热电偶选用与安装

一、热电极材料的选取条件

理论上任意两种不同导体都可构成热电偶，但要准确可靠测温，热电极材料须满足：

1. 性能稳定：在规定测温范围内热电性能稳定，均匀性和复现性好，不随时间和被测介质变化。
2. 测温范围广：热电动势随温度的变化率要大，温度与热电动势为单值函数，最好接近线性，即在测温范围内变化率接近常数，并能有较高测量精确度。
3. 物理化学性能稳定：在规定范围内不易氧化或腐蚀，不产生蒸发，有良好化学稳定性、抗氧化或抗还原性能。
4. 电导率高，电阻温度系数小。
5. 机械强度高、复制性好、复制工艺简单、价格便宜。

满足全部条件的材料不多，因此形成有限的标准化热电偶系列。

二、标准化热电偶的型号与特性对照

国际电工委员会（IEC）推荐了八种标准化热电偶；我国采用符合 IEC 标准的六种，分度号分别为 B、S、K、E、J、T。IEC 中分度号 R 的铂铑-铂因国际上仅少数国家采用，且测温范围与铂铑10-铂重合，教材编写时国内发展较少，不能据此判断当前供应状况。工业上常用四种：B 型铂铑30-铂铑6、S 型铂铑10-铂、K 型镍铬-镍硅、E 型镍铬-铜镍。

各型的主要性能与特点如下（测温范围与气氛条件均随型号而定）：

• B 型（铂铑30-铂铑6）：0～1700 ℃，超高温。适用于氧化性气氛，测温上限高、稳定性好，广泛用于冶金、钢水等高温领域；缺点是常温时热电动势小、价格高。
• S 型（铂铑10-铂）：0～1600 ℃，超高温。适用于氧化性、惰性气氛，热电性能稳定、抗氧化性强、精度高，常用作标准热电偶或高温测量；缺点是价格贵、热电动势较小。
• K 型（镍铬-镍硅）：-200～1200 ℃，高温。适用于氧化和中性气氛，测温范围很宽、热电动势与温度关系近似线性、热电动势大、价格低；稳定性不如 B、S 型，但是非贵金属热电偶中性能最稳定的一种；缺点是略有滞后现象，高温还原气氛中易腐蚀。
• E 型（镍铬-康铜）：-200～900 ℃，中温。适用于还原性或惰性气氛，热电动势较其他热电偶大、稳定性好、灵敏度高、价格低；缺点是易氧化，高温时有滞后现象。
• J 型（铁-康铜）：-200～750 ℃，中温。适用于还原性气氛，价格低，热电动势较大，仅次于 E 型；缺点是铁极易氧化。
• T 型（铜-康铜）：-200～350 ℃，低温。适用于还原性气氛，精度高、价格低，在 -200～0 ℃ 可制成标准热电偶；缺点是铜极易氧化。

课件补充的对照要点：B 型适于 1000 ℃ 以上高温、抗氧化，但低温灵敏度低且线性差；R、S 型精度高、稳定性好、可作标准，但价格高且不适用于还原性气氛；N、K 型线性好，抗氧化性能分别优于 1200 ℃ 和 1000 ℃，但均不适用于还原性气氛且时效变化较大；E 型灵敏度最高、两极非磁性，但热导率低、有滞后现象；J 型可用于还原性气氛，热电动势较 K 型高约 20%，但铁正极易生锈；T 型低温特性好、线性好，但使用温度低且铜正极易氧化。

三、热电势-温度曲线与灵敏度差异

标准化热电偶的热电特性曲线以温度（℃）为横轴、热电势（mV）为纵轴，各曲线均从 0 ℃ 附近（0 mV）出发。按斜率可直观分为两组：

• 高灵敏度组：E、J、K、N、T 型曲线斜率较大，在 1000 ℃ 左右热电势可达 40 mV 以上。
• 低灵敏度组：R、S、B 型曲线较平缓，在 1800 ℃ 时热电势约为 10～20 mV。

在 0 ℃ 以下各曲线呈负值，其中 E 型下降幅度最大。因此，同样温升下 E 型输出变化最大，B 型最小；选用时若要求高灵敏度、中低温测量，可优先考虑 E、J、K、T；若要求超高温和长期稳定性，则接受 R、S、B 的低灵敏度。

四、选用比较的判据

选用热电偶应综合以下因素：

1. 被测介质温度：决定测温范围，如超高温选 B、S，中温选 E、J、K，低温选 T。
2. 介质性质（气氛）：氧化性气氛宜选 B、S、K；还原性或惰性气氛宜选 E、J、T；K 型在高温还原气氛中易腐蚀，R、S 型不适用于还原性气氛。
3. 精度与稳定性要求：S 型精度高、可作标准；K 型在非贵金属中稳定性最好；B、S 稳定性优于 K。
4. 灵敏度要求：E 型热电动势最大，J 型次之，K、N、T 再次，R、S、B 最小。
5. 费用：贵金属 B、S 价格高；非贵金属 K、E、J、T 价格低。
6. 压力、测温时间长短：据此选择热电偶和保护套管。

五、安装要求与结构热容量

安装位置要有代表性，安装方法要正确。管道上安装有常用方法（如图示两种），应使测温点真实反映被测介质温度。工业生产中热电偶常与毫伏计或电子电位差计联用，后者精度较高且能自动记录；也可经温度变送器放大后接指示仪表或作为控制信号。

结构热容量直接影响响应速度：热容量越小，热电偶与被测介质达到热平衡越快，响应越迅速。因此测量快速变化的温度时，应选用热容量小的结构（如细径、小保护套管或裸露测量端）；但保护套管同时承担耐压、耐腐蚀和机械保护作用，选用时需在响应速度与保护要求之间折中。

六、冷端处理与安装的配合

热电偶输出电动势只有在冷端温度不变时才与工作端温度成单值函数关系。实际冷端靠近工作端且处于大气中，温度受测量对象和环境波动影响，因此需要冷端补偿。常用方法包括：

• 补偿导线法：用一对与热电极化学成分不同、但在 0～150 ℃ 范围内与配接热电偶具有相同热电特性的导线，将冷端延伸到温度恒定场所（如仪表室）。根据中间温度定律，只要热电偶与补偿导线的两个接触点温度一致，就不影响热电动势输出。补偿导线主要用于贵金属热电偶；非贵金属通常用热电极材料本身补偿。
• 冷端恒温法：将冷端置于电热恒温器或冰点槽中。冰点槽用冰水混合物保持 0 ℃，为避免冰水导电使两连接点短路，须将连接点分别置于玻璃试管中浸入同一冰点槽并相互绝缘；此法仅限于科学实验。
• 冷端温度校正法：冷端温度不为 0 ℃ 时，按冷端温度对读数进行校正。

安装时应使冷端远离热源并置于温度稳定处，必要时配合补偿导线，以保证冷端温度稳定。

表中温度范围、长期或短期使用温度及允许偏差依赖热电极直径、保护结构、气氛与具体等级，不能把不同型号曲线统一外推到1000℃或1800℃。标准化互换指在规定允差内可互换，不表示不同实物的输出完全相同；材料本身也不能决定探头整体响应时间。