热电偶的种类和结构形式

(1)标准化热电偶所谓标准化热电偶是指工艺较成熟，能成批生产，性能ft良，应 用广泛并已列人工业标准文件中的几种热电偶。同一型号的标准化热电偶可以互换，并具有 统一的分度表，使用很方便，且有与其配套的显示仪表可供使用。

目前上已有8种标准化热电偶，其性能简介如表2-4所示，热电动势与温度的关系 (热电特性）如图2-15所示。其中，温度的测量范围是指热电偶在良好的使用环境下允许 测量温度的极值，实际使用中，特别是长期使用时，一般允许测量的温度上限是极限值的 60~80%。由图2-15可见，热电偶热电动势与温度之间存在非线性，使用时应进行修正。

注：1.铂铑1C)表示含铂90%，铑10%，依此类推。

2. 热电偶的名称中写在前面的是正极材料，写在后面的是负极材料。

3. f为被测温度，丨t丨为t的值。

4. 允许误差以温度偏差值或被测温度值的百分数表示，二者之中采用zui大值。

1) 铂铑i。一铂热电偶（S型）|这种热电偶在1300℃ (有的国家规定为1400SC)以 下温度范围可以长期使用。在良好的环境下可短期测量woot的高温Q.在所有标准化热 电偶中，S型热电偶准确度等级zui高，稳定性，且测温区域宽，使用寿命长，可用于 精密测量和作为标准热电偶，适用于氧化性和惰性气氛中。但价格昂贵，热电动势小， 灵敏度低，热电特性曲线非线性较大，不适于还原性气氛和含有金属或非金属蒸气的气 氛中。

2) 铂铑13—铂热电偶（R型)R型与S型热电偶相比热电动势稍大（大约大15%),

但灵敏度仍不高，其他特点相同。

3) 铂铑3Q—柏铑6热电偶（B型）。由于B型热电偶的两热电极均为钿铭合金’因此又 称为双铂铑热电偶，可长期测量16001的高温，短期可测18001的高温。它的特点是性能 稳定，测量精度高，适于在氧化性和惰性气氛中使用，也适合在真空中短期使用但B型 热电偶在还原性气氛中易被侵蚀，热电动势小，灵敏度比S型热电偶还低，且价格昂贵。由于在低温时热电动势极小，因此在50T以下时不需要对冷端温度进行补偿‘

4) 镍铬一镍硅热电偶（K型这是7种在工业中广泛使用的廉金属热电偶，长期使 用测温上限可达1000T ,短期测量可达BOOT ,造合于氧化性和惰性气氛中使用|其优点 是灵敏度高（每变化1T热电动势变化0. 04mV),热电动势是S型的4 ~5倍，热电特性接 近线性，复现性好，抗氧化性强，受辐射影响较小，故常被用于核工业测温。缺点是准确度低，不适用于还原气氛。.

5) 镍铬硅一镍硅热电偶（N型）fN型热电偶是种新型镍基合金测温材料’也是上近20年来在廉金属热电偶合金材料研究方面取得的惟盤重大成果。N型热电偶的测温 范围为-200 ~1300℃ ,长期使用测温上限为1200℃,短期为1300℃。其优点是：在相同条 件下，尤其在1100 ~ 1300℃的高温条件下，N型热电偶的高温稳定性及使用寿命较K型热 电偶有成倍的提高，且与S型热电偶接近，但其价格仅为S型的1/20;在1300℃以下，高 温抗氧化能力强，耐核辐射能力强，耐低温性能也好，可用于其他金属热电偶不能胜任或者 过于勉强的场合；在400上1300℃范围内，与K型热电偶相比，N型热电偶的热电特性线性 更好：因此，在-200〜1300℃整个温度范围内，有全面代替传统廉金属热电偶和部分取代 S型热电偶的趋势。但N型热电偶材料较硬，难于加力努在低温范围内（-200 ~400℃) 的非线性误差较大。

6) 镍铬一康铜（E型）„这是I种在标准化热电偶中灵敏度zui高的热电偶，可测微小 温度的变化，是—种较重要的低温热电偶t适宜在-200 ~ +900℃范围内的氧化性和惰性气 氛中使用，尤其适宜在以下使用：在湿度较高的情况下，较其他热电偶耐腐蚀，价格较 K型热电偶便宜其缺点是热电均勻性较差，不能用于还原性介质中。

