热电偶产生的电动势是多少

（1）热电偶测温原理

图2．3 热电偶测温回路

把两种不同的金属丝的两端分别互相焊接，构成如图2．3所示的回路。如果两端的温度不同，分别为t1和t0，则回路中就会产生热电动势。 这种现象被称为热电效应。 这样组成的热电偶，温度高的接头叫热端或工作端，温度低的接头叫冷端或自由端。 焊接热电偶的金属丝叫偶丝。 焊成的两根偶丝叫热电极，它有正极和负极之分，与仪表连接时，正极对正端，负极对应接负端。

热电偶产生的热电动势由两部分组成——接触电势和温差电势，其大小取决于两个热电极的材料和两端温差，与长度、直径等无关。 如果热电偶冷端维持恒定（如0℃），则热电偶的热电动势只随热端的温度变化而变化。 当把热电偶连入如图2．4的仪表回路中，就可以用仪表读出热电动势的数值。 若该热电偶是经过标准热电偶校正的，则可以直接读出准确的温度。

用热电偶测量温度，具有结构简单、使用方便、测量精度高、测温范围宽、热惯性小、便于远距离传送和集中检测等优点。 如果将热电偶与自动检测仪表和打印记录仪表相连接，就能实现温度的控制、显示和记录。

图2．4 冷端温度补偿器线路（WBC⁃57）

（2）热电偶材料

各种不同材料的电偶丝可制成各类热电偶，常见的金属的热电特性见表2．3。 表中的数值是以铂作为热电偶的一极，其他材料作为另一极，保持冷端的温度为0℃，热端的温度为100℃时的热电动势。 热电动势为正值的材料与铂组成热电偶时为正极；热电动势为负值的材料与铂组成热电偶时为负极。 表中任意两种材料组成热电偶时，该热电偶的热电动势就等于这两种材料的热电动势的代数差，热电动势大的为正极。 如镍铬和考铜组成热电偶，当冷端为0℃，热端为100℃时，热电偶的热电动势等于6．95m V，且镍铬为正极，考铜为负极。

虽然任何两种金属导体都可以配制成热电偶，用来测量温度。 但是为了保证在工程技术中应用可靠，并具有足够的精度，并不是所有材料都能作为热电偶材料。

一般而言，作为热电偶电极材料应满足的要求是：

①在测温范围内，热电性质稳定，不随时间和被测介质变化，物理化学性质稳定，不易被氧化和被腐蚀；

②电导率高，电阻温度系数小；

表2．3 各种金属丝的热电特性

③由它们组成的热电偶，热电势随温度的变化要大，并且该变化率在测温范围内接近常数；

④材料的机械强度高，复制性好，复制工艺简单，价格便宜。

实际上并非所有材料都能满足上述的全部要求。 目前在国际上被公认的比较好的热电材料只有几种。

（3）标准化热电偶及常用标准化热电偶的特性

1）标准化热电偶

所谓标准化热电偶是指由国际公认比较好的热电材料组成的热电偶，它们已列入工业标准文件中，具有统一的分度表。 标准化文件还对同一型号的标准化热电偶规定了统一的热电极材料及化学成分、热电性质和允许偏差，因此，同一型号的热电偶具有良好的互换性。 表2．4给出了目前国际上已有的8种标准化热电偶的型号（或称分度号）、热电极的材料以及可测的温度范围。 表2．4中所列的每一种型号的热电材料中前者为热电偶的正极，后者为热电偶的负极；温度测量范围是指热电偶在良好的使用环境下允许测量温度的极限，实际使用，特别是长时间使用时，一般允许测量的温度上限是极限值的60％～80％。

表2．4 标准化热电偶

注：①铂铑10表示铂为90％，铑为10％，以此类推。

2）常用标准化热电偶的特性

常用的标准化热电偶有铂铑10⁃铂、铂铑30⁃铂铑6、镍铬⁃镍硅、镍铬⁃铜镍合金（康铜）等，对不同的热电偶，各有特点，其性能有所不同。

①铂铑10⁃铂热电偶（S型）

这是一种贵金属热电偶，由直径为0．5mm以下的铂铑合金丝（铂90％，铑10％）和纯铂丝制成。由于容易得到高纯度的铂和铂铑，因此，这种热电偶的复制精度和测量准确度都较高，可用于精密测量温度。S型热电偶在氧化性和中性介质中具有较高的物理化学稳定性，在1300℃以下的范围内可长期使用。其主要的缺点是金属材料价格昂贵；热电动势小，而且热电特性曲线的非线性较大；在高温时易受还原性介质所发出的蒸汽和金属蒸汽的侵害而变质，失去测量准确度。

