3.3　热电偶温度计

热电偶温度计是以热电效应为基础，将温度变化转换为热电势变化进行温度测量的设备，是目前应用最为广泛的温度传感器。它测温的精度高、灵敏度好、稳定性及复现性较好、响应时间短、结构简单、使用方便、测温范围广。测温范围为-200～1600℃，在特殊情况下，可测2800℃的高温或4K的低温。

3.3.1　测温原理

热电偶的测温原理是基于1821年塞贝克（Seebeck）发现的热电现象。将两种不同的导体或半导体连接成如图3-5所示的闭合回路，如果两个接点的温度不同，则在回路内就会产生热电势，这种现象称为塞贝克热电效应。图3-5中闭合回路称为热电偶。导体A和导体B称为热电偶的热电丝或热偶丝。热电偶两个接点中置于温度为T的被测对象中的接点称为测量端，又称工作端或热端；温度为参考温度T0的一端称为参考端，又称自由端或冷端。

热电偶产生的热电势由接触电势与温差电势两部分组成。

1.接触电势

接触电势是指两种不同的导体相接触时，因各自的电子密度不同而产生电子扩散，当达到动平衡后所形成的电势。接触电势的大小取决于两种不同导体的性质和接触点的温度。

温度越高，接触电势越大；两种导体电子密度的比值越大，接触电势也越大。

式中：K——波尔兹曼常数，K=1.38×10-23J/K；

e——单位电荷电量，e=1.6×10-19C；

NA（T）——材料A电子密度；

NB（T）——材料B电子密度。

设NA（T）>NB（T），当两种导体相接触时，从A扩散到B的电子数比从B扩散到A的电子数多，在A、B接触面上形成从A到B方向的静电场，如图3-6（a）所示。

2.温差电势

温差电势是指同一导体的两端因温度不同而产生的电势。如图3-6（b）所示，导体A两端温度分别为T和T0。设T>T0，从高温端移动到低温端的电子数比低温端移动到高温端的多，因此在高、低温端之间形成静电场。不同的导体具有不同的电子密度，所以它们的温差电势也不一样。

式中：K——波尔兹曼常数，K=1.38×10-23J/K；

e——单位电荷电量，e=1.6×10-19C。

3.热电偶回路的热电势

对于A、B两种导体构成的热电偶回路中，总热电势包括两个接触电势和两个温差电势，热电偶接触电势和温差电势分布如图3-7所示，热电偶回路总电势为

EAB（T，T0）=eAB（T）+eB（T，T0）-eAB（T0）-eA（T，T0）　　（3-8）

对于确定的材料A和B，NA（t）与NB（t）和温度T的关系已知，则

EAB（T，T0）=f（T）-f（T0）　　（3-9）

如果参考端温度（T0）保持恒定，则

EAB（T，T0）=f（T）-C　　（3-10）

从中可以看出：

（1）热电偶两电极材料相同，无论热电偶两端温度如何，热电偶回路总热电势为零。

（2）如果热电偶两端温度相同（T=T0），则尽管两电极材料不同，热电偶回路内的总热电势也为零。

（3）热电偶回路的总热电势与相应热电极材料的性质及两接点温度有关。在热电极材料一定时，EAB（T，T0）是两端点温度的函数差，而不是温度差的函数，且热电势与温度的关系不成线性关系。

（4）若将参考端温度保持恒定，则对一定材料的热电偶，其总热电势就只是热端温度的单值函数，只要测出热电势的大小，就能得到热端温度的数值。这就是热电偶的测温原理。

一般情况下，热电偶的接触电势远大于温差电势，故其热电势的极性取决于接触电势的极性。在两个热电极中，电子密度大的导体A总是正极，而电子密度小的导体B总是负极。

3.3.2　基本定律

1.均质导体定律

由同一种均质导体或半导体组成的闭合回路中，不论其截面和长度如何，不论其各处的温度分布如何都不能产生热电势。如果热电势本身材质不均匀，由于温度梯度的存在，将会产生附加热电势。