7) 铁一康铜（J型yp这是i业中应用很普遍的热电偶，它价格低廉，灵敏度较高，测 量范围较广，在氧化或还原气氛中均可使用，多用于化工厂的温度检测_J型热电偶的测量 上限，在氧化性气氛中为7501 ,在还原性气氛中为9501。但高温条件下，铁热电极的氧 化速度加快，因此长期使用温度不宜超过538T,并且要选用粗线径的热电偶丝。

8) 铜一康铜（T型）。这种热电偶是几种标准化热电偶中*的14种，适用于在 -200 ~ +400T：范围内测温。优点是热电极丝的均匀性好，热电动势较大，线性度好，在低 温下具有良好的稳定性裏可用于测量-200T；左右的低温，在0 ~ 100X内可作为n级标准仪 器。但复现性较拳，抗氧化性差，在氧化性气氛中长时间测量不宜超过300T。

以上8种标准热电偶中，前3种属于隶金属热电偶，后5种属于廉金属热电偶：

(2)非标准化热电偶非标准化热电偶包括钨铼系、铂铑系和铱铑系热电偶等，使用 较为普遍的是*种。非标准化热电偶虽然也有热电偶分度表，但一个热电偶有一个分度 表，分度表不能共用。

].)钨铼系热电偶。这是一种应用较多已定型的热电偶，特点是热电动势大，灵敏度 高，适宜在干氢、真空和惰性气氛中使用，但不适宜在还原性气氛、潮湿的氢气及氧化性气 氛中使用。钨铼系热电偶的zui高使用温度一般为2400"C,若不受绝缘材料的限制，还可用 来测量更高的温度。列人我国国家标准的钨铼系热电偶有钨铼3—钨铼25、钨铼5—钨铼26， 其长期使用温度范围为300 ~2000丈：我国钨铼资源丰富，钨铼热电偶价格便宜，可部分取 代贵金属热电偶，它是高温领域中很有前途的测温元件。钨铼系热电偶的允许误差见表 2-5H

2)非金属热电偶。近几年来，非金属热电偶的发展是引人注目的。其特点是：热电动 势和热电动势率大大超过金属热电偶，熔点高，测温上限高于金属热电偶，可用于氧化性和 碳性气氛中等。此类热电偶目前较成熟的有：石墨一碳化钛热电偶和碳化硼一石墨热电偶 等。但非金属热电偶有复现性极差、脆性大、体积大和输出非线性等缺点，尚需在今后的研 究中予以解决。

5.热电偶的结构形式

(1)装配式热电偶装配式热电偶主要用于测量气体、蒸氕和液体的温度|这类热电 偶已经做成标准形式，其中包括有棒形、角形和锥形等|从安装固定方式来看，有固定法兰 式、活动法S式、固定螺纹式、焊接固定式和无专门固定式等几种。装配式热电偶主要由接 线盒、保护管、接线端子、绝缘套管和热电极组成基本结构，并配以各种安装固定装置组成1图2-16a、b所示为法兰式和螺纹式装配热电偶的结构

1) 热电极。热电极是热电偶的核心部分，.其直径是由材料的价格、机械强度、电导 率、用途和测温范围所决定的。.如果是贵金属，则热电极直径多为0.3 ~0. 65mm的细丝； 若是廉金属，则热电极直径一般为0. 5 ~3. 2mm_热电极的长度由安装条件，特别是热电偶 的插人深度来贼，通常为350 -2000mm

2) 绝缘套管f绝缘套管的作用是防止两个热电极之间或热电极与保护套管之间短路

套管的打料吏弓涅！菹围确定，在1000T以下多采用普通陶瓷，在1000 ~ 1300t之间多 采用高纯氧化铝.在1300~ 1600T之间多采用刚玉。绝缘套管结构有单孔、双孔和四孔等 几神，如画2.-17所示

保护套管保护套管的作用是使热电偶不直接与被测介质相接触，以防受机械损伤 或被个质腐蚀、玷污。.保护套管的材质般根据测_范围、加热区长度、环境气氛以及测温 Et5寸间常数等条件来决定，主要有金属、非金属和金属陶瓷三种||

4)接线盒。接线盒是供热电极和补偿导线连接用的。通常由铝合；|制成，I般分为普 通式和密封式两种。为了防止灰¥和有害气体进人热电偶保护套管内，接线盒的出线孔和盖 子均用垫片和垫圈加以密封接线盒内用隊连接热电极和补偿导线的螺钉必须紧固，以免产 生较大的接触电阻而影响测量的准确。

