熱電偶溫度計

熱工測量儀表——熱電偶溫度計引言熱電偶溫度計由熱電偶、電測量儀表和連接導(dǎo)線組成。它被廣泛用來測量100～1600攝氏度范圍內(nèi)的溫度，用特殊材料制成的熱電偶還可以測量更高或更低的溫度。熱電偶測量溫度有較高的準(zhǔn)確度。由于熱電偶能把溫度信號轉(zhuǎn)變成電信號、便于信號的遠傳和實現(xiàn)多點切換測量，因此，它在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域中被廣泛用于測量溫度。一、熱電現(xiàn)象和基本定律1821年德國科學(xué)家塞貝克發(fā)現(xiàn)在由兩種不同導(dǎo)體構(gòu)成的閉合回路中，當(dāng)兩個交接端子存在溫差時，回路中將有電流產(chǎn)生，這一效應(yīng)被稱之為塞貝克效應(yīng)。1834年法國科學(xué)家珀爾帖發(fā)現(xiàn)了塞貝克效應(yīng)的逆效應(yīng)，即在由兩種不同導(dǎo)體構(gòu)成的閉合回路中通有直流電流時，兩個交接端子中的一個溫度降低(吸熱端)，而另一個則溫度升高(放熱端)，在兩個交接端之間產(chǎn)生了溫差，這一效應(yīng)被稱之為珀爾帖效應(yīng)。1.1熱電現(xiàn)象和熱電偶溫度計研究表明：熱電勢是由溫差電勢和接觸電勢組成的。溫差電勢（湯姆遜電勢）是一根導(dǎo)體上因兩端溫度不同而產(chǎn)生的熱電動勢。當(dāng)同一導(dǎo)體的兩端溫度不同時，高溫端的電子能量比低溫端的電子能量大，因而從高溫端跑到低溫端的電子數(shù)比從低溫短跑到高溫端的要多，結(jié)果，高溫端因失去電子而帶正電荷，低溫端因得到電子而帶負電，從而在高、低溫端之間形成一個從高溫端指向低溫端的靜電場。該電場阻止電子從高溫端跑向低溫端，同時加速電子從低溫端跑向高溫端，最后到達動平衡狀態(tài)，即從高溫端跑向低溫端的電子數(shù)等于從低溫端跑向高溫端的電子數(shù)。動平衡狀態(tài)時在導(dǎo)體兩端產(chǎn)生一個相應(yīng)的電位差，該電位差稱為溫差電勢。1.1熱電現(xiàn)象和熱電偶溫度計此電勢只與導(dǎo)體性質(zhì)和導(dǎo)體兩端的溫度有關(guān)，而與導(dǎo)體長度，截面大小，沿導(dǎo)體長度上的溫度分布無關(guān)。如均勻?qū)wA兩端的溫度為T和To（見圖3-2），則在導(dǎo)體兩端之間的溫差電動勢E為（3-1）式中：N為材料的電子密度，是溫度的函數(shù)，t為沿材料長度的溫度分布，函數(shù)的形式只與導(dǎo)體的性質(zhì)有關(guān)。接觸電勢（珀爾帖電勢）：是在兩種不同的導(dǎo)體A和B接觸時產(chǎn)生。A、B金屬有不同的電子密度，設(shè)A的電子密度大于B的電子密度，則從A擴散到B的電子數(shù)比從B擴散到A的多，從而A因失去電子帶正電，B因得到電子帶負電，于是在A和B的接觸面形成從A到B的靜電場，該電場阻止電子擴散的繼續(xù)進行，同時加速電子向反向移動，最后達到動平衡。在動平衡狀態(tài)時A、B之間形成一個電位差，這個電位差稱為接觸電勢。1.1熱電現(xiàn)象和熱電偶溫度計(續(xù))1.1熱電現(xiàn)象和熱電偶溫度計(續(xù))接觸電勢數(shù)值取決于兩種不同導(dǎo)體的性質(zhì)和接觸點的溫度。記為其中e為單位電荷，K為玻爾茲曼常數(shù)，N為電子密度。1.1熱電現(xiàn)象和熱電偶溫度計(續(xù))一個由A、B兩種均勻?qū)w組成的熱電偶，當(dāng)兩個接點溫度分別為T和T0（見書上P70圖4－4）時，按順時針取向，熱電偶產(chǎn)生的熱電勢為根據(jù)接觸電勢公式，有根據(jù)溫差電勢公式有：故回路中的總熱電動勢為：如材料A,B已知，則NA,NB為溫度的函數(shù)，可寫為：若使熱電偶的一個接點的溫度保持不變，則上式中EAB(t0)的項也不變，設(shè)為常熟C,這時上式寫成

