熱電偶（thermocouple）是溫度測量儀表中常用的測溫元件，它直接測量溫度，並把溫度信號轉換成熱電動勢信號，通過電氣儀表（二次儀表）轉換成被測介質的溫度。各種熱電偶的外形常因需要而極不相同，但是它們的基本結構卻大致相同，通常由熱電極、絕緣套保護管和接線盒等主要部分組成，通常和顯示儀表、記錄儀表及電子調節器配套使用。
基本介紹
- 中文名：熱電偶
- 外文名：thermocouple
- 所屬：溫度測量儀表中常用的測溫元件
- 常見種類：標準熱電偶和非標準熱電偶
簡介,工作原理,測溫條件,主要特點,結構要求,工作原理,常見種類,安裝,測量方法,主要分類,安裝要求,正確使用,故障處理,溫度補償,主要優點,選擇方法,
簡介
在工業生產過程中，溫度是需要測量和控制的重要參數之一。在溫度測量中，熱電偶的套用極為廣泛，它具有結構簡單、製造方便、測量範圍廣、精度高、慣性小和輸出信號便於遠傳等許多優點。另外，由於熱電偶是一種有源感測器，測量時不需外加電源，使用十分方便，所以常被用作測量爐子、管道內的氣體或液體的溫度及固體的表面溫度。
工作原理
當有兩種不同的導體或半導體A和B組成一個迴路，其兩端相互連線時，只要兩結點處的溫度不同，一端溫度為T，稱為工作端或熱端，另一端溫度為T0 ，稱為自由端（也稱參考端）或冷端，迴路中將產生一個電動勢，該電動勢的方向和大小與導體的材料及兩接點的溫度有關。這種現象稱為“熱電效應”，兩種導體組成的迴路稱為“熱電偶”，這兩種導體稱為“熱電極”，產生的電動勢則稱為“熱電動勢”。
熱電動勢由兩部分電動勢組成，一部分是兩種導體的接觸電動勢，另一部分是單一導體的溫差電動勢。
熱電偶迴路中熱電動勢的大小，只與組成熱電偶的導體材料和兩接點的溫度有關，而與熱電偶的形狀尺寸無關。當熱電偶兩電極材料固定後，熱電動勢便是兩接點溫度t和t0。的函式差。即
公式這一關係式在實際測溫中得到了廣泛套用。因為冷端t0恆定，熱電偶產生的熱電動勢只隨熱端(測量端)溫度的變化而變化，即一定的熱電動勢對應著一定的溫度。我們只要用測量熱電動勢的方法就可達到測溫的目的。
熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的材質導體組成閉合迴路，當兩端存在溫度梯度時，迴路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在電動勢——熱電動勢，這就是所謂的塞貝克效應(Seebeck effect）。兩種不同成份的均質導體為熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為自由端，自由端通常處於某個恆定的溫度下。根據熱電動勢與溫度的函式關係，製成熱電偶分度表；分度表是自由端溫度在0℃時的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。
熱電偶（圖1）
熱電偶
熱電偶（圖1）熱電偶在熱電偶迴路中接入第三種金屬材料時，只要該材料兩個接點的溫度相同，熱電偶所產生的熱電勢將保持不變，即不受第三種金屬接入迴路中的影響。因此，在熱電偶測溫時，可接入測量儀表，測得熱電動勢後，即可知道被測介質的溫度。熱電偶測量溫度時要求其冷端（測量端為熱端，通過引線與測量電路連線的端稱為冷端）的溫度保持不變，其熱電勢大小才與測量溫度呈一定的比例關係。若測量時，冷端的（環境）溫度變化，將嚴重影響測量的準確性。在冷端採取一定措施補償由於冷端溫度變化造成的影響稱為熱電偶的冷端補償正常。與測量儀表連線用專用補償導線。
