熱電偶是在科學和技術的所有分支中測量溫度的設備。本文提供了熱電偶的一般概述，並詳細介紹了設備的設計和工作原理。描述了各種熱電偶及其簡要特性，並給出了熱電偶作為測量裝置的評價。
內容
熱電偶設計
熱電偶的工作原理。塞貝克效應
熱電偶是基於德國物理學家托馬斯·塞貝克在 1821 年發現的熱電效應。
這種現像是基於當暴露在一定的環境溫度下時，閉合電路中會出現電流。當具有不同成分（不同金屬或合金）的兩個導體（熱電極）之間存在溫差時會產生電流，並通過保持它們的觸點（結）就位來維持電流。設備在連接的輔助設備的屏幕上顯示測量的溫度值。
輸出電壓與溫度呈線性關係。這意味著測量溫度的升高會導致熱電偶自由端的毫伏值更高。
測溫點處的接點稱為“熱接點”，導線與變送器連接的點稱為“冷接點”。
冷端溫度補償 (CJC)
冷端補償 (CJC) 是在測量熱電偶自由端連接點的溫度時以對最終讀數的修正形式進行的修正。這是由於實際冷端溫度與 0°C 時冷端溫度校準圖表的計算讀數之間存在差異。
CHS 是一種差分方法，其中絕對溫度讀數來自冷端溫度（參考端的另一個名稱）的已知值。
熱電偶設計
熱電偶的設計考慮了外部環境的“侵略性”、物質的聚合狀態、待測溫度範圍等因素的影響。
熱電偶設計特點：
1) 導體對通過進一步的弧焊（很少焊接）通過絞合或絞合相互連接。
重要的： 不推薦使用扭絞法，因為它會迅速喪失接頭特性。
2) 熱電偶電極必須沿其整個長度進行電絕緣，接觸點除外。
3) 隔離方法的選擇要考慮到溫度上限。
- 高達 100-120°C - 任何絕緣；
- 高達 1300°C - 瓷管或瓷珠；
- 高達 1950°C - 鋁2○3;
- 2000°С 以上 - MgO、BeO、ThO 管2氧化釷2.
4) 防護罩。
材料必須具有耐熱性和耐化學性，具有良好的導熱性（金屬、陶瓷）。使用護套可防止某些介質中的腐蝕。
延長（擴展）電線
需要這種類型的電線將熱電偶的末端延伸到輔助設備或屏障。如果熱電偶具有內置的統一輸出信號的變送器，則不使用電線。最廣泛的應用是放置在標準傳感器終端頭中的歸一化傳感器，具有統一的 4-20mA 信號，即所謂的“平板電腦”。
電線的材料可以與熱電極的材料一致，但考慮到防止形成寄生（感應）熱電極的條件，通常會用更便宜的材料代替。延長線的使用也有助於優化生產。
技巧和竅門！ 要正確確定補償線的極性及其與熱電偶的連接，請記住 MM 助記符規則 - 負號是磁性的。也就是說，取任何磁鐵，補償的負號將是磁性的，與正號不同。
熱電偶的種類和種類
熱電偶的多樣性是由於所使用的金屬合金的不同組合。熱電偶的選擇基於行業和所需的溫度範圍。
鉻鋁熱電偶 (TXA)
正極：鉻鎳合金（90% Ni，10% Cr）。
負極：鋁鎳合金（95% Ni、2% Mn、2% Al、1% Si）。
絕緣材料：瓷、石英、金屬氧化物等。
溫度範圍從-200°C到1300°C短期和1100°C長期加熱。
操作環境：惰性、氧化性（O2=2-3% 或完全排除），乾燥氫氣，短期真空。在存在保護套的還原或氧化還原氣氛中。
缺點：易變形，熱電動勢可逆不穩定性。
在大氣中存在微量硫和在弱氧化氣氛（“綠粘土”）中存在鉻鎳合金的情況下，可能會發生腐蝕和脆化的情況。
鉻銅熱電偶 (TCC)
正極：鉻鎳合金（90% Ni，10% Cr）。
負極：copel合金（54.5% Cu、43% Ni、2% Fe、0.5% Mn）。
溫度範圍從 -253°C 到 800°C 長期加熱和 1100°C 短期加熱。
操作環境：惰性和氧化性，短期真空。
缺點：熱電偶變形。
也許在長真空中蒸發鉻；與含有硫、鉻、氟的氣氛反應。
鐵康銅熱電偶 (PCT)。
正極：技術純鐵（低碳鋼）。
負極：康銅合金（59% Cu、39-41% Ni、1-2% Mn）。
用於還原、惰性介質和真空中的測量。溫度從 -203°C 到 750°C 長期加熱和 1100°C 短期加熱。