EAB(t,to)=EAB(t)-c(3-3)

即熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢EAB(t,to)只和溫度t有關(guān)，因此，測量熱電勢的大小，就可求得溫度t的數(shù)值了，這就是熱電偶測量溫度的工作原理。組成熱電偶的兩種導(dǎo)體，稱為熱電極。通常把to端稱為熱電偶的參考端、自由端或冷端，而t端稱為測量端、工作端或熱端（下統(tǒng)稱冷端、熱端）。如果在冷端電流從導(dǎo)體A流向?qū)wB,則稱為正熱電極，B稱為負熱電極

在使用熱電偶測量溫度時，還需要應(yīng)用關(guān)于熱電偶的三條基本定律，它們已由試驗所確立，可分述如下：1.均質(zhì)導(dǎo)體定律由一種均質(zhì)導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）組成的閉合電路，不論導(dǎo)體（半導(dǎo)體）的截面積如何以及各處的溫度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢。由此定律可以得到如下的結(jié)論：1)熱電偶必須有兩種不同性質(zhì)的材料構(gòu)成;2)有一種材料組成的閉合回路存在溫差時，回路產(chǎn)生熱電勢，便說明該材料是不均勻的。據(jù)此，可檢查熱電極材料的均勻性2中間導(dǎo)體定律由不同材料組成的閉合回路中，如各材料接觸點的溫度都相同、則回路中熱電勢的總和等于零。由此可得出如下結(jié)論（推導(dǎo)參考吳書P41-42）1）在熱電偶回路中加入第三種均質(zhì)材料，只要它的兩端溫度相同，對回路的熱電勢就沒有影響。2）如果兩種導(dǎo)體A、B對另一種參考導(dǎo)體C的熱電勢已知，則這兩種導(dǎo)體組成熱電偶的熱電勢是它們對參考導(dǎo)體熱電勢的代數(shù)和。參考電極被稱為標(biāo)準(zhǔn)電極。因為鉑的物理化學(xué)性能穩(wěn)定、熔點高、易提純、復(fù)制性好，所以標(biāo)準(zhǔn)電極常用鉑絲制作。只要取得一些熱電極與標(biāo)準(zhǔn)鉑電極配對的熱電勢，其中任何兩種熱電極配對時的熱電勢就可通過計算得知。3.連接溫度（或中間溫度）定律