熱電偶冷端補償計算方法：
從毫伏到溫度：測量冷端溫度，換算為對應毫伏值，與熱電偶的毫伏值相加，換算出溫度；
從溫度到毫伏：測量出實際溫度與冷端溫度，分別換算為毫伏值，相減後得出毫伏值，即得溫度。
測溫條件
是一種感溫元件，是一種一次儀表，熱電偶直接丈量溫度。由2種不同成分材質的導體組成的閉合迴路，由於材質不同，不同的電子密度產生電子擴散，穩定均衡後就產生 了電勢。當兩端存在梯度溫度時，迴路中就會有電流產生，產生熱電動勢，溫度差越大，電流就會越大。測得熱電動勢之後即可曉得溫度值。熱電偶實際上是一種能量轉換器，可將熱能轉換成電能。
熱電偶高清圖片
熱電偶高清圖片熱電偶的技術優勢：熱電偶測溫範圍寬，性能比擬穩定；丈量精度高，熱電偶與被測對象直接接觸，不受中間介質的影響；熱回響時間快，熱電偶對溫度變化反響靈活；丈量範圍 大，熱電偶從-40~+ 1600℃ 均可連續測溫；熱電偶性能牢靠， 機械強度好。運用壽命長，裝置便當。
電偶必需是由兩種性質不同但契合一定要求的導體（或半導體）材料構成迴路。熱電偶丈量端和參考端之間必需有溫差。
將兩種不同資料的導體或半導體A和B焊接起來，構成一個閉合迴路。當導體A和B的兩個執著點1和2之間存在溫差時，兩者之間便產生電動勢,因此在迴路中構成一個大小的電流,這 種現象稱為熱電效應。熱電偶就是套用這一效應來工作的。
主要特點
1、裝配簡單，更換方便；
熱電偶（圖2）
熱電偶（圖2）2、壓簧式感溫元件，抗震性能好；
3、測量精度高；
4、測量範圍大（－200℃～1300℃，特殊情況下－270℃～2800℃）；
5、熱回響時間快；
6、機械強度高，耐壓性能好；
7、耐高溫可達2800度；
8、使用壽命長。
結構要求
熱電偶的結構形式為了保證熱電偶可靠、穩定地工作，對它的結構要求如下：
熱電偶（圖3）
熱電偶（圖3）1、組成熱電偶的兩個熱電極的焊接必須牢固；
2、兩個熱電極彼此之間應很好地絕緣，以防短路；
3、補償導線與熱電偶自由端的連線要方便可靠；
4、保護套管應能保證熱電極與有害介質充分隔離。
工作原理
兩種不同成份的導體（稱為熱電偶絲材或熱電極）兩端接合成迴路，當兩個接合點的溫度不同時，在迴路中就會產生電動勢，這種現象稱為熱電效應，而這種電動勢稱為熱電勢。熱電偶就是利用這種原理進行溫度測量的，其中，直接用作測量介質溫度的一端叫做工作端（也稱為測量端），另一端叫做冷端（也稱為補償端）；冷端與顯示儀表或配套儀表連線，顯示儀表會指出熱電偶所產生的熱電勢。
熱電偶（圖4）
熱電偶（圖4）熱電偶實際上是一種能量轉換器，它將熱能轉換為電能，用所產生的熱電勢測量溫度，對於熱電偶的熱電勢，應注意如下幾個問題：
1、熱電偶的熱電勢是熱電偶工作端的兩端溫度函式的差，而不是熱電偶冷端與工作端，兩端溫度差的函式；
2、熱電偶所產生的熱電勢的大小，當熱電偶的材料是均勻時，與熱電偶的長度和直徑無關，只與熱電偶材料的成份和兩端的溫差有關；
常見種類
常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。所謂標準熱電偶是指國家標準規定了其熱電勢與溫度的關係、允許誤差、並有統一的標準分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標準化熱電偶在使用範圍或數量級上均不及標準化熱電偶，一般也沒有統一的分度表，主要用於某些特殊場合的測量。標準化熱電偶中國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標準生產，並指定S、B、E、K、R、J、T七種標準化熱電偶為中國統一設計型熱電偶。
