熱電偶使用說明(1熱電偶概述）

1、熱電偶概述
1.1 熱電偶工作原理
    用熱電偶測溫是基于1821年西貝克（T.J.Seebeck）發現的熱電效應，1826年貝克雷爾（A.C.Becquerel）第一個根據熱電效應來測量溫度。將兩種不同的均質導體（或叫熱電極也叫偶絲）焊接在一起，另一端連接電流計構成閉合回路，當焊接端(或叫測量端)與電流計端（或叫參比端）溫度不一致時，回路中就會有電流通過，這種現象稱為西貝克效應，又稱熱電效應。熱電特性是物質具有的一種普遍特性，熱電偶是應用最為廣泛的測溫儀表。熱電偶回路中的熱電動勢由溫差電勢和接觸電勢兩部分組成。
    實驗與計算表明，熱電偶回路中的總熱電動勢EAB（t，to）可以用下面的數學表達式得出：     
式中k、e為常數，Na和Nb分別是A、B熱電極的電子密度，由熱電極本身的化學成分和組織結構決定，與環境條件和外形尺寸無關。在A、B電極確定的情況下，如將參比端溫度保持恒定(一般為0℃或室溫)，那么回路中的熱電動熱大小就只與測量端溫度相關了。這種以測量熱電動熱的方法來測量溫度的一對金屬導體，稱為熱電偶。

1.2  熱電偶的結構
    熱電偶的結構可以用“兩端五部”來概括。
從熱電偶的測溫原理可知，構成最基本的熱電偶除了兩根熱電極材料外，還必須在熱電極的兩端按照要求作成測量端和參比端，俗稱“熱端”和“冷端”，這就是所謂的“兩端”。根據熱電偶的不同用途和附加結構，熱端有絕緣型、多支分離絕緣型、接殼型、露頭型四種形式，冷端有密封和非密封兩種形式。
    熱電偶一般由五部分構成，兩根熱電極（或叫偶絲）是構成熱電偶的核心部分（第一部分測溫元件），其它部分都是圍繞它展開；為了保證回路中熱電動勢不損失以準確傳遞被測溫度信號，必須用絕緣材料使兩熱電極除兩端點之外的其余部分之間，及其與外界之間有可靠的絕緣（第二部分絕緣材料）；為了保護絕緣材料和偶絲，延長熱電偶的使用壽命，一般還設計有保護套管（第三部分保護管）；為了安裝接線使用方便，同時適應各種使用場合，一般還設計有第四部分接線裝置和第五部分安裝固定裝置。這些就是所謂的“五部”。根據不同用途，能夠測溫的最基本的熱電偶（即熱電偶芯），沒有保護管和安裝固定裝置。

1.3 熱電偶的分類
    熱電偶按照制造方法和結構分類，可分為裝配熱電偶、鎧裝熱電偶兩個基本大類；隨著工藝技術的不斷發展，綜合了裝配熱電偶和鎧裝熱電偶的優點的復合鎧裝熱電偶具有很好的性價比，有很大的市場推廣潛力。按照熱電偶的熱電特性分類，有10個已經標準化的分度號和其它很多具有專門用途的非標準化熱電偶；按照每支產品中所含熱電偶的對數分類，有單支、雙支、三支、多支熱電偶；按照熱電偶電極（或叫偶絲）的資源狀況分類，有貴金屬熱電偶和廉金屬熱電偶兩種；根據用途來分類的就比較多了，比如真空專用熱電偶、高溫耐蝕熱電偶，還有將正負極偶絲分別鎧裝加工自由配對的“單芯鎧裝熱電偶”等等。在熱電偶產品的名稱中，一般同時含有結構特征、分度號、數量等多種分類含義，比如雙支式鎧裝K型熱電偶、單支變徑式E型熱電偶等等。