接點溫度為t和t0的熱電偶，它的熱電勢等于接點溫度分別為t、tn和tn、t0的兩支同性質(zhì)熱電偶的熱電勢的代數(shù)和，可以寫出它的熱電勢：由此定律可以得到如下結(jié)論：已知熱電偶在某一給定冷端溫度下進行的分度，只要引入適當(dāng)?shù)男拚涂梢栽诹硗獾睦涠藴囟认率褂?。這就為制定熱電偶的熱電勢—溫度關(guān)系分度表奠定了理論基礎(chǔ)。和熱電偶具有同樣熱電性質(zhì)的補償導(dǎo)線可以引入熱電偶的回路中，相當(dāng)于把熱電偶延長而不影響熱電偶應(yīng)有的熱電勢，這就為工業(yè)測溫中應(yīng)用補償導(dǎo)線提供了理論依據(jù)在測溫時，為了使熱電偶的冷端溫度保持恒定，可以把熱電偶做得很長，使冷端遠離熱端，并連同測量儀表一起放置到恒溫或溫度波動較少的溫度(如集中控制室)。但這種放法要耗費好多貴重的熱電極材料，因此，一般使用一種所謂補償導(dǎo)線和熱電偶的冷端相連接（如圖3-8所示），這種補償導(dǎo)線是兩種不同的金屬材料，它在一定的溫度范圍內(nèi)（0-100攝氏度）和連接的熱電偶具有相同的熱電性質(zhì)，可用它們來做熱電偶的延長線。我國規(guī)定補償導(dǎo)線分為補償性和延伸型兩種。補償型補償導(dǎo)線的材料與對應(yīng)的熱電偶不同，是用賤金屬制成的，但在低溫下它們的熱電性質(zhì)是相同的。延伸型補償導(dǎo)線的材料與對應(yīng)的熱電偶相同，但其熱電性能的準(zhǔn)確度要求略低。補償導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)與電纜一樣，有單芯、雙芯等;芯線外為絕緣層和保護層，有的還有屏蔽層。根據(jù)補償導(dǎo)線所耐環(huán)境溫度不同。有可分為一般用和耐熱用兩種。根據(jù)補償導(dǎo)線熱電勢的允許誤差大小又可分為普通級和精密級。就一般而言，補償導(dǎo)線電阻率較小，線徑較粗，這有利于減少熱電偶回路的電阻。常用的熱電偶是由熱電極（熱偶絲），絕緣材料（絕緣管）和保護套等部分構(gòu)成的。圖3-9所示是工業(yè)用普通型熱電偶的結(jié)構(gòu)熱電極材料及其熱電性質(zhì)對熱電極材料的主要要求是：物理性能穩(wěn)定，能在較寬的溫度范圍內(nèi)使用，其熱電性質(zhì)不隨時間變化?；瘜W(xué)性能穩(wěn)定，在高溫下不易被氧化和腐蝕熱電勢和熱電勢率（溫度每變化一度所引起的熱電勢的變化）大，熱電勢與溫度之間呈線性關(guān)系：電導(dǎo)率高，電阻溫度系數(shù)小復(fù)制性好，以便互換；價格便宜目前所用的熱電極材料，不論是純金屬，合金還是非金屬，都難以滿足以上全部要求，所以在不同的測溫條件下要用不同的熱電極材料。P75表4-1列出了某些熱電極材料的熱電性質(zhì)和其他物理性質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶所謂標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶是指制造工藝較成熟、應(yīng)用廣泛、能成批生產(chǎn)、性能優(yōu)良而穩(wěn)定并已列入專業(yè)或國家工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化文件中的那些熱電偶。由于標(biāo)準(zhǔn)化文件對同一型號的標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶規(guī)定了統(tǒng)一的熱電極材料及其化學(xué)成分，熱電性質(zhì)和允許誤差，也就是說標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶具有統(tǒng)一的分度表。對于同一型號的標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶具有互換性，使用十分方便。下面簡要介紹各種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的性能和特點

鉑銠10-鉑熱電偶（分度號S）這是一種貴金屬熱電偶，直徑通常約為0.5mm,它長期使用的最高溫度可達1300℃，短期使用可達1600℃。這種熱電偶的復(fù)制性好，測量準(zhǔn)確度高，宜在氧化性及中性氣氛中使長期使用，在真空中可短期使用。但不能在還原性氣氛及還有金屬或非金屬蒸汽中使用，除非外面套有合適的非金屬保護套管，防止這些氣氛和它直接接觸。這些熱電偶在高溫下長期使用，其晶粒會過分增大，導(dǎo)致鉑電極折斷。高溫下鉑電極對污染很敏感，熱電勢會下降，而且鉑銠電極中的銠會揮發(fā)或向鉑電極擴散，這樣熱電勢也會下降.這種熱電偶的熱電勢較小，價格較貴。這是他的不足之處。鉑銠10－鉑熱電偶分度表見附錄表１－２．２.鉑銠１３－鉑熱電偶（分度號Ｒ）這種熱電偶的基本性能和使用條件和鉑銠１０－鉑熱電偶相同，只是熱電勢略大些，歐美等國家是用較多，其分度表見附錄表1-33.鉑銠30-鉑銠6熱電偶（分度號B）