熱電偶分度號 | 熱電極材料 | |
正極 | 負極 | |
S | 鉑銠 10 | 純鉑 |
R | 鉑銠 13 | 純鉑 |
B | 鉑銠 30 | 鉑銠 6 |
K | 鎳鉻 | 鎳矽 |
T | 純銅 | 銅鎳 |
J | 鐵 | 銅鎳 |
N | 鎳鉻矽 | 鎳矽 |
E | 鎳鉻 | 銅鎳 |
從理論上講，任何兩種不同導體（或半導體）都可以配製成熱電偶，但是作為實用的測溫元件，對它的要求是多方面的。為了保證工程技術中的可靠性，以及足夠的測量精度，並不是所有材料都能組成熱電偶，一般對熱電偶的電極材料，基本要求是：
1、在測溫範圍內，熱電性質穩定，不隨時間而變化，有足夠的物理化學穩定性，不易氧化或腐蝕；
2、電阻溫度係數小，導電率高，比熱小；
3、測溫中產生熱電勢要大，並且熱電勢與溫度之間呈線性或接近線性的單值函式關係；
4、材料複製性好，機械強度高，製造工藝簡單，價格便宜。
安裝
在生產中由於被測對象不同，環境條件不同，測量要求不同，和熱電阻的安裝方法及採取的措施也不同，需要考慮的問題比較多，但原則上可以從測溫的準確性、安全性、維修方便三個方面來考慮。
為避免測溫元件損壞，應保證其有足夠的機械強度，為保護感溫元件不受磨損應加保護屏或保護管等，為確保全全、可靠，測溫元件的安裝方法應視具體情況（如待測介質的溫度、壓力、測溫元件的長度及其安裝位置、形式等）而定。下面僅舉幾例以引起注意：
凡安裝承受壓力的測溫元件，都必須保證其密封性。高溫下工作的熱電偶，為防止保護管在高溫下產生變形，一般應垂直安裝，若必須水平安裝則不宜過長，並用支架保護熱電偶。若測溫元件安裝於介質流速較大的管道中，則其應傾斜安裝。為防止測溫元件受到過大的沖蝕，最好安裝在管道的彎曲處。當介質壓力超過10MPa時，必須在測量元件上加保護外套。熱電偶/熱電阻的安裝部位還應考慮其拆裝、維修、校驗的足夠空間和場地，具有較長保護管的熱電偶、熱電阻應能方便地拆裝。
測量方法
的熱回響時間比較複雜，不同的試驗條件會有不同的測量結果，這是因為它受熱電偶與周圍介質的換熱率影響，換熱率高，則熱回響時間就短。為了使熱電偶產品的熱回響 時間具有可比性，國家標準規定：熱回響時間應在專用水流試驗裝置上進行。該裝置的水流速度應保持0.4±0.05m/s，初始溫度在5-45℃的範圍內，溫度階躍值為40-50℃。在試驗 過程中，水的溫度變化應不大於溫度階躍值的±1%。被試熱電偶的置入深度為150mm或設計的置入深度（選其中較小值並在試驗報告中註明）。
由於該裝置比較複雜，目前只有極少數單位有這套設備，故國家標準中規定允許生產廠與用戶協商，可採用其他試驗方法，但所給數據必須註明試驗條件。
由於B型熱電偶在室溫附近熱電勢很小，熱回響時間不容易測出，因此國家標準規定可採用同規格的S型熱電偶的熱電極組件替換其自身的熱電極組件，然後進行試驗。
試驗時應記錄 熱電偶 的輸出變化至相當於溫度階躍變化50%的時間T0.5，必要時可記錄變化10%的熱回響時間T0.1和變化90%的熱回響時間T0.9。所記錄的熱回響時間，應是同一 試驗至少三次測試結果的平均值，每次測量結果對於平均值的偏離應在±10%以內。此外，形成溫度階躍變化所需的時間不應超過被測試 熱電偶 的T0.5的十分之一。記錄儀器或儀 表的回響時間不應超過被試熱電偶的T0.5的十分之一。
