2.3　热电偶

热电偶温度计是以热电效应为基础将温度变化转换成热电动势变化进行温度测量的仪表。由于其测量范围广（-200～1600℃），结构简单，使用方便，准确可靠，且便于信号的远传、自动记录和集中控制，在工业生产和科研领域里应用极为普遍。

2.3.1　热电偶的测温原理

如图1-2-8所示，导体A、B称为热电极（A为正极，B为负极），一端采用焊接或铰接的方法连接在一起，感受被测温度，称为热电偶的热端，又称测量端或工作端；另一端通过导线与显示仪表相连，称为热电偶的冷端，又称参比端或自由端。

1—热电偶；2—导线；3—显示仪表

2.3.2　热电偶的分类

对实用热电偶测温元件，其热电极需要满足以下要求。

①测温范围内物理、化学性质稳定，即热电特性不随时间变化。

②相同冷、热温差下能产生的热电势尽可能大，热电特性尽可能接近线性。

③电阻温度系数小，热电极的电阻随温度变化不大，不会对测量造成大的影响。

④材料的延展性好，便于生产，复现性好。

生产中常用的热电极材料可分成4类：廉价金属，如铁、铜等；贵金属，如铂等；难熔金属，如钨、铼等；非金属材料，如石墨等。由这些热电极构成的热电偶，按电动势与温度的关系可分成两类：一大类是具有统一的分度号、分度表，满足生产过程的基本要求，为标准化热电偶，称为定型热电偶；另一类没有统一的分度号，是为满足生产过程中特殊的使用场合而生产的，为非标准化热电偶，称为未定型热电偶。国际电工委员会（IEC ）在1977年制定了标准热电偶的国际统一标准。此后，我国也制定了相应的国家标准。从1988年1月1日起，我国的热电偶均按IEC标准设计、生产。目前IEC推荐的标准化热电偶有8种，如表1-2-4所示。

注：1. 表中温度 t 表示测量端温度。

2. 允许偏差有两种表示方法，采用二者计算值较大者。

8种标准化热电偶中，最常使用的是铂铑10-铂热电偶和镍铬-镍硅热电偶。铂铑10-铂热电偶是一种测量精度很高的贵金属热电偶，其性能稳定，耐高温，不易被氧化，不仅在实验室及生产过程中广泛使用，还被用作温标传递系统中603.74～1064.43℃温度范围复现温标的基准器，可用作热电偶检定过程的标准热电偶。S型热电偶的非线性大，灵敏度差，不宜用于还原气体和真空环境。镍铬-镍硅热电偶是廉价金属热电偶中性能最稳定的。这种热电偶的热电特性的线性度好，且在相同温差下能产生较大的热电势，即测量灵敏度高，高温下抗氧化能力强。

由表1-2-4可见，标准化热电偶的测温上、下限受限制。为了满足超高温、低温、快速测温等场合的需要，一些特殊的热电偶——非标准化热电偶应运而生。这类热电偶没有统一的分度号、分度表。常见的非标准化热电偶的主要性能指标见表1-2-5。

2.3.3　普通热电偶

（1）结构原理

热电偶温度传感器广泛应用于工业生产过程的温度测量，根据用途和安装位置不同，普通热电偶具有多种结构形式，但通常由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒4部分组成，其结构如图1-2-9所示。

1—出线孔密封圈；2—出线孔螺母；3—盖；4—接线柱；5—盖的密封圈；6—接线盒；7—接线座；8—保护管；9—绝缘管；10—热电极

（2）结构形式

普通热电偶根据保护管形式、固定装置以及接线盒类型设计成不同结构形式，如表1-2-6所示。

2.3.4　铠装热电偶

铠装热电偶是将热电偶丝、绝缘材料以及金属套管经整体复合拉伸工艺加工成可弯曲的坚实组合体。如图1-2-10所示，铠装热电偶的结构形式和外形与普通热电偶相仿，内有单支、双支或多支感温元件。