2.中间导体定律

在热电偶回路中接入中间导体C后，只要中间导体两端温度相同，中间导体的引入对热电偶回路的总热电势没有影响。

3.中间温度定律

热电偶在接点温度T1、T3时的热电势等于接点温度分别为T1、T2和T2、T3的两支同性质热电偶的热电势的代数和，如图3-8所示，即

EAB（T1，T3）=EAB（T1，T2）+EAB（T2，T3）　　（3-11）

3.3.3　热电偶结构

热电偶结构类型较多，应用最广泛的主要有普通型热电偶及铠装型热电偶，其结构图如图3-9所示。

1.普通型热电偶

热电偶是由两种不同材料的热电极所组成的。热电极的直径是由材料的价格、机械强度、导电率以及热电偶的测温范围等决定的。贵金属的热电极大多采用直径为0.3～0.65mm的细丝。普通金属热电极直径一般为0.5～3.2mm，长度由安装条件及插入深度而定，一般为350～2000mm。普通型热电偶由热电极、绝缘套管、保护套管及接线盒四部分组成，如图3-9（a）所示。

2.铠装型热电偶

铠装型热电偶是将热电偶丝与绝缘材料及金属套管经整体复合拉伸工艺加工而成的可弯曲的坚实组合体，如图3-9（b）所示。它较好地解决了普通热电偶体积及热惯性大，对被测对象温度场影响较大，不易在热容量较小的对象中使用，在结构复杂弯曲的对象上不便安装等问题。与普通热电偶不同的是：

（1）热电偶与金属保护套管之间被氧化镁材料填实，三者成为一体。

（2）具有一定的可挠性，一般最小弯曲半径为其直径的5倍，这使得安装使用更加方便。

3.3.4　热电偶材料

1.热电偶材料的性质

根据热电偶测温原理，理论上任意两种导体都可以组成热电偶。但为了保证一定的测量精度，对组成电极材料必须进行严格选择。工业用热电极材料应满足以下要求：

（1）热电极的物理性质和化学性能稳定性较高，即在测温范围内热电特性不随时间变。

（2）电阻温度系数小，导电率高。

（3）温度每升高1℃所产生的热电势要大，而且热电势与温度之间尽可能为线性关系。

（4）材料组织要均匀，有韧性，复现性好，便于成批生产及互换。

2.标准化热电偶

常用热电偶分度号有S、B、K、E、T、J等，这些都是标准化热电偶。其中K型也即镍铬-镍硅热电偶，它是一种能测量较高温度的廉价热电偶。由于这种合金具有较好的高温抗氧化性，可适用于氧化性或中性介质中。它可长期测量1000℃的高温，短期可测到1200℃。它不能用于还原性介质中，否则，很快被腐蚀，在此情况下只能用于500℃以下的测量。它比S型热电偶要便宜很多，它的重复性很好，产生的热电势大，因而灵敏度很高，而且它的线性很好。虽然其测量精度略低，但完全能满足工业测温要求，所以它是工业上最常用的热电偶。

（1）铂铑10-铂热电偶（分度号为S，又称单铂铑热电偶）。该热电偶的正极成分为含铑10％的铂铑合金，负极为纯铂。它的特点如下：

①热电性能稳定、抗氧化性强、宜在氧化性气氛中连续使用、长期使用温度可达1300℃，超过1400℃时，即使在空气中，纯铂丝也将会再结晶，使晶粒粗大而断裂。

②精度高，它是在所有热电偶中，精度等级最高的，通常用作标准或测量较高的温度。

③使用范围较广，均匀性及互换性好。

④主要缺点有：微分热电势较小，因而灵敏度较低；价格较高，机械强度低，不适宜在还原性气氛或有金属蒸气的条件下使用。

（2）镍铬-镍硅（镍铝）热电偶（分度号为K）。该热电偶的正极为含铬10的镍铬合金，负极为含硅3的镍硅合金（有些国家的产品负极为纯镍）。可测量0～1300℃的介质温度，适宜在氧化性及惰性气体中连续使用，短期使用温度为1200℃，长期使用温度为1000℃，其热电势与温度的关系近似线性，价格便宜，是目前用量最大的热电偶。

K型热电偶是抗氧化性较强的碱金属热电偶，不适宜在真空、含硫、含碳气氛及氧化还原交替的气氛下裸丝使用；当氧分压较低时，镍铬极中的铬将择优氧化，使热电势发生很大变化，但金属气体对其影响较小，因此，多采用金属制保护管。