由於該裝置比較複雜，目前只有極少數單位有這套設備，故國家標準中規定允許生產廠與用戶協商，可採用其他試驗方法，但所給數據必須註明試驗條件。
由於B型熱電偶在室溫附近熱電勢很小，熱回響時間不容易測出，因此國家標準規定可採用同規格的S型熱電偶的熱電極組件替換其自身的熱電極組件，然後進行試驗。
試驗時應記錄 熱電偶 的輸出變化至相當於溫度階躍變化50%的時間T0.5，必要時可記錄變化10%的熱回響時間T0.1和變化90%的熱回響時間T0.9。所記錄的熱回響時間，應是同一 試驗至少三次測試結果的平均值，每次測量結果對於平均值的偏離應在±10%以內。此外，形成溫度階躍變化所需的時間不應超過被測試 熱電偶 的T0.5的十分之一。記錄儀器或儀 表的回響時間不應超過被試熱電偶的T0.5的十分之一。
主要分類
1、按固定裝置型式分類
熱電偶（圖5）
熱電偶（圖5）熱電偶作為主要測溫手段，用途十分廣泛，因而對固定裝置和技術性能有多種要求，因此熱電偶的固定裝置分為六種：無固定裝置式、螺紋式、固定法蘭式、活動法蘭式、活動法蘭角尺形式、錐形保護管式六種。
2、按裝配及結構方式分類
根據熱電偶的性能結構方式可分為：可拆卸式熱電偶、隔爆式熱電偶、鎧裝熱電偶和壓彈簧固定式熱電偶等特殊用途的熱電偶。
安裝要求
對熱電偶與熱電阻的安裝，應注意有利於測溫準確，安全可考及維修方便，而且不影響設備運行和生產操作.要滿足以上要求，在選擇對熱電偶和熱電阻的安裝部位和插入深度時要注意以下幾點：
熱電偶（圖6）
熱電偶（圖6）2、帶有保護套管的熱電偶和熱電阻有傳熱和散熱損失，為了減少測量誤差，熱電偶和熱電阻應該有足夠的插入深度：
（1）對於測量管道中心流體溫度的熱電偶，一般都應將其測量端插入到管道中心處（垂直安裝或傾斜安裝）.如被測流體的管道直徑是200毫米，那熱電偶或熱電阻插入深度應選擇100毫米；
熱電偶（圖7）
熱電偶（圖7）（2）對於高溫高壓和高速流體的溫度測量（如主蒸汽溫度），為了減小保護套對流體的阻力和防止保護套在流體作用下發生斷裂，可採取保護管淺插方式或採用熱套式熱電偶，淺插式的熱電偶保護套管，其插入主蒸汽管道的深度應不小於75mm；熱套式熱電偶的標準插入深度為100mm；
（3）假如需要測量是煙道內煙氣的溫度，儘管煙道直徑為4m，熱電偶或熱電阻插入深度1 m即可；
（4）當測量原件插入深度超過1m時，應儘可能垂直安裝，或加裝支撐架和保護套管。
正確使用
正確使用熱電偶不但可以準確得到溫度的數值，保證產品合格，而且還可節省熱電偶的材料消耗，既節省資金又能保證產品質量。安裝不正確，熱導率和時間滯後等誤差，它們是熱電偶在使用中的主要誤差。
熱電偶（圖8）
熱電偶（圖8）1、安裝不當引入的誤差
如熱電偶安裝的位置及插入深度不能反映爐膛的真實溫度等，換句話說，熱電偶不應裝在太靠近門和加熱的地方，插入的深度至少應為保護管直徑的8～10倍；熱電偶的保護套管與壁間的間隔未填絕熱物質致使爐內熱溢出或冷空氣侵入，因此熱電偶保護管和爐壁孔之間的空隙套用耐火泥或石棉繩等絕熱物質堵塞以免冷熱空氣對流而影響測溫的準確性；熱電偶冷端太靠近爐體使溫度超過100℃；熱電偶的安裝應儘可能避開強磁場和強電場，所以不應把熱電偶和動力電纜線裝在同一根導管內以免引入干擾造成誤差；熱電偶不能安裝在被測介質很少流動的區域內，當用熱電偶測量管內氣體溫度時，必須使熱電偶逆著流速方向安裝，而且充分與氣體接觸。