1—接线盒；2—金属套管；3—固定装置；4—绝缘材料；5—热电极

铠装热电偶由于体积小，热容量小，可挠性好，强度高，因此具有动态响应快、柔性好、安装方便、耐压、耐震、耐冲击等特点，被广泛应用于工业生产过程。

我国已生产S型、R型、B型、K型、E型和J型等铠装热电偶，外直径从0.12～12mm不等，套管长度可以长达500m，根据需要自由选取。

铠装热电偶的测量端有露端型、接壳型、绝缘型及分离式绝缘型4种。此外，为满足特殊场合的需要，还有扁变截面型、圆变截面型（见图1-2-11）。通常情况下多采用绝缘型，只有当要求高速响应或处于非腐蚀性气体中才用露端型。铠装热电偶还有多点式结构，如图1-2-12所示。

1—热电偶测量端；2—MgO绝缘材料；3—不锈钢外套管

1—测量端；2—MgO绝缘材料；3—不锈钢外套管；4—铠装热电偶

由于铠装热电偶的直径很小，普通工业电偶的安装固定装置不适用，必须根据它的特点设计。表1-2-7中为常用的铠装热电偶的安装固定形式。

2.3.5　专用热电偶

除了常用的普通型热电偶、铠装热电偶外，还有各种专用热电偶，用于满足不同的测温需求。

（1）薄膜热电偶

由两种金属薄膜连接而成的一种特殊结构的热电偶，制作方法很多，如真空蒸镀、化学涂层和电泳等。可以制成片状、针状或直接蒸镀到被测物体表面，其结构如图1-2-13所示。

采用真空蒸镀法制作薄膜热电偶时，先把两种热电极材料放到真空炉内加热，使金属材料蒸发镀到绝缘基板上，使两者牢固地结合在一起形成热接点，用云母、陶瓷、玻璃、浸酚醛塑料纸作为绝缘基板和保护层。为了防止热电极氧化或使之与被测物体绝缘，常在薄膜热电偶表面蒸镀一层绝缘薄膜，如二氧化硅作为保护层。

目前薄膜热电偶的品种包括铁-镍、铁-康铜和铜-康铜等。我国生产的铁-镍薄膜热电偶与普通热电偶的热电特性相同，时间常数 τ <0.01s，薄膜厚度在3～6μm之间。其长、宽、高分别为60mm、6mm、0.2mm，使用时用黏结剂贴在被测物体的壁面上。由于受黏结剂耐热性的影响，只能在200～300℃范围内使用。该热电偶的特点如下。

①由于测量端是非常薄的薄膜，因此热容量小，反应时间极短，可用于测量瞬变的表面温度，如直接蒸镀在被测物体表面上的薄膜热电偶，可用来测量10 -7 s的瞬变温度，比一般热电偶快得多。

②薄膜热电偶可制作很小、用于测量极小面积物体表面的温度，如半导体元件或集成电路上小到12.5×50μm 2 区域的温度。

目前国外还研制出高温薄膜热电偶，最高可测量2760℃，是用氧化镁、氧化铍、氧化钍等高温材料做基板，在基板两侧蒸镀各种金属或非金属热电偶材料（如钨铼热电偶），然后再在热电偶表面上蒸镀一层BN的绝缘保护膜，反应时间为0.1s。

（2）表面热电偶

表面热电偶是用来测量各种状态（静态、动态或带电物体）的固体表面温度的，如测量轧辊、金属块、炉壁等的表面温度。目前已定型并广泛应用的表面热电偶有以下几种。

①凸形探头　适用于测量平面或凹面物体的表面温度，其结构形式如图1-2-14（a）所示。

②弓形探头　适用于测量凸形物体表面温度。测量管壁温度时可紧紧压在管壁上，接触面积大，效果好，其结构形式如图1-2-14（b）所示。

③针形探头　适用于测量固体金属表面温度，结构形式如图1-2-14（c）所示。

④垫片式探头　这种热电偶的测量端是焊接在垫片上，测温时把垫片安装在被测物体表面上，用螺栓拧紧，使垫片紧压在被测物体的表面上，适于测量表面带有螺栓的物体表面，如图1-2-14（d）所示。