這也是貴金屬熱電偶，直徑通常為0.5mm.長期使用最高溫度可達1600℃，短期使可達1800℃,它宜在氧化性或中性氣氛中使用，在真空中可短期使用，它不能在還原性氣氛及還有金屬或金屬蒸汽的氣氛中使用，除非外面套有合適的非金屬保護套管。與鉑銠10-鉑熱電偶相比，由于它的兩個熱電極都是鉑銠合金，因此抗污染能力增大，晶粒增大也很小，熱電性質(zhì)更為穩(wěn)定。這種熱電偶的熱電勢及熱電勢率都比鉑銠10-鉑熱電偶更小。由于他在低溫時的熱電勢很小，因此冷端在50℃以下使用時，可不必進行冷端溫度補償，鉑銠30-鉑銠6熱電偶分度表見附錄1-44．鎳鉻—鎳硅（鎳鉻—鎳鋁）熱電偶（分度號K）它是賤金屬熱電偶，熱電極直徑一般為0.3~3.2mm,直徑不同，它的最高使用溫度也不同，以直徑3.2mm為例，它長期使用的最高溫度為1200℃,短期測溫可達1300℃.在500℃以下可在還原性、中性和氧化性氣氛中可靠的工作，而在500℃以上只能在氧化性或中性氣氛中工作。鎳鉻—鎳硅熱電可用于溫度很低的含氫或氨的氣氛中。而不能用于氧化還原交替的氣氛中，也不能用于含硫的氣氛中。在真空中只能短期使用（因為鉻將揮發(fā)而改變分度值）。鎳鉻—鎳鋁熱電偶與鎳鉻—鎳硅熱電偶的熱電特性幾乎完全一致，但是鎳硅合金比鎳鋁合金的抗氧化性更好，目前我國基本上已用鎳鉻—鎳硅熱電偶取代鎳鉻—鎳鋁熱電偶。鎳鉻—鎳硅熱電偶的熱電勢率比鉑銠10—鉑熱電偶的大4~5倍，而且溫度和熱電勢關(guān)系較近與直線關(guān)系。鎳鉻—鎳硅（鎳鋁）熱電偶分度表見附錄表I—55．鎳鉻—康銅熱電偶（分度號E）這是賤金屬熱電偶，測溫范圍為-200~900℃,熱電極直徑為0.3~3.0mm.直徑不同，最高使用溫度也不同，以直徑3.2mm為例，長期使用最高溫度為750℃,短期使用最高可達900℃.這種熱電偶適合在氧化性或中性氣氛中使用。在其他氣氛中使用所受的限制與鎳鉻—鎳硅熱電偶相同。這種熱電偶適合在0℃以下測量，因為它在高濕度氣氛中不易腐蝕，在通常熱電偶中，這種熱電偶每攝氏度對應(yīng)的電勢最高，因此常使用這種熱電偶。其分度表見附錄I-66.鐵—康銅熱電偶（分度號J）這是賤金屬熱電偶，測溫范圍為-40~7500C,熱電極直徑為0.3~3.2mm，它的最高的測量溫度與熱電極直徑無關(guān)。它適用于氧化，還原性氣氛中測溫，亦可用在真空、中性氣氛中測溫。它不能在5380C以上的含硫氣氛中使用。這種熱電偶具有穩(wěn)定性好，靈敏度高和價格低廉等優(yōu)點，其分度表見附錄I—7.7.銅—康銅熱電偶（分度號T）這是賤金屬熱電偶，測溫范圍為-200~400℃,熱電極直徑為0.2~1.6mm，它的最高測量溫度與熱電極直徑無關(guān)。它適合在氧化、還原、真空及中性氣氛中使用，它在潮濕的氣氛中還是抗腐蝕的。特別適合于0℃以下的溫度的測量。