②铂铑30⁃铂铑6热电偶（B型）

这种类型的热电偶具有S型热电偶的各种特点。 由于这种热电偶的两个热电极都采用了铂铑合金，因此，提高了热电偶的抗污染能力，其长期使用温度可达1600℃。 但这种热电偶产生的热电动势小，是在所有标准化的热电偶中最小的，当t≤50℃时，其热电动势小于3 μV，因此在测量高温时基本可不考虑自由端的温度补偿。

③镍铬⁃镍硅热电偶（K型）

这是一种使用面十分广泛的贱金属热电偶，热电丝直径一般为1．2～2．5mm。 由于热电材料具有较好的高温抗氧化性，可在氧化性或中性介质中长时间的测量900℃以下的温度。 K型热电偶具有复现性好，产生的热电动势大，而且线性好，价格低廉等优点，虽然测量精度偏低，但完全能满足一般工业测量的要求。 这种热电偶的主要缺点是在用于还原性介质中，热电极会很快被腐蚀，在此情况下，只能用于测量500℃以下的温度。

④镍铬⁃铜镍热电偶（E型）

这种热电偶在我国通称为镍铬⁃康铜热电偶，虽不及K型热电偶应用广泛，但它的热电动势是在所有标准化热电偶中最大的，可以测量微小变化的温度。 它的另一个特点是对于高湿度气体的腐蚀不甚灵敏，宜在我国南方地区使用或湿度环境较高的工业行业中使用。 镍铬康铜热电偶的缺点是负极（铜镍合金）难于加工，热电均匀性比较差，不能用于还原介质。

用列表法表示的热电偶的热电动势与对应温度的数据表称为该热电偶的分度表。 从GB／T16839—1997中可以查到上述几种标准热电偶的分度表。 通过对上述标准热电偶的分度表进行分析，可以得出以下结论：

①t＝0℃时，所有型号的热电偶的热电动势均为0，当t＜0℃时，其热电动势为负值；

②不同型号的热电偶在相同温度下，热电动势一般相差较大，在所有标准热电偶中，B型热电偶的热电动势最小，而E型热电偶的热电动势最大；

图2．5 常用热电偶的热电特性

③如果把温度和热电动势作成曲线，如图2．5所示，则可以得出温度与热电动势之间的关系一般为非线性；正由于热电偶的这种非线性特性，当自由端t0＝0℃时，则不能用测得的热电动势E（t，t0）直接查分度表得t′，然后再加t0，而应该根据

E（t，0）＝E（t，t0）＋E（t0，0） （2．4）

然后再查分度表得到温度。

例 S型热电偶在工作时自由端温度t0＝30℃，现测得热电偶的热电动势为7．5m V，求被测介质的实际温度。

解 由题意，E（t，30）＝7．5m V

由分度表，E（30，0）＝0．173m V

E（t，0）＝E（t，30）＋E（30，0）＝7．5＋0．173＝7．673m V

查分度表：t＝830℃

（4）热电偶的结构形式

按热电偶的结构形式，可以将热电偶分为普通型热电偶和铠装热电偶。

根据普通热电偶安装时的连接形式可以分为螺纹连接、固定法兰连接（如图2．6所示）、活动法兰连接和无固定装置等多种形式。 虽然它们的结构和外形不尽相同，但其基本组成部分大致一样。 通常都是由热电极、绝缘材料、保护套管和接线盒等主要部分组成。

图2．6 热电偶的典型结构

图2．7 铠装热电偶结构示意图

1—金属外套管；2—绝缘物；3—热偶丝；A—双丝B—单丝；C1—露头式；C2—密封式；C3—接壳式

由于实验研究要求热电偶小型化，使用灵活，寿命长，为此产生了铠装式热电偶（图2．7）。这种热电偶是用不锈钢或镍基材料作为外套管，以氧化镁、氧化铝或氧化铍作绝缘材料与热电偶结合在一起，将三者拉伸加工而成的坚实组合体。 其中，以氧化镁绝缘材料者较多，但它们都有吸湿性，易影响绝缘性能。 一般常温常压下绝缘电阻应大于20MΩ。 由于铠装热电偶已实现微型化，如国际上最小的铠装热电偶直径可达0．25mm，因此铠装热电偶的产生大大地方便了实验室的测温操作。 我国统一设计的铠装热电偶规格如表2．5所示。

表2．5 铠装热电偶的规格

铠装热电偶具有独特的优点，主要表现在结构紧凑、体积小、热容小、对被测温度反应快、时间常数小、有良好的机械性能、耐振动和冲击。 另外，很细的铠装热电偶可绕性好，可弯曲的最小半径只有热电偶外径的2．5倍，能在复杂结构上测温。 它的使用寿命长，又不受气氛影响，可用于化工高压装置的测温，也可将其焊接在设备各测温处。 0．2～0．5mm的铠装热电偶可以直接插入反应器内，测定反应床的温度变化。