⑤铆接式探头　用铆钉将连接片铆在被测物体表面上，结构形式如图1-2-14（e）所示。

⑥环式探头　利用环形夹紧器加在被测管子上测量表面温度，适用于测量管道表面温度，结构形式如图1-2-14（f）所示。

（3）隔爆热电偶

化工厂的生产现场常伴有各种易燃、易爆等化学气体、蒸气，使用普通的热电偶非常不安全，极易引起环境气体爆炸。在这些场合，应使用隔爆型的热电偶。所谓隔爆型是指隔爆外壳能承受内部爆炸气体混合物的爆炸压力，并阻止内部的爆炸向外壳周围爆炸性混合物传播。

隔爆热电偶和普通热电偶的结构基本相同，其区别在于：隔爆型产品的接线盒设计上采用特殊防爆结构，接线盒用高强度铝合金压铸而成，并具有足够的内部空间、壁厚和机械强度，橡胶密封圈的热稳定性均符合国家的防爆标准。因此，当接线盒内部的爆炸性混合气体发生爆炸时，其内压不会破坏接线盒，而由此产生的热量不会向外扩散。

隔爆热电偶应有防爆标志。

（4）快速微型热电偶

快速微型热电偶的工作原理同一般热电偶，测量系统如图1-2-15所示。这种热电偶的主要特点是测量元件很小，而且每次测量后进行更换。

1—热电极；2～4—补偿导线；5—显示仪表；6，7—插件；8—测温枪杆

热电极一般采用直径为0.1mm的铂铑10-铂、铂铑30-铂铑6、钨铼3-钨铼25等材料，长度为25～40mm，补偿导线3固定在测温枪杆8内，并通过插件7与接往显示仪表的补偿导线4相连，补偿导线2和热电偶固定连接组成可更换的测温头（见图1-2-16）。

1—外保护帽；2—U形保护；3—外纸管；4—高温水泥；5—热电偶参考端；6—填充物；7—绝缘纸管；8—小纸管；9—塑料插件

热电极和U形保护管应满足测温上限要求，尺寸要小，以便减小热容量，加快反应速度。U形保护管一般用外径为3mm的透明石英管。热电偶参考端在测温头内，为保证在测温过程中热电偶参考端温度不超过允许值（一般为100℃），必须用绝缘性能好的纸管加以保护。同时支撑U形保护管及外保护帽的高温水泥应有良好的绝缘性能。测温头的绝热纸管可用陶瓷或木质代替，陶瓷能抗炉渣侵蚀且有较低的热导率。纸管结构的测温头，制造工艺简单，价格低廉。测温头的后端带有塑料插件，便于和测温枪杆连接。

（5）浸入式热电偶

浸入式热电偶常用于钢水、铁水、铜水、银水等的温度测量。图1-2-17为浸入式热电偶结构图，由弯曲钢管、石墨管、石英管及滚轴组成。热电偶装在较长的钢管中。为了经受住熔融金属及炉渣的侵蚀，钢管前段外面套有耐高温、抗热震性好的石墨管，并选用石英管作热电偶保护套管。

1—弯曲钢管；2—石墨管；3—石英管；4—滚轴

（6）测量气流温度的热电偶

①抽气式热电偶　这种热电偶的结构如图1-2-18所示。其特点是热电偶测量端套一个防止辐射热损失用的屏蔽罩3（2为屏蔽帽），由抽吸器6提供抽吸力把被测气流从进气口1吸收，经热电偶测量端后从抽气管4排出。为控制抽气速度，在抽吸器管路上安装节流孔板5，并用差压计随时监测，以保证稳定的对流换热状况，达到测温准确的目的。