它的主要特點是測溫準(zhǔn)確度高，穩(wěn)定性好，低溫時靈敏度高以及價格低廉，其分度表見附錄表I—8我國標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的主要特性見表3-21）對于分度號為S、R、B的貴金屬來說，長期使用最高溫度是指在干燥空氣中熱電偶在該溫度下經(jīng)過200h工作后，其原始分度值的變化不超過0.5%,短期使用的最高溫度、工作氣氛及原始值的變化與上述相同，經(jīng)歷的時間則為20h.2)對分度號為K、E、J、T的賤金屬來說，其長期使用的最高溫度是指在干燥空氣中熱電偶在該溫度下經(jīng)過1000h工作后，其原始分度值的變化不超過0.75%；短期使用的最高溫度、工作氣氛及原始值的變化與上述相同，經(jīng)歷時間則為100h.3)分度號為E、J、T熱電偶的負極雖然都是康銅（銅鎳合金），但通常含有少量的不同元素，以控制熱電勢，并相應(yīng)減少鎳或銅的含量，或同時減少二者的含量三．非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶無論在使用范圍或數(shù)量上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶。但在某些特殊場合，譬如在高溫、低溫、超低溫、高真空和有核輻射等被測對象中，這些熱電偶具有某些特別良好的性能。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶一般沒有統(tǒng)一的分度表。鎢錸系熱電偶鎢錸系熱電偶可用來測量高達2760℃的溫度，通常用于測量低于2316℃的溫度，短時間測量可達3000℃。這種系列熱電偶可用在干燥的氣氛、中性氣氛和真空中，不宜用在還原性氣氛、潮濕的氫氣及氧化性氣氛中。常用的鎢錸系熱電偶有下列一些：鎢—鎢錸26、鎢錸3—鎢錸25、鎢錸5—鎢錸20和鎢錸5—鎢錸26，這些熱電偶的用溫度為300~2000℃，分度誤差為±1%t。銥銠系熱電偶銥銠—銥熱電偶可用在真空、中性及弱氧化性氣氛中，但不宜用在還原性氣氛中，在氧化性氣氛中使用將縮短壽命。它的正極銥銠合金的含銠量有40%，50%，60%三種，它們在中性氣氛和真空中可測量的溫度分別為2100℃、2050℃和2000℃，短時間可測量的最高溫度分別為2180℃、2140℃、2090℃，其測量準(zhǔn)確度可達±1%t。3.鉑鉬5-鉑鉬0.1熱電偶這種熱電偶因具有小的中子俘獲截面，適合于測量氣體冷卻原子反應(yīng)堆中的氦氣溫度。它在中性氣氛（氦）中長期使用的最高溫度為1400℃，短期使用的最高溫度為1550℃。它不宜用在還原性和氧化性氣氛中，也不宜用在真空中。4.非金屬熱電偶目前已定型并投入生產(chǎn)的有以下幾種產(chǎn)品：熱解石墨熱電偶、二硅化鎢-二硅化鉬熱電偶、石墨-二硼化鋯熱電偶、石墨-碳化鈦熱電偶和石墨-碳化鈮熱電偶等。這五種熱電偶的準(zhǔn)確度為±（1～1.5）％t，在氧化性氣氛中可用于1700℃左右。二硅化鎢-二硅化鉬熱電偶在含碳氣氛、中性氣氛和還原性氣氛中可用到2500℃。石墨-碳化鈦、石墨-碳化鈮和石墨-二硼化鋯等熱電偶在中性和含碳氣氛中可用到2000℃。這些熱電偶的出現(xiàn)，開辟了含碳氣氛中測溫的途徑，使得不用貴金屬也能在氧化性氣氛中測量高溫。不過到目前為止，非金屬熱電偶材料的復(fù)制性還很差，故沒有統(tǒng)一的分度表，也不能成批生產(chǎn)。另外其機械強度較差，因此在使用中受到較大的限制。