1.4 關于鎧裝熱電偶與裝配熱電偶
    裝配熱電偶顧名思義是指構成熱電偶的最基本的三個部分（簡稱”基體部分”，包括測溫元件、絕緣材料、保護管）是通過組裝而成、可以通過拆卸而分的。鎧裝熱電偶的基體部分（稱為鎧裝熱電偶材料或“偶材”或“鎧材”或“鎧裝熱電偶電纜”）是不可拆卸的，它是由熱電偶絲穿入絕緣氧化鎂型材中，再一同穿入金屬保護管中，經過多次拉拔縮徑退火而形成的一個堅實整體。
    將鎧裝熱電偶材料下料成需要的長度，再制作冷熱兩端并附加需要的安裝固定裝置就形成了鎧裝熱電偶。鎧裝熱電偶是在裝配熱電偶的基礎上采用新的工藝技術制造而發展起來的第二代通用型熱電偶，相對于裝配熱電偶具有直徑小、密封性好、易彎曲、熱響應時間快、可靠性高、成本低、適合批量生產、安裝使用方便等特點。
    鎧裝熱電偶在絕大多數的場合都可以代替裝配熱電偶使用，只是由于人們的使用習慣和接受觀念不同，一些場合還在繼續使用裝配熱電偶。近年來越來越多的廠家采用鎧裝熱電偶作為裝配熱電偶的芯子來改造傳統的裝配熱電偶。隨著技術的發展裝配熱電偶會被逐漸淘汰。
    鎧裝熱電偶與裝配熱電偶是兩種最基本的結構類型，在此基礎上根據具體的使用環境發展了很多特殊的專用熱電偶。復合鎧裝熱電偶和單芯鎧裝熱電偶是在鎧裝熱電偶的基礎上，根據不同用途以及綜合裝配偶和鎧裝偶的優點，采用新技術新材料由大正儀表公司研制的專利新產品，開創了第三代通用型熱電偶，性價比遠遠大于普通裝配或鎧裝熱電偶。

1.5 熱電偶的特點
    熱電偶是使用最廣泛、使用量******的測溫儀表，它以其測溫范圍寬、準確度高、使用方便、使用壽命長、技術成熟等優點，已廣泛應用于化工、冶金、電力、機械、建材等各行各業中，在一定的溫度范圍內對氣體(如烘箱)，液體(如油槽)、固體(如金屬模具)等的溫度進行自動檢測?？偨Y其使用特點如下：
1）結構簡單，制造容易，安裝使用方便，價格便宜。
2）將溫度信號轉換成電勢信號進行檢測，能滿足遠距離測量和控制的要求。
3）測溫范圍寬（-200—2300℃）。
4）直接測溫準確度高（測量準確度可達0.2℃）。
5）惰性小，測量響應時間快。
6）能適應各種測量對象的要求，如點溫和面溫的測量。
7）要求保持參比端溫度恒定。
8）要求用補償導線連接熱電偶與顯示控制儀表
9）容易受介質的影響或腐蝕，使用壽命有限。

1.6  熱電偶的在測溫系統中的作用
    熱電偶將感應到的溫度信號根據熱電效應轉變成毫伏信號，再經補償導線傳送到溫度顯示(控制)儀表，經過顯示儀表的轉換電路將熱電偶感應到的溫度毫伏信號以攝氏度的形式直觀地顯示出來，而不是顯示毫伏值，所以熱電偶阻又叫溫度傳感器或一次測溫儀表。為了將溫度信號引入高一級的控制系統，有時在使用過程中還需將毫伏信號轉變成標準的電流信號（即溫度變送器），以適應多臺表共用一個信號和實現各種控制目的。
    經過170多年的發展，熱電偶測溫技術已相當成熟。從技術上分析，熱電偶可以解決所有的直接測溫問題，只是用在2000℃左右的高溫測試中因為成本太高而被間接測溫儀表部分代替，用在0—600℃范圍內因為精度略低而被熱電阻部分代替，還有在0—600℃范圍內要求現場顯示同時不需供電和遠傳的場合用雙金屬溫度計和壓力式溫度計以及玻璃溫度計部分代替。

1.7 熱電偶的測溫精度

1.7.1 允許偏差
    允許偏差又稱“允差”或“測溫精度”，指具體一支熱電偶的熱電特性與該類熱電偶的標準分度表的符合程度。從理論上講沒有材質、組織結構、加工狀態完全相同的兩支熱電偶，所以任何一支熱電偶都與標準分度表有偏差，任何一支熱電偶的兩次測試結果也不一致，都只能在一定程度上符合標準分度表。根據符合程度或偏差的大小把熱電偶分為三級，下表給出的兩種計算方法，取計算結果較大的一種作為允許偏差的標準值。如K型Ⅱ級精度300℃的允差為±2.5℃而不是±2.25℃（300x0.75%=2.25）。

1.7.2 穩定性
    穩定性指熱電偶隨著使用時間的延長其熱電特性的變化程度，是反映熱電偶使用壽命的重要指標，是一項破壞性試驗要求，只在產品型式試驗時才做。具體規定為：在熱電偶的長期使用的上限溫度維持250小時后，熱電動勢的變化量不超過測量精度全部偏差量的50%。如N型Ⅱ級精度的穩定性要求指標為：在1200℃維持250小時后，該熱電偶試驗前后熱電勢的變化量應小于9℃（1200x0.75%）。