該應用程序折疊在正負溫度的聯合測量上。僅用於負溫度是不利的。
缺點：熱電偶變形，耐腐蝕性低。
鐵的理化性質在700°С和900°С左右發生變化。與硫和水蒸氣相互作用形成腐蝕。
鎢錸熱電偶 (TVR)
正極：合金 BP5（95% W，5% Rh）/BP5（BP5 與二氧化矽和鋁添加劑）/BP10（90% W，10% Rh）。
負極：合金 BP20 (80% W, 20% Rh)。
絕緣：化學純金屬氧化物陶瓷。
特點包括機械強度、耐溫性、對污染的低敏感性和易於製造。
測量溫度從 1800°C 到 3000°C，下限 - 1300°C。測量在惰性氣體、乾燥氫氣或真空環境中進行。在氧化介質中僅用於快速流動過程中的測量。
缺點：熱電動勢重現性差，照射時不穩定，溫度範圍內靈敏度不穩定。
鎢鉬 (TM) 熱電偶
正極：鎢（技術純）。
負極：鉬（工業純）。
絕緣：氧化鋁陶瓷，用石英尖端保護。
惰性、氫氣或真空環境。在存在絕緣材料的情況下可在氧化環境中進行短期測量。實測溫度範圍為1400-1800℃，極限工作溫度約為2400℃。
缺點：thermo-EDC的重現性和靈敏度差，極性反轉，高溫脆化。
熱電偶鉑-銠-鉑 (TPP)
正極：鉑-銠（Pt 含 10% 或 13% Rh）。
負極：鉑。
絕緣：石英、瓷（普通和耐火）。高達 1400 °С - 高鋁含量的陶瓷2○3O，高於 1400 °С - 化學純鋁2○3.
最高工作溫度 1400°C 長時間，1600°C 短時間。通常不進行低溫測量。
操作環境：有氧化性和惰性、還原性保護存在的環境。
缺點：成本高、輻照不穩定、對污染敏感度高（尤其是鉑電極）、金屬晶粒在高溫下生長。
鉑-銠-鉑-銠熱電偶 (PRT)
正極：含 30% Rh 的 Pt 合金。
負極：含 6% Rh 的 Pt 合金。
介質：氧化性、中性和真空。在存在保護的情況下用於還原性和含金屬或非金屬蒸氣的環境。
最高工作溫度：1600°C 長期，1800°C 短期。
絕緣：鋁製陶瓷2○3 高純度。
與鉑銠熱電偶相比，不易受到化學污染和晶粒生長的影響。
熱電偶連接圖
- 將電位計或檢流計直接連接到導體。
- 與補償線連接；
- 通過傳統銅線連接到具有統一輸出的熱電偶。
熱電偶導體顏色標準
顏色編碼的導體絕緣有助於區分熱電偶電極，以便正確連接到端子。標準因國家而異；導體沒有特定的顏色名稱。
重要的： 必須查明工廠使用的標準，以防出錯。
測量精度
精度取決於熱電偶的類型、測量的溫度範圍、材料純度、電噪聲、腐蝕、結特性和製造工藝。
熱電偶被分配了一個公差等級（標准或特殊），建立了測量的置信區間。
重要的： 製造時的特性在運行期間會發生變化。
測量速度
響應能力取決於主傳感器對溫度跳躍和隨後來自測量儀器的輸入信號流的快速響應能力。
提高反應能力的因素：
- 正確安裝和計算一次換能器的長度；
- 當使用帶有保護套管的變送器時，通過選擇較小直徑的套管來減少組件的質量；
- 盡量減少初級傳感器和熱套管之間的氣隙；
- 使用彈簧加載的初級傳感器並用導熱填料填充熱套管中的空腔；
- 快速移動的介質或密度更高的介質（液體）。
檢查熱電偶性能
要驗證操作，請連接一個特殊的測量設備（測試儀、電流計或電位計）或用毫伏表測量輸出電壓。如果箭頭或數字指示器有波動，則表明熱電偶良好，否則必須更換設備。
熱電偶故障的原因：
- 未使用保護性屏蔽裝置；
- 改變電極的化學成分；
- 在高溫下發生的氧化過程；
- 測量儀器的破損等
使用熱電偶的優缺點
使用該設備的優點可以稱為：
- 測量溫度範圍大；
- 高準確率;
- 簡單性和可靠性。
缺點應該包括：
- 實施冷端的連續控制，對控制設備進行校驗和校準；
- 設備製造過程中金屬的結構變化；
- 對大氣成分、密封成本的依賴；
- 由於暴露於電磁波而導致的測量誤差。