四、熱電偶的構(gòu)造

1.普通型熱電偶常用的普通型熱電偶本體是一端焊接的兩根金屬絲（熱電極）?？紤]到兩根熱電極之間的電氣絕緣和防止有害介質(zhì)侵蝕熱電極，在工業(yè)上使用的熱電偶一般都有絕緣管和保護套管。在個別情況下，如果被測介質(zhì)對熱電偶不會發(fā)生侵蝕作用，也可不用保護套管，以減小接觸測溫誤差與滯后

熱電極熱電極的直徑由材料的價格、機械強度、電導(dǎo)率以及熱電偶的用途和測量范圍等決定。貴金屬熱電極的直徑一般是0.3～0.65mm；賤金屬熱電極的直徑一般是0.5～3.2mm。熱電偶的長度根據(jù)熱端在介質(zhì)中插入深度來決定，通常為350～2000mm。熱電偶熱端通常采用焊接方式形成。為了減小熱傳導(dǎo)誤差和滯后，焊點宜小，焊點直徑應(yīng)不超過兩倍熱電極直徑。焊點的形式有點焊、對焊、絞狀點焊等多種，如圖3-10所示絕緣材料熱電偶的兩根熱電極要很好地絕緣，以防短路。在低溫下可用橡膠、塑料等作絕緣材料；在高溫下采用氧化鋁、陶瓷等制成圓形或橢圓形的絕緣管，套在熱電極上。絕緣管的形狀見圖3-11，常用的絕緣材料見表3-3。保護套管為了防止熱電極遭受化學(xué)腐蝕和機械損傷，熱電偶通常都是裝在不透氣的、并帶有接線盒的保護套管內(nèi)，接線盒內(nèi)有連接熱電極的兩個接線柱，以便連接補償導(dǎo)線或者導(dǎo)線。對保護套管材料的要求是能承受溫度的劇變，耐腐蝕，有良好的氣密性和足夠的機械強度，有高的熱導(dǎo)率，在高溫下不致和絕緣材料及熱電極其作用，也不產(chǎn)生對熱電極有害的氣體。目前還沒有一種材料能同時滿足上述要求，因此應(yīng)根據(jù)局提供工作條件選擇保護套管的材料。常用的保護套管材料及其所耐溫度見表3-4名稱長期使用溫度上限℃名稱長期使用溫度上限℃天然橡膠聚乙烯聚四氟乙烯玻璃和玻璃纖維60~8080250400石英陶瓷氧化鋁氧化鎂1100120016002000二、標(biāo)準(zhǔn)化與非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶（續(xù)9）熱電偶用保護套管的材料常用保護套管外形如圖3-12所示，主要用于測量氣體蒸汽和液體等介質(zhì)的熱電偶。按其安裝時的連接形式可分為螺紋連接和法蘭連接兩種；按其使用時的被測介質(zhì)壓力大小可分為密封螺紋式和高壓固定螺紋式兩種?？筛鶕?jù)使用具體情況選擇。材料名稱（金屬）能耐溫度（`c）材料名稱（非金屬）能耐溫度（`c）鋼20號碳鋼1Cr18Ni9Ti不銹鋼鎳鉻合金3506008701150石英高溫陶瓷高純氧化鋁氮化硼1100130017003000（還原性氣氛）二、標(biāo)準(zhǔn)化與非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶（續(xù)10）二、標(biāo)準(zhǔn)化與非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶（續(xù)11）

還有一種保護套管結(jié)構(gòu)（稱為焊接固定錐形熱電偶），其外形如圖3-12g所示。它是用在高溫高壓蒸汽管道上測量蒸汽溫度使用的。這些熱電偶測溫時的時間常數(shù)隨保護套管材料及直徑而變化。圖3-12a至e形式的熱電偶，當(dāng)采用金屬保護套管，保護套管外徑為12mm時，其時間常數(shù)為45s，保護套管外徑為16mm時，其時間常數(shù)為90s，對于圖3-12f,g所示兩種耐高壓金屬熱電偶，時間常數(shù)為2.5min。（4）接線盒：接線盒中有接線端子，它將熱電極和連接導(dǎo)線連接起來。接線盒起密封和保護接線端子的作用。它有普通式，防濺式，防水式，隔爆式和插座式等。二、標(biāo)準(zhǔn)化與非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶（續(xù)12）2.鎧裝熱電偶鎧裝熱電偶是由金屬套管，絕緣材料和熱電極經(jīng)拉伸加工而成的堅實組合體，其結(jié)構(gòu)如圖3-13所示。套管材料有銅，不銹鋼及鎳基高溫合金等。熱電偶和套管之間填滿了絕緣的材料粉末，目前采用的絕緣材料絕大部分為氧化鎂。套管中熱電極有單絲的，雙絲的和四絲的，彼此之間互相絕緣。熱電偶的種類則是標(biāo)準(zhǔn)的或非標(biāo)準(zhǔn)的金屬熱電偶。目前生產(chǎn)的鎧裝熱電偶，其外徑一般為1~6mm，長度為1~20m，外徑最細的有0.2mm,長度最長有超過100m的。它測量的溫度上限除和熱電偶有關(guān)外，還和套管的外徑及管壁厚度有關(guān)。外徑粗，管壁厚時測溫上限可高些。鎧裝熱電偶的熱端有露端形，接殼形，絕緣形，扁變截面形及圓變截面形等。如圖3-14所示，可根據(jù)需要選擇使用所需形式。二、標(biāo)準(zhǔn)化與非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶（續(xù)12）