(2)铠装型热电偶铠装型热电偶是由金属套管、绝缘粉料和热电极组合加工而成的 一种坚实的热电偶组合体，又称为套管热电偶每外套管一般由不镑钢等金属材料制成|热电 极之间和热电极与金属套管之间的绝缘采用氧化镁粉或氧化铝粉等高温绝缘材料。保护套管 内可以铠装不同分度号的热电偶丝，如保护套管内铠装K型热电偶丝，通常就称之为K型 铠装热电偶，其他依此类推|若保护管内铠装|对热电偶丝，就称为单芯铠装热电偶，否则 称为多芯铠装热电偶。

铠装型热电偶的测量端一般有以下几种形式（如图2-18所示）：

1) 碰底型。套管与热电偶丝焊在|起，其响应时间比露头型慢，但比不碰底型快。

2) 不碰底型。热电偶的热接点封闭在*焊合的套管内，热电偶与外套管之间是互相 绝缘的。这是zui普通的一种形式。

3) 露头型。热电偶的热接点暴露在套管外面，仅在干燥的非腐蚀性介质中才能使用。

4)帽型，即把露头型的热接点套 上一个用套管材料做成的保护帽，用银焊密封起来。

铠装型热电偶可用于测量高压装 置及狭窄管道处的温度，与普通型热 电偶相比，具有如下优点：

①外径细 (0. 25 ~ 12mm),热容量小，因此响应. 速度快6、

②由于套管内部是填充实心 的，所以能适应强烈的冲击和振动

③由于套管薄，并进行过退火处理， 故具有很好的可挠性，可任意弯曲， 便于安装。

④可以作为感温元件放人 普通型热电偶保护套管内使用。

⑤铠装型热电偶还具有性能稳定、规格齐全、价格便宜、测丨量范围宽，适合于各种测量场合，在 -200 ~ 1600^C内均可使用的特点

(3)薄膜型热电偶这是一种用真空 蒸镀的方法，将两种金属热电极材料蒸镀到 绝缘基板上而形成的一种特殊结构的热电2 偶，如图2-19所示。为了保护和绝缘，常 在热电偶薄膜上镀上一层Si02薄膜。温度_ 测量范围为-200 ~ +300T；圍由于薄膜热电 偶的热接点是很薄的薄膜（可薄到0.01 ~ 0.1mm)，尺寸也很小，因此它的热惯性小， 响应时间可达几毫秒_可用来测量瞬变的表 面温度和It小酿上的温度,

目前国产的有BMB — I型便携式薄膜

型热电偶，它以陶瓷片作为基体材料，较好地解决了绝缘及镀膜牢固性问题。该薄膜型热电 偶的测温范围为0 ~ IMOT：,测温准确度为0. 5% F. S，时间常数小于50ps,可广泛用于科研和生产行业。

(4)快速微型热电偶这是一种用来测量钢水温度的热电偶，其结构如图2-20所尔。'

快速微型热电偶的工作原理与一般热电偶 相同，其结构上的特点主要是感温元件很 小，而且每次测量后需更换热电极通常 采用直径为0. 1mm的钥姥1Q—铀和销 铑30—销铑6等材料。热电极和U形石英 保护管尺寸要小，以减小热容量，加速动 态响应。为了保证测温过程中热电偶的冷 端与补偿导线的连接处温度不超过 100T； , 般用绝缘性能好的纸管保护支撑石英管和保护帽的高温水泥也要有良 好的绝缘性能

当热电偶插人钢水中以后，保护帽迅速熔化，这时U形石英保护管和被保护的热电偶 即暴露在钢液中。由于石英管和热电偶的热容量都很小，因此能很快地反映出钢水的温度， 反应时间一般为4 ~6s。.在测出温度后，热电偶的许多部件都被烧坏，因此又称为消耗式.热 电偶。虽然是消耗式，但由于热电偶偶丝又细又短，用量不多，其他材料大部分是纸和水 泥，因此成本并不高> 这种热电偶的测量结果可靠、互换性好、准确度误差为 ±(5~7)℃

除以上所述之外，还有用于测量气流温度的屏罩式热电偶、抽气式热电偶’用于测量高 浓度氢气、甲烷等介质的吹气式热电偶等