检测出的温度波动的振幅较炉温波动的振幅小。测量滞后越大，热电偶波动的振幅就越小，与实际炉温的差别也就越大。当用时间常数大的热电偶测温或控温时，仪表显示的温度虽然波动很小，但实际炉温的波动可能很大。为了准确的测量温度，应当选择时间常数小的热电偶。时间常数与传热系数成反比，与热电偶热端的直径、材料的密度及比热成正比，如要减小时间常数，除增加传热系数以外，***有效的办法是尽量减小热端的尺寸。使用中，通常采用导热性能好的材料，管壁薄、内径小的保护套管。在较精密的温度测量中，使用无保护套管的裸丝热电偶，但热电偶容易损坏，应及时校正及更换。

4、热阻误差

高温时，如保护管上有一层煤灰，尘埃附在上面，则热阻增加，阻碍热的传导，这时温度示值比被测温度的真值低。因此，应保持热电偶保护管外部的清洁，以减小误差。

常见故障分析及处理：

八、主要优点

1、测量精度高。因直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。

2、测量范围广。常用的热电偶从零下50度——1600度均可连续测量，某些特殊热电偶***低可测到-269度（如金铁镍铬），***高可达2800度（如钨、铼）。

3、构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。

选择热电偶选择热电偶时需考虑下列因素：

1、被测温度范围；

2、所需响应时间；

3、连接点类型；

4、热电偶或护套材料的抗化学腐蚀能力；

5、抗磨损或抗振动能力；

6、安装及限制要求等。