鎧裝熱電偶的主要優(yōu)點是：熱端容量小，動態(tài)響應(yīng)快，機械強度高，撓性好，耐高壓、強烈震動和沖擊，可安裝在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝置上，因此廣泛應(yīng)用在許多工業(yè)部門。表3-5對不同套管尺寸推薦的最高長期使用溫度公稱直徑（mm）1.021.573.184.786.35公稱壁厚（mm）0.180.250.500.640.81K型（℃）760870870870980J型（℃）540760760760870E型（℃）650760760870930二、標(biāo)準(zhǔn)化與非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶（續(xù)13）3.薄膜熱電偶薄膜熱電偶是由兩種金屬薄膜連接而成的一種特殊結(jié)構(gòu)的熱電偶。這種薄膜熱電偶的熱端既小又薄，可以用于微小面積上的測量；動態(tài)響應(yīng)快，可測量瞬變的表面溫度。其中片狀結(jié)構(gòu)的薄膜熱電偶，是采用真空蒸鍍法將兩種熱電極材料蒸鍍到絕緣極板上，上面再蒸鍍一層二氧化硅薄膜作絕緣和保護層。我國研制成的鐵-鎳薄膜熱電偶如圖3-15所示，其長，寬，厚三個方向的尺寸分別是60，6，0.2mm。金屬薄膜厚度在3~6um之間，測溫范圍為0~300℃，時間常數(shù)小于0.01s。如果將熱電極材料直接蒸鍍在被測表面上，其時間常數(shù)可達微秒級，可用來測量變化極快的溫度。也可將薄膜熱電偶制成針狀，針尖處為熱端，可用來測量點的溫度。三、熱電偶冷端溫度補償問題從熱電偶的測溫原理中知道，熱電偶熱電勢的大小不但與熱端溫度有關(guān)，而且與冷端溫度有關(guān)，只有在冷端溫度恒定的情況下，熱電勢才能正確反映熱端溫度高低。在實際應(yīng)用時，熱電偶的冷端放置在距熱端很近的大氣中，受高溫設(shè)備和環(huán)境溫度波動的影響較大，因此冷端溫度不可能是恒定值。為消除冷端溫度變化對測量的影響，可采用下述幾種冷端溫度補償方法。一.計算法各種熱電偶的分度關(guān)系是在冷端溫度為0℃的情況下得到的。如果測溫?zé)犭娕嫉臒岫藶閠℃，冷端為0℃時的熱電勢：

E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)（3-4）三、熱電偶冷端溫度補償問題（續(xù)1）式中

E(t,0)——冷端為0℃，熱端溫度為t℃時的熱電勢；

E(t,t。)——冷端為t?！?，熱端為t℃時的熱電勢，即實測值；

E(t。,0)——當(dāng)冷端為t?！鏁r應(yīng)加的校正值，它相當(dāng)于同一只熱電偶在冷端為0℃，熱端為t。℃時的熱電勢，該值可以從熱電偶分度表中查得。然后用E(t,0)從分度表中查得溫度t,t就是通過計算法補償了冷端溫度不在0℃所產(chǎn)生的電勢變化后得到的熱端溫度。例如用鎳鉻-鎳硅熱電偶測溫，熱電偶冷端溫度t。=35℃，測得E(t,t。)=33.339mV，從分度表中查得E(35,0)=1.407mV，于是E(t,0)=33.339+1.407=34.746mV，用34.746mV查分度表，便可得被測溫度t=836℃。可以看出，用計算法來補償冷端溫度變化的影響，適用于實驗室測溫，對于現(xiàn)場使用的直讀式儀表測溫，用此方法補償是很不方便的。三、熱電偶冷端溫度補償問題（續(xù)2）二.冰點槽法如果在測溫時將熱電偶冷端置于0℃下，就不需要進行冷端溫度補償，這時需要設(shè)置一個溫度恒為0℃的冰點槽。圖3-16所示是一個簡單的冰點槽，把清潔水制成冰屑，冰屑與清潔水相混合后放在保溫瓶中。在一個大氣壓下，冰和水的平衡溫度就是0℃

。在一個大氣下，冰和水的平衡溫度就是0℃

。在瓶蓋上插進幾根盛有變壓器油的試管是為了保證傳熱性能良好，將熱電偶的冷端插到試管里。

冰點槽法是一個準(zhǔn)確度很高的冷端溫度處理方法，然而需要保持冰水兩相共存，使用起來比較麻煩，因此這個方法只用于實驗室，工業(yè)生產(chǎn)中一般不采用。有一種利用接觸電位差效應(yīng)的熱電致冷器，在它的容器中自動保持冰和水的平衡狀態(tài)，使溫度恒定在0℃

