热电偶在工业生产中的应用

张国华

（南京化工职业技术学院，江苏 南京 210048）

热电偶是一种感温原件，它直接测量温度，直接把温度信号转换成热电动势信号，随后通过电气仪表转换成被测介质的温度。

1 热电偶的工作原理

两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。

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工作端的两端温度函数的差，而不是热电偶冷端与工作端，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时，与热电偶的长度和直径无关，只与热电偶材料的成份和两端的温差有关；

（3）当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后，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，这进热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，如图所示。当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。

图1 热电偶温度计测温系统示意图

2 热电偶的性能

热电偶是温度测量中应用最广泛的温度器件，他的主要特点就是测温范围宽，性能比较稳定，同时结构简单，动态响应好，更能够远传4～20mA电信号，便于自动控制和集中控制。热电偶的测温原理是基于热电效应。将两种不同的导体或半导体连接成闭合回路，当两个接点处的温度不同时，回路中将产生热电势，这种现象称为热电效应，又称为塞贝克效应。闭合回路中产生的热电势有两种电势组成；温差电势和接触电势。温差电势是指同一导体的两端因温度不同而产生的电势，不同的导体具有不同的电子密度，所以他们产生的电势也不相同，而接触电势顾名思义就是指两种不同的导体相接触时，因为他们的电子密度不同所以产生一定的电子扩散，当他们达到一定的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材料性质以及他们接触点的温度。目前国际上应用的热电偶具有一个标准规范，国际上规定热电偶分为八个不同的分度，分别为 B，R，S，K，N，E，J和 T，其测量温度的最低可测零下270℃，最高可达1800℃，其中B，R，S属于铂系列的热电偶，由于铂属重金属，所以他们又被称为贵金属热电偶而剩下的几个则称为廉价金属热电偶。热电偶的结构有两种，普通型和铠装型。普通性热电偶一般由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等部分组成，而铠装型热电偶则是将热电偶丝、绝缘材料和金属保护套管三者组合装配后，经过拉伸加工而成的一种坚实的组合体。但是热电偶的电信号却需要一种特殊的导线来进行传递，这种导线我们称为补偿导线。不同的热电偶需要不同的补偿导线，其主要作用就是与热电偶连接，使热电偶的参比端远离电源，从而使参比端温度稳定。补偿导线又分为补偿型和延长型两种，延长导线的化学成分与被补偿的热电偶相同，但是实际中，延长型的导线也并不是用和热电偶相同材质的金属，一般采用和热电偶具有相同电子密度的导线代替。补偿导线与热电偶的连线一般都很明了，热电偶的正极连接补偿导线的红色线，而负极则连接剩下的颜色。一般的补偿导线的材质大部分都采用铜镍合金。

3 N型热电偶及其应用

（1）基本概念：镍铬—镍硅热电偶（N型）这种热电偶是一种很有发展潜力的标准化镍基合金热电偶，是国际新认定的标准热电偶，其分度为N。他的正极镍84%，14%～14.4%的铬，1.3%～1.6%的硅，不超过0.1%的其他元素；负极含镍95%，4.2%～4.6%的硅，0.5%～1.5%的镁。

N型热电阻是一种比K型热电阻更好的，能用到1200℃的廉价金属热电偶，其抗氧化性能强，不受短程有序化的影响。除非有保护管保护，这种热电偶也像K型热电偶一样，不能在高温下用于硫，还原性火还原于氧化交替的气氛中，高温下不能用于真空中。

（2）应用：我国火电厂主蒸汽温度的测量大都采用K型热电偶作为一次元件，目前存在着测温精度不高的问题。为了提高主蒸汽温度测量的准确性，用N型热电偶替换K型热电偶是一个有效的技术措施。目前,N型热电偶已在火电厂主蒸汽温度测量中应用。N型热电偶具有热电特性稳定，使用寿命长和非线性误差小等优点，提高主蒸汽温度测量的精度，满足了火电机组运行规程的要求。在用N型热电偶测量主蒸汽温度成功应用的基础上，也可以用N型热电偶测量过热器和汽缸等金属壁的温度。

图2 火电厂专用的N型热电阻

4 结语

热电偶在工业生产中的重要性是无可比拟的，正是由于它们的应用使我们的生产变得更加地方便、快捷、精确。尤其对于N型热电偶来说，由于它的稳定性好，精确度高等原因，已经在工业生产中逐渐代替K型热电偶，所以N型热电偶在工业生产特别是在火电厂的应用中的发展前景不可限量。

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