第一章 熱電偶的基礎知識

1、什么是熱電偶

所謂熱電偶是指由兩種不同材質(zhì)的金屬導體構成的溫度傳感器。與其他溫度計（水銀溫度計、熱敏電阻等）相比較，主要用于工業(yè)行業(yè)的熱電偶具有其特點(diǎn)：

①響應速度快。

②可進(jìn)行-200℃到+1700℃之間大范圍的溫度測量。

③可對特定點(diǎn)和小空間進(jìn)行溫度測量。

④由于溫度信息可檢測為電信號（熱電動(dòng)勢），信息的處理和分析非常便利。

⑤價(jià)格低廉，易購買(mǎi)。

2、熱電偶的原理

1821年德國科學(xué)家塞貝克（T.J Seebeck）發(fā)現：當連接兩種不同金屬，并對兩端的接點(diǎn)施加不同溫度時(shí)，金屬之間會(huì )產(chǎn)生電壓并有電流通過(guò)。這一現象以發(fā)現者的名字命名為“塞貝克效應”。該回路中生成電流的電力被稱(chēng)為熱電動(dòng)勢（Thermoelectromotive force），其極性和大小僅由兩種導體的材質(zhì)和兩端之間的溫度差決定。

利用前面所說(shuō)的塞貝克效應，熱電偶工作原理為其憑借2種不同金屬的接合處（測溫接點(diǎn)）T1與熱電偶顯示儀表接點(diǎn)（基準接點(diǎn)）T0之間的溫度差T，從而產(chǎn)生電壓。使用熱電偶測量溫度時(shí)，顯示儀表會(huì )測量該電壓。

熱電偶顯示儀表的測量方式有以下2種:

1、將基準接點(diǎn)設為 0℃（冷端補償），直接讀取溫度。

2、測量基準接點(diǎn)的氣溫（基準接點(diǎn)補償），計入溫度差△T。

測量時(shí)，將冷端維持在0℃非常困難。通過(guò)測量端子周?chē)臏囟?，將其與以0℃為基準的熱電動(dòng)勢相加，可以獲得測溫接點(diǎn)的溫度。我們稱(chēng)之為基準接點(diǎn)補償。

3、熱電偶的感溫部分位于何處？

下圖是將熱電偶插入裝有熱液體的杯中的示意圖。假設液體內溫度為均勻100℃（無(wú)溫度梯度）。此時(shí)，液體內的熱電偶部分不會(huì )產(chǎn)生熱電動(dòng)勢。熱電動(dòng)勢只產(chǎn)生于存在溫度梯度的部分。由于熱電偶的感溫部位會(huì )產(chǎn)生熱電動(dòng)勢，因此該溫度梯度部位即為熱電偶的感溫部位。

第二章 熱電偶的選擇

1、根據測量溫度選擇

熱電偶按照兩種金屬導體的組合方式可分為以下8大種類(lèi)。

B型熱電偶、R型熱電偶、S型熱電偶被稱(chēng)為貴金屬熱電偶，而N型熱電偶、K型熱電偶、E型熱電偶、J型熱電偶、T型熱電偶被稱(chēng)為廉金屬熱電偶。含有鉑、銠等熔點(diǎn)較高金屬的貴金屬熱電偶被用來(lái)測量+1000℃以上的溫度，而廉金屬熱電偶則常用于測量+1000℃以下的溫度。

下面描述了各類(lèi)熱電偶的特征。

2、根據環(huán)境性和響應性選擇

為了使熱電偶引線(xiàn)在氧化和腐蝕環(huán)境下具有耐久性，通常將其與外界空氣隔絕。為了與外界空氣隔絕，會(huì )在金屬套管和一對熱電偶引線(xiàn)之間充填和封入粉末狀的無(wú)機絕緣物質(zhì)，我們將這種加工而成的熱電偶稱(chēng)為“鎧裝熱電偶”。

以下為鎧裝熱電偶的特點(diǎn)：憑借這些特點(diǎn)，自十多年前投入到實(shí)際應用中以來(lái)，鎧裝熱電偶的使用變得越來(lái)越廣泛。

鎧裝熱電偶的測溫接點(diǎn)有3種類(lèi)型。根據使用用途選擇最合適的接點(diǎn)類(lèi)型。

熱電偶選用非三言?xún)烧Z(yǔ)可以說(shuō)清楚，如果您想深入了解這樣方面問(wèn)題，可通過(guò)《在測溫過(guò)程中如何選用熱電偶》參閱更多技術(shù)資料。

第三章 熱電偶與補償導線(xiàn)

1、什么是補償導線(xiàn)

所謂補償導線(xiàn)是指用于連接熱電偶與溫度顯示儀表之間的導線(xiàn)。在使用溫度范圍（0℃到+60℃）內具有與熱電偶幾乎相同的熱電動(dòng)勢，因此它主要用于延長(cháng)熱電偶。
出于對下圖所示的溫度梯度考慮。