K型热电偶的缺点如下：

①热电势的高温稳定性较N型热电偶及贵重金属热电偶差，在较高温度下（例如，超过1000℃）往往因氧化而损坏。

②在250～500℃范围内短期热循环稳定性不好，即在同一温度点，在升温降温过程中，其热电势示值不一样，其差值为2～3℃；

③其负极在150～200℃范围内要发生磁性转变，致使在室温至230℃范围内分度值往往偏离分度表，尤其是在磁场中使用时往往出现与时间无关的热电势干扰。

④长期处于高通量系统辐照环境下，由于负极中的锰（Mn）、钴（Co）等元素发生蜕变，使其稳定性欠佳，致使热电势发生较大变化。

（3）镍铬-铜镍（康铜）热电偶（分度号为E）。E型热电偶是一种较新的产品，它的正极是镍铬合金，负极是铜镍合金（康铜），其最大特点是在常用的热电偶中，其热电势最大，即灵敏度最高；它的应用范围虽不及K型热电偶广泛，但在要求灵敏度高、热导率低、可容许大电阻的条件下，常常被选用；使用中的限制条件与K型相同，但对于含有较高湿度气氛的腐蚀不很敏感。

除了以上三种常用的热电偶外，作为非标准化的热电偶还有钨铼热电偶、铂铑系热电偶、铱锗系热电偶、铂钼系热电偶和非金属材料热电偶等。

目前中国已采用国际电工委员会推荐的八种标准化热电偶。八种标准化热电偶的主要性能见表3-2。

八种标准化热电偶热电势与温度之间的关系如图3-10所示。

3.3.5　热电偶冷端温度的处理方法

为了使用上的方便，与各种标准化热电偶配套的显示仪表，是根据所配用热电偶的分度表，将热电势转换为对应的温度数值来进行刻度的。各种热电偶的分度表均是在参考端即冷端温度（t0）为0℃的条件下，得到的热电势与温度之间的关系，因此，热电偶测温时，冷端温度必须为0℃，否则将产生测量误差。而在工业上使用时，要使冷端保持在0℃是比较困难的，所以，必须根据不同的使用条件和要求的测量精度，对热电偶冷端温度采用一些不同的处理办法。常用的如下几种：

1.补偿导线延伸法

热电偶做得很长，使冷端延长到温度比较稳定的地方，由于热电极本身不便于敷设，对于贵金属热电偶也很不经济。因此，采用一种专用导线将热电偶的冷端延伸出来，如图3-11所示。而这种导线也是由两种不同金属材料制成的。在一定温度范围内（100℃以下）与所连接的热电偶具有相同或十分相近的热电特性，其材料也是廉价金属，将这种导线为补偿导线。

根据热电偶补偿导线标准，不同热电偶所配用的补偿导线也不同，并且有正、负极性之分，各种补偿导线的正极均为红色，负极的不同颜色分别代表不同的分度号和导线，使用时注意与型号相匹配，并且极性不能接错，否则将产生较大的测量误差。常见的热电偶补偿导线见表3-3。

按照国家标准（GB/T 4989—2013）补偿导线的精度等级分为精密级（A），普通级（B），按使用温度可分为一般用（G）和耐热用（H）两类。

注意，无论是补偿型还是延伸型，补偿导线本身并不能补偿热电偶冷端温度的变化，只是起到热电偶冷端延伸的作用，改变冷位置，以便采用其他补偿方法。在规定的范围内，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.冰点法

各种热电偶的分度表都是在冷端为0℃的情况下制定的，如果把冷端置于能保持温度为0℃的冰点槽内，则测得的热电势就代表被测的实际温度。冰点槽内的温度变化不能超过±0.02℃，保持冰水两相共存。因此冰点法一般在实验室里的精密测量中使用，工业测量时均不采用。

如图3-12所示，将水与冰屑混合放入保温瓶，在瓶盖上插入盛变压器油的试管，热电偶的冷端插入到试管中。

3.计算修正法

当热电偶冷端温度不是0℃而是t0℃时，测得的热电偶回路中的热电势为E（t，t0）。可采用式（3-12）进行修正：

E（t，0）=E（t，t0）+E（t0，0）　　（3-12）

式中：E（t，0）——冷端为0℃，测量端为t℃时的热电势。

E（t，t0）——冷端为t0℃，测量端为t℃时的热电势。

E（t0，0）——冷端为0℃，测量端为t0℃时的热电势，即冷端温度不为0℃时热电势校正值。

例3-1　用K型热电偶测温，t0=30℃，测得E（t，t0）=25.566mV，求被测的实际温度。

解　由K型热电偶的分度表中查得E（30，0）=1.203mV，则

E（t，0）=E（t，30）+E（30，0）=（25.566+1.203）mV=26.796mV

再查K分度表，得出实际温度为644℃。

用计算修正法来补偿冷端温度变化的影响，只适用于实验室或临时性测温的情况。而对于现场的连续测量显然是不适用的。

4.仪表零点校正法

如果热电偶冷端温度比较恒定，与之配用的显示仪表零点调整又比较方便，则可采用此种方法实现冷端温度补偿。如冷端温度t0已知，可将显示仪表的机械零点直接调至t0处。注意，当冷端温度t0变化时，需要重新调整仪表的零点，若冷端温度变化频繁，此方法则不宜采用，调整显示仪表的零点时，应在断开热电偶回路的情况下进行。