2、絕緣變差而引入的誤差
如熱電偶絕緣了，保護管和拉線板污垢或鹽渣過多致使熱電偶極間與爐壁間絕緣不良，在高溫下更為嚴重，這不僅會引起熱電勢的損耗而且還會引入干擾，由此引起的誤差有時可達上百度。
3、熱惰性引入的誤差
由於熱電偶的熱惰性使儀表的指示值落後於被測溫度的變化，在進行快速測量時這種影響尤為突出。所以應儘可能採用熱電極較細、保護管直徑較小的熱電偶。測溫環境許可時，甚至可將保護管取去。由於存在測量滯後，用熱電偶檢測出的溫度波動的振幅較爐溫波動的振幅小。測量滯後越大，熱電偶波動的振幅就越小，與實際爐溫的差別也就越大。當用時間常數大的熱電偶測溫或控溫時，儀表顯示的溫度雖然波動很小，但實際爐溫的波動可能很大。為了準確的測量溫度，應當選擇時間常數小的熱電偶。時間常數與傳熱係數成反比，與熱電偶熱端的直徑、材料的密度及比熱成正比，如要減小時間常數，除增加傳熱係數以外，最有效的辦法是儘量減小熱端的尺寸。使用中，通常採用導熱性能好的材料，管壁薄、內徑小的保護套管。在較精密的溫度測量中，使用無保護套管的裸絲熱電偶，但熱電偶容易損壞，應及時校正及更換。
熱電偶（圖9）
熱電偶（圖9）4、熱阻誤差
高溫時，如保護管上有一層煤灰，塵埃附在上面，則熱阻增加，阻礙熱的傳導，這時溫度示值比被測溫度的真值低。因此，應保持熱電偶保護管外部的清潔，以減小誤差。
故障處理
熱電偶輸入產生故障判別法：
按照儀表接線圖進行正確接線通電後，儀表先是顯示儀表的熱電偶分度號，接著顯示儀表量程範圍，再測儀表下排的數碼管顯示設定溫度，儀表上排數碼管顯示測量溫度。若儀表上排數碼管顯示不是發熱體的溫度，而顯示“OVER”、“0000”或“000”等狀況，說明儀表輸入部位產生故障，應作如下試驗：
熱電偶（圖10）
熱電偶（圖10）1）把熱電偶從儀表熱電偶輸入端拆下，再用任何一根導線把儀表熱電偶輸入端短路。通電時，儀表上排數碼管顯示值約為室溫時，說明熱電偶內部連線開路，應更換同類型熱電偶。若還是以上所說的狀況，說明儀表在運輸過程中，儀表的輸入端被損壞，要調換儀表。
2）把上述故障儀表的熱電偶拆去，換用旁邊運行正常的同種分度號儀表上接入的熱電偶，通電後，原故障儀表上排數碼管顯示發熱體溫度時，說明熱電偶連線開路，更換同類型熱電偶。
3）把有故障的熱電偶從儀表上拆下來，用萬用表放在測量歐姆（R）*1檔，用萬用表兩表棒去測熱電偶兩端，若萬用表上顯示的電阻值很大，說明熱電偶內部連線開路，更換同類型熱電偶。否則有一定阻值，說明儀表輸入端有問題，應更換儀表。
熱電偶（圖11）
熱電偶（圖11）4）按照儀表接線圖接線正確，若儀表通電後，儀表上排數碼管顯示有負值等現象，說明接入儀表的熱電偶“+”與“—”接錯而造成的。只要重新調換一下即可。
5）接線正確儀表在運行時，儀表上排數碼管顯示的溫度與實際測量的溫度相差40度~70度。甚至相差更大，說明儀表的分度號與熱電偶的分度號搞錯。按熱電偶分度號B、S、K、E等熱電偶的溫度與毫伏（MV）值的對應關係來看，同樣溫度的情況下，產生的毫伏值（MV）B分度號最小，S分度號次小，K分度號較大，E分度號最大，按照此原理來判別。
常見故障分析及處理：
故障現象 | 可能原因 | 處理方法 |
熱電勢比實際值小（顯示儀表指示值偏低） | 熱電極短路 | 如潮濕所致，則進行乾燥；如絕緣子損壞，則更換絕緣子 |