。使用時把熱電偶的冷端直接插入容器中。有的致冷器內(nèi)部裝有數(shù)種熱電偶的冷端，連接冷端的熱電極導(dǎo)線接到儀器外部的接線端子上，使用者選用冷端后可方便的接線。三、熱電偶冷端溫度補償問題（續(xù)3）三.補償電橋法（冷端補償器）補償電橋法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的電壓來補償熱電偶冷端溫度變化而引起的熱電勢變化。冷端溫度補償電橋是一個不平衡電橋，其線路如圖3-17所示。橋壁電阻R1,R2,R3和RCu與熱電偶冷端處于相同的環(huán)境溫度下。其中R1=R2=R3=1Ω，且都是錳銅線繞電阻，RCu是銅導(dǎo)線繞制的補償電阻。E(=4V)是橋路直流電源；Rs是限流電阻，其阻值因熱電偶不同而不同。選擇RCu的阻值使橋路在20℃時處于平衡狀態(tài)，即RCu=1Ω，此時橋路輸出Uab=0。當(dāng)冷端溫度升高時，RCu隨著增大，Uab也隨著增大，而熱電偶的熱電勢Es卻隨著減小。如果Uab的增加量等于Es減少量，那么Uab（UAB=Es+Uab）的大小就不隨冷端溫度變化了。三、熱電偶冷端溫度補償問題（續(xù)4）通過改變限流電阻Rs的阻值來改變留過橋壁的電流，可使補償電橋與不同類型的熱電偶配合使用。我國生產(chǎn)的冷端補償器的性能見表3-7。如果電橋平衡時的溫度為20℃，則冷端溫度t。=20℃。在使用時，與其配接的動圈表的機械零點應(yīng)調(diào)至20℃。與熱電偶配接的溫度變送器及電子自動電位差計中也有溫度補償電路，而且就作為儀表測量線路的一部分，它們都是將熱電偶的冷端溫度補償至0℃。三、熱電偶冷端溫度補償問題（續(xù)5）四.多點冷端溫度補償法為了節(jié)省儀表，在同一設(shè)備或同一車間里，可利用多點切換開關(guān)把幾只甚至幾十只同一分度號的熱電偶接到一塊儀表上，這時只需要用一個公共的冷端補償器。還有一個辦法如圖3-18所示，即把所有的熱電偶冷端引到一個接線盒子里，在這個盒子里放置著補償熱電偶的熱端。補償熱電偶可以是一支測溫?zé)犭娕蓟蚴怯脺y溫?zé)犭娕嫉难a償導(dǎo)線制成的熱電偶。補償熱電偶和測溫?zé)犭娕纪ㄟ^切換開關(guān)和儀表串接起來，使冷端溫度的變化引起測溫?zé)犭娕己脱a償熱電偶的熱電勢變化相互補償。此時動圈表的機械零點應(yīng)調(diào)整到補償熱電偶較為恒定的冷端溫度t。處，三、熱電偶冷端溫度補償問題（續(xù)6）也可以把數(shù)支熱電偶的冷端引到一個加熱的恒溫器內(nèi)，恒溫器用電阻絲加熱，用水銀接點溫度計控制恒溫器在某一衡定溫度（50℃或60℃），此時與之配接的動圈表的機械零點應(yīng)調(diào)至恒溫箱的恒定溫度處。五.晶體管PN結(jié)溫度補償法近年來國內(nèi)外還有采用溫敏二極管或溫敏晶體管構(gòu)成熱電偶冷端溫度補償器的。根據(jù)測得的環(huán)境溫度，將一個相應(yīng)的PN結(jié)上的電壓引入熱電偶回路，這種溫度補償?shù)撵`敏度和準(zhǔn)確度都很高。四、熱電偶的校驗熱電偶在使用過程中，熱端受到氧化，腐蝕作用和高溫下熱電偶材料發(fā)生再結(jié)晶，這些會引起熱電特性發(fā)生變化，使測溫誤差越來越大。為了使溫度測量有一定的準(zhǔn)確度，熱電偶必須定期進行校驗，以確定其誤差大小。當(dāng)其誤差超出規(guī)定范圍時，要更換熱電偶或把原來熱電偶的熱端剪去一段，重新焊接，經(jīng)校驗后再使用。新焊制的熱電偶也要通過實驗確定它的熱電特性（分度）。熱電偶校驗是一項重要的工作，根據(jù)國家規(guī)定，各種熱電偶必須在表3-8所列的溫度點進行校驗，并要求校驗點的溫度變化控制在+10℃的范圍內(nèi)。對于K,E分度號熱電偶，如果在300℃以下使用，則應(yīng)增加100℃校驗點。校驗時在油浴中將它們與二等標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計相比較。采用比較法進行校驗時，對于測量高于300℃的熱