注意：热电偶测温往往需要插入套管内。 套管的导热会影响温度测量精度。 在实验流程的测温应尽可能使用较细的热电偶套管。 套管的安放也应考虑热传导的情况。 套管外露部分应保温，避免散热。

（5）热电偶的冷端处理

热电偶的热电动势大小与材料、两接点温度有关。 当材料一定，热电偶的热电动势则决定于热端和冷端的温度。 因此，用热电偶测定温度时冷端的温度变化就会影响测温的准确性。为了消除这种影响，将冷端温度予以处理，以得到与分度表中冷端为0℃时不同热端温度所对应的热电动势值。

1）冷端恒温法

用冰水浴将冷端保持在0℃，这是最精确的方法。 这样既能保持恒定的温度，又能消除冷端的温度变化。 这种方法需要将冰和水装入保温瓶中，当冰源不方便时，也可以将冷端置于温度恒定的容器中（如20℃或30℃）。 这时冷端的温度不是0℃，必须校正。 若用可调机械零点的仪表测定热电动势时，应将机械零点调至恒定温度处。

2）补偿导线法

在测温过程中，有时测温热电偶的冷端靠近热源，而且热源温度变化大，则会影响冷端温度恒定，此时可以采用补偿导线法。 即采用一对热电性与热偶相同的金属丝将热偶相应的冷端连接起来，并将其引至另一个便于恒温的地方让冷端恒温。 此时补偿导线的末端即为冷端。此法可以节约热偶丝长度，节约贵金属材料，因而是经济的，尤其是使用贵重金属铂铑⁃铂热电偶具有突出意义。 表2．6是常用的补偿导线的技术数据。

表2．6 常用热电偶补偿导线技术数据

3）冷端补偿法

在许多场合下，冷端难于保持恒温，可使用冷端补偿的方法。 冷端虽随温度变化但与某一特定的补偿器连接后可以实现自动补偿，使冷端温度保持在一恒温值。 补偿为桥路，结构如图2．4所示，R1，R2，R3都是锰铜丝制的电阻，其温度系数很小，R4是铜丝制的电阻，其阻值按一定规律随温度变化。RB是串联在电源回路中的降压电阻，用来调整补偿电动势的大小。冷端温度补偿器的基准点是当R1＝R2＝R3＝R4时的温度，在此温度下CD两端无电位差，电桥处于平衡状态。当环境温度变化时，R4的阻值也随之变化，电桥发生不平衡，在CD两端产生电位差，使之正好补偿热电偶因冷端温度变化造成热电动势的变化。 不同分度号的热电偶应配置不同型号的补偿器，并用补偿导线连接。

在使用显示器或电子电位差计与热电偶配套测定温度时，由于这些仪表内已装有补偿装置，因此不能接补偿器。

（6）热电偶的标定

新制的热电偶或使用一定时间后的热电偶，由于氧化、腐蚀、还原、高温下再结晶等原因，造成与原分度值或标准分度表的偏差越来越大，使测量温度精度下降，为此必须进行定期标定。

标定的方法根据热电偶使用的测温范围，选用4～5种纯物质作基准物，测定热电偶在各基准物的凝固点或沸点的热电动势，绘制温度⁃毫伏曲线。 实验室测温范围常用的一些基准物质见表2．7所示。

表2．7 常用基准物凝固点与沸点

采用基准物标定热电偶的装置如图2．8所示，标定热电偶时应注意：

①控制金属融化前的升温速度，在临近融化温度时要以1～2℃／min的速度升温，直至超过凝固点停止加热；随后以0．5℃／min的速度降温，每2min记录一次电位差计的读数，其值不变即为凝固点温度；

②每一基准物重复测定三次以上，取平均值。最后做出温度—热电动势曲线。

标定中若使用显示仪表，可根据基准物凝固点标定仪，并直接做出显示温度与实际温度曲线。也可以用精密的电位差计标定显示器，做出标定曲线。 对分度号相同的各支热电偶应按每支标定的曲线进行实际温度测定读数，不能互换，否则就失去了标定的意义。

图2．8 用基准物标定热电偶的装置

1—底座；2—坩埚与基准物；3—热电；4—保温层；5—炉膛与加热；6—炉盖；7—套管；8—电位差计；9—冷端连接管；10—冰浴槽；11—冰水

一般而言，热电偶适用于测量500℃以上的较高温度。 当温度在500℃以下的中、低温时，热电偶的热电动势往往很小，对电位差计的放大器和抗干扰措施要求提高，而且在较低温度区域时冷端的温度变化和环境温度变化所引起的测量误差增大，很难得到完全补偿。