熱電偶的接線柱處積灰，造成短路 | 清掃積灰 | |
補償導線線間短路 | 找出短路點，加強絕緣或更換補償導線 | |
熱電偶熱電極變質 | 在長度允許的發問下，剪去變質段重新焊接，或更換新熱電偶 | |
補償導線與熱電偶極性接反 | 重新接正確 | |
補償導線與熱電偶不配套 | 更換相配套的補償導線 | |
熱電偶安裝位置不錄或插入深度不符合要求 | 重新按規定安裝 | |
熱電偶冷端溫度補償不符合要求 | 調整冷端補償器 | |
熱電偶與顯示儀表不配套 | 更換熱電偶或顯示儀表使之相配套 | |
熱電勢比實際值大（顯示儀表指示值偏高） | 顯示儀表與熱電偶不配套 | 更換熱電偶使之相配套 |
熱電偶與補償導線不配套 | 更換補償導線使之相配套 | |
有直流干擾信號進入 | 排除直流干擾 | |
熱電勢輸出不穩定 | 熱電偶接線柱與熱電極接觸不良 | 將接線柱螺絲擰緊 |
熱電偶測量線路絕緣破損，引起斷續短路或接地 | 找出故障點，修復絕緣 | |
熱電偶安裝不牢或外部震動 | 緊固熱電偶，消除震動或採取減震措施 | |
熱電極將斷未斷 | 修復或更換熱電偶 | |
外界干擾（交流漏電，電磁場感應等） | 查出干擾源，採用禁止措施 | |
熱電偶熱電勢誤差大 | 熱電極變質 | 更換熱電極 |
熱電偶安裝位置不當 | 改變安裝位置 | |
保護管表面積灰 | 清除積灰 |
溫度補償
熱電偶（圖12）主要優點
1、測量精度高。因直接與被測對象接觸，不受中間介質的影響。
3、構造簡單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護套管，用起來非常方便。
選擇方法
熱電偶是兩種不同的導體連線在一起形成的，當測量及參考連線點分別處於不同溫度上時即產生出所謂的熱電磁力（EMF）。連線點用途測量連線點是處於被測溫度上的熱電偶連線點部分。參考連線點則是保持在一已知溫度上，或溫度變化能自動補償的熱電偶連線點部分。
熱電偶（圖13）
熱電偶（圖13）在常規工業套用中，熱電偶元件一般端接在接頭上；但參考連線點卻很少位於接頭上，而是利用適當的熱電偶延伸線來轉接到溫度比較穩定的被控環境中。連線點類型接殼式熱電偶連線點與探針壁物理連線（焊接），這能實現很好的熱傳輸——即從外部通過探針壁將熱量傳至熱電偶連線點。建議用接殼式熱電偶來測量靜態或流動腐蝕性氣體與液體的溫度，以及一些高壓套用。在絕緣式熱電偶中，熱電偶連線點與探針壁分開並由一種軟性粉末包圍。雖然絕緣式熱電偶的回響速度比接殼式熱電偶的回響速度要慢，但它能提供電絕緣。建議使用絕緣式熱電偶來測量腐蝕性環境，可理想地通過護套禁止來將熱電偶與周圍環境完全電絕緣。露端式熱電偶允許連線點頂端深入到周圍環境中，這種類型可提供最佳的回響時間，但僅限於在非腐蝕、非危險及非加壓套用中使用。回響時間以時間常數來表示，時間常數定義為感測器在被控環境中在初始值和最終值之間改變63.2%所需的時間。露端式熱電偶具有最快的回響速度，而且探針護套直徑越小，則回響速度就越快，但其最大允許測量溫度也就越低。延伸線熱電偶延伸線是一對具有與其相連熱電偶相同溫度電磁頻率特徵的線。當連線合適時，延伸線將參考連線點從熱電偶轉接至線的另一端，而這一端通常位於被控環境中。
選擇熱電偶選擇熱電偶時需考慮下列因素：
1、被測溫度範圍；
2、所需回響時間；
3、連線點類型；
4、熱電偶或護套材料的抗化學腐蝕能力；
5、抗磨損或抗振動能力；
6、安裝及限制要求等。