由于感溫部位存在溫度梯度，補償導線(xiàn)上也會(huì )產(chǎn)生與該溫度差相當的熱電動(dòng)勢。熱電偶顯示儀表計算產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢的合計值，并顯示為溫度。

2、溫度儀表通過(guò)測量熱電偶電勢值而顯示溫度

如果按上圖所示不使用補償導線(xiàn)而使用銅導線(xiàn)，那么即使存在溫度梯度的部分也不會(huì )產(chǎn)生熱電動(dòng)勢。由此導致溫度的測量結果產(chǎn)生誤差。

3、熱電偶與補償導線(xiàn)的連接

連接部位不存在溫度梯度時(shí)，使用普通接線(xiàn)板連接熱電偶與補償導線(xiàn)不會(huì )有任何問(wèn)題。

假使連接部位產(chǎn)生溫度差異，則無(wú)法進(jìn)行正確測量。此時(shí)，應使用與所用熱電偶具有相同熱電動(dòng)勢的專(zhuān)用連接器。

4、熱電偶的最大延長(cháng)

熱電偶本身延長(cháng)至1km以上也可以使用。但是，測量器上一般都規定了可配線(xiàn)的最大輸入信號電阻值和“輸入信號電阻”。需要注意的是，如果熱電偶的總電阻值超出該值，則無(wú)法實(shí)現正確測量。

第四章 熱電偶校準

按照國家頒布的熱電偶檢定和校驗技術(shù)規范，熱電偶校驗一般用定點(diǎn)法或比較法進(jìn)行校驗，下面對比較法和定點(diǎn)法做相關(guān)介紹。

1、定點(diǎn)法和比較法

所謂熱電偶校驗，是指決定所用熱電偶顯示的值與實(shí)際溫度之間關(guān)系的一項操作。校驗通常每半年進(jìn)行1次。校驗方法大致可分為定點(diǎn)法和比較法。

【定點(diǎn)法】

所謂定點(diǎn)法，是指使用溫度定點(diǎn)給出正確溫度值，然后進(jìn)行校驗的方法。

如上圖所示測量定點(diǎn)溫度后進(jìn)行校驗。

由于溫度定點(diǎn)為物質(zhì)的相平衡狀態(tài)，無(wú)論何時(shí)復現溫度均恒定不變。

【常用定點(diǎn)】

所謂水的三相點(diǎn)，是指液體、氣體、固體這三種形態(tài)共存的溫度，通?？梢栽诒环Q(chēng)為水三相點(diǎn)瓶的玻璃瓶中實(shí)現?！?.001℃可獲得最佳精度，常在定點(diǎn)法中使用。

【比較法】

所謂比較法，是指利用二等標準熱電偶WRPB-2測量任意規定的恒溫槽溫度，同時(shí)獲得它與已測被校驗熱電偶之間的誤差后進(jìn)行校驗的一種方法。

相較于定點(diǎn)法，其精度下降，可使用任意溫度進(jìn)行校驗是其特點(diǎn)所在。

2、熱電偶的使用壽命

熱電偶也具有使用壽命。雖然其使用溫度和環(huán)境千差萬(wàn)別，但一般來(lái)說(shuō)，如果在低于常用溫度以下的氧化環(huán)境中使用，貴金屬熱電偶使用壽命約為2000小時(shí)，廉金屬熱電偶的使用壽命約為10000小時(shí)。如果在極限溫度下使用，則它的使用壽命會(huì )大幅縮短，約為50到250小時(shí)。當熱電偶接近使用壽命時(shí)，它將無(wú)法顯示正常溫度，最終會(huì )斷線(xiàn)。為了進(jìn)行正確測量，請定期對熱電偶進(jìn)行維護和更換。

第五章 熱電偶測量故障排查

使用熱電偶測量溫度時(shí)，有時(shí)會(huì )無(wú)法獲得正確的測量值。下面匯總了熱電偶測量時(shí)容易發(fā)生的故障實(shí)例。

上圖是進(jìn)行正常熱電偶測量的狀態(tài)

按照總體的熱電動(dòng)勢為1.00mV+3.00mV+10.00mV=14.00mV，測量值為100℃。（以熱電動(dòng)勢的各數值作為參考值）

1、熱電偶與補償導線(xiàn)的極性反接

如果弄錯熱電偶與補償導線(xiàn)的極性，則無(wú)法正確測量。

總體的熱電動(dòng)勢變?yōu)?6.00mV，顯示儀表上顯示錯誤溫度。

2、銅導線(xiàn)代替補償導線(xiàn)使用等

有溫度梯度時(shí)，如果使用銅導線(xiàn)等替代補償導線(xiàn)，則無(wú)法正確測量。

總體的熱電動(dòng)勢變?yōu)?1.00mV，測量器上顯示錯誤溫度。

3、使用了不同種類(lèi)的熱電偶和補償導線(xiàn)

如果使用與測量器不同種類(lèi)的熱電偶與補償導線(xiàn)，則無(wú)法正確測量。

總體的熱電動(dòng)勢變?yōu)?.50mV，測量器上顯示錯誤溫度。