5.补偿电桥法

补偿电桥法是采用不平衡电桥产生的直流电压信号，来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化，又称冷端补偿器。

设计不平衡电桥，电桥与热电偶冷端温度相同。桥臂电阻R1=R2=R3=1W（不变），RCu是铜导线的补偿电阻（随温度变化），E（4V）是桥路的直流电源，Rs是限流电阻，如图3-13所示。

如果补偿电桥按0℃时平衡设计，应将显示仪表的零位预先调至0℃处；如果补偿电桥按20℃时平衡设计，则应将显示仪表的零位预先调至20℃处。

作为工业测温中最广泛使用的温度传感器之一——热电偶，与铂热电阻一起，约占整个温度传感器总量的60，热电偶通常和显示仪表等配套使用，直接测量各种生产过程中液体、蒸气和气体介质以及固体的表面温度。

热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点如下：

（1）测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响，故测量精度高。

（2）测量范围广。常用的热电偶从-50～+1600℃均可持续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨铼）。

（3）构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，使用起来非常方便。

热电偶实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度，对于热电偶的热电势，应注意如下几个问题：

（1）热电偶的热电势是热电偶两端温度函数的差，而不是热电偶两端温度差的函数。

（2）热电偶所产生的热电势的大小：当热电偶的材料是均匀的时，热电势的大小与热电偶的长度和直径无关，只与热电偶材料的成分和两端的温差有关。

（3）当热电偶的两个热电偶丝材料成分确定后，热电偶热电势的大小，只与热电偶的温度差有关；若热电偶冷端的温度保持一定，则热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。

热电偶检测到的温度信号有如下特点：

（1）能用到高温的热电偶，信号都较小，如B型热电偶，1800℃时只有13.585mV。即使是信号较大的K型热电偶，在1300℃时，也只有52.398mV。这就意味着，对检测到的信号要进行放大。

（2）热电偶分度表中给出的数据是以0℃为参考点的。实际应用时，环境温度通常不是0℃。一般要为热电偶冷端创造一个0℃环境，通常的做法是进行冷端补偿。

（3）热电偶的温度信号非线性很大，各种热电偶随温度的升高，在某一温度下，热电势的增加量变小。这就使线性化变得困难。

由于上述特点，温度信号调理电路就比较复杂，其中的一个重要部分就是冷端补偿。现在一般用铂热电阻作为冷端补偿，在每一个热电偶信号输入卡件上专门设置一个通道连接铂热电阻，用于环境温度补偿，简单实用。

例3-2　现用一只分度号为K的热电偶测量某炉温，已知热电偶冷端温度为20℃，显示仪表（本身不带冷端温度补偿装置）读数为400℃。（1）若没有进行冷端温度补偿，试求实际炉温为多少？（2）若利用补偿电桥（0℃时平衡）进行了冷端温度补偿，实际炉温又为多少？为什么？

解　由K型热电偶的分度表可知：

E（400，0）=16.395mV，E（20，0）=0.798mV

（1）设实际炉温为T℃，若没有进行冷端温度补偿，则输入显示仪表的电势为热电偶所产生的热电势，即

E入=E（T，20）=E（T，0）-E（20，0）

由显示仪表读数为400℃可知：E入=E（400，0），于是

E（T，0）-E（20，0）=E（400，0）

查K型热电偶分度表可知：T=418.9℃。

（2）设实际炉温为T℃，若进行冷端温度补偿，则输入显示仪表的电势为热电偶所产生的热电势E（T，20）加上补偿电桥的输出电势E补，即E入=E（T，20）+E补。由补偿原理可知：输出电势E补=E（20，0）。

由显示仪表读数为400℃可知：补偿电桥的E入=E（400，0）

故　　E（T，20）+E（20，0）=E（400，0）

即　　E（T，0）=E（400，0）

因此，对应的实际温度T=400℃。