1—进气口；2—屏蔽帽；3—屏蔽罩；4—抽气管；5—节流孔板；6—抽吸器

②带滞止罩热电偶　这种热电偶的结构如图1-2-19所示。被测气流由滞止罩1上的进气口3进入，通过热电偶测量端2经排气口4排出。滞止罩的作用是使气流减速，提高对流换热能力，保证测量的准确性。

1—滞止罩；2—热电偶测量端；3—进气口；4—排气口

（7）多点式热电偶

多点热电偶适合于生产现场温度变化不显著、须同时测量多个位置或同一位置的多点测量。广泛应用于大化肥合成塔、存储罐等装置中，测量点数一般为2～12。

多点热电偶有整体铠装式，适合安装在反应器、管道、狭窄弯曲的场所，用于化学反应罐、催化裂解炉、蒸馏塔、分馏塔等设备上，测量不同深度或不同位置的温度。不但测量精度高，而且使用寿命长，安全可靠。

2.3.6　热电偶参比端温度的补偿导线法

由于各种热电偶的分度表均对应参比端温度为0℃，但实际使用中热电偶的参比端温度往往不是0℃，而且可能不稳定，因此需要对热电偶参比端温度进行补偿。最常用的方法是补偿导线法。

（1）作用原理

补偿导线将热电偶的参比端延伸到温度恒定的场所，以便与显示器或其他仪表相连。如图1-2-20所示，根据“中间温度定律”，当连接导线A'、B‘和热电极A、B具有相同的热电特性时，便可代替部分热电偶丝，将参比端延伸到远离被测对象且温度较稳定场所。

补偿导线同样由两种不同金属材料制成，在一定的温度范围内（100℃以下），与所连接的热电偶具有相同或相似的热电特性，且为廉价金属，电阻率较低。

（2）常用补偿导线的类型

补偿导线的结构形式如图1-2-21所示。根据所用材料，补偿导线可分为两类。

1—线芯（单股或多股软型）；2—绝缘层；3—护套；4—屏蔽层

①补偿型补偿导线（C）补偿导线材料与热电极材料不同（即A≠A'，B≠B'），常用于贵金属热电偶。

②延伸型补偿导线（K）补偿导线材料与热电极材料相同（即A=A'，B=B'），常用于廉价金属热电偶。

表1-2-8所示为各种常用热电偶所配用的补偿导线材料，型号中第一个字母与配用热电偶的分度号相对应。表1-2-9所示为各种补偿导线的使用范围及允许误差。表1-2-10所示为补偿导线的外层材料。

注：G为一般用，H为耐热用，允许误差是在热端和冷端温度范围内规定的值。

注：1. 无论是补偿型还是延伸型，补偿导线只是起到热电偶参比端的延伸作用，改变了参比端的位置，以便于采用其他补偿方法。

2. 即使在规定使用温度范围内，由于补偿导线热电特性不可能与热电偶完全相同，因而仍存在一定的误差。

2.3.7　热电偶的安装

热电偶的安装是否正确合理，对测量结果有着重要影响。通常要求尽量测量准确、安全可靠、维修方便。热电偶安装时应遵守以下原则。

①热电偶的测量端应处于能够真正代表被测介质温度的地方。管道上安装热电偶时，应使保护管末端超过管道中心线5～10mm。

②热电偶应有足够的插入深度。一般最小不小于热电偶保护管外径的8～10倍。

③为了防止热损失，热电偶保护管露在设备外部应尽可能短，并加保温层。

④若被测介质具有负压或为有害气体时，热电偶安装必须严格密封，以免外界冷空气进入，影响测量的准确性，或有害气体溢出污染空气。

⑤热电偶的安装地点，应尽量避开其他热源、强磁场、电场等，防止外来干扰。

⑥热电偶安装位置应尽量保持垂直，防止保护管在高温下产生变形。但在有流速情况下，热电偶必须倾斜安装，应尽量安装在管道的弯曲处（见图1-2-22）。若需水平安装时，则应有耐火砖或耐热金属支架加以支撑（见图1-2-23）。