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熱電偶材料的選擇與分類
日期：2024-12-26 22:55
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摘要：
熱電偶材料的選擇與分類
理論上任意兩種不同性質(zhì)的導體均可組成熱電偶，但實際上并非如此。它必須具有：
(1)物理和化學性質(zhì)穩(wěn)定，溫差電特性顯著，復現(xiàn)性好，同種材料的電偶之間具有良好的互換性，且不為測溫介質(zhì)所腐蝕，高溫下不被氧化。
(2)電阻溫度系數(shù)小，導電率高，組成電偶對輸出的溫差電動勢大，且與溫度呈線性或簡單的函數(shù)關(guān)系，以便于提高儀表的靈敏度和準確度，并便于儀表的刻度和測量。
(3)材質(zhì)均勻，塑性好，易拉絲，成批生產(chǎn)。 熱電偶的分類有幾種不同的方法。
(1)按照電動勢與溫度的關(guān)系可分為標準化(常用)熱電偶和非標準化熱電偶。
(2)按熱電偶的材質(zhì)可分為金屬熱電偶、半導體熱電偶和非金屬熱電偶三類。
(3)按適用的測溫范圍可分為高溫熱電偶和低溫熱電偶兩類。 1．標準化(常用)熱電偶
定型生產(chǎn)、有統(tǒng)一分度表的通用熱電偶稱作標準化熱電偶。我國目前廣泛采用并批量生產(chǎn)的標準化常用熱電偶主要有下列兩種：
（1）鉑銠30-鉑銠6熱電偶
這是一種貴重金屬高溫熱電偶，以鉑銠30為正極，鉑銠6為負極，其分度號為B。由于兩個熱電極都是鉑銠合金，因而提高了抗污染能力和機械強度，在高溫下其熱電特性較為穩(wěn)定，宜在氧化性和中性氣氛中使用，在真空中可短期使用。長期使用的*高溫度可達1600℃，短期使用溫度可達1800℃。這種熱電偶的熱電勢及熱電勢率都很小，因此，冷端溫度在40℃以下使用時，一般不必進行冷端溫度的補償。
鉑銠30-鉑銠6熱電偶分度表見表6.1。
表6.1 鉑銠30-鉑銠6熱電偶分度表
分度號：B
（冷端溫度為0℃）
測量端溫度（℃）0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
熱 電 動 勢 （mv）
0 -0.000 -0.002 -0.003 -0.002 0.000 0.002 0.006 0.011
0.017 0.025
100 0.033 0.0430.053 0.0650.078 0.092 0.107 0.123 0.140
0.159
200 0.178 0.199 0.220 0.243 0.266 0.291 0.317 0.344
0.372 0.401
300 0.431 0.462 0.494 0.527 0.561 0.596 0.632 0.669
0.707 0.746
400 0.786 0.827 0.870 0.913 0.957 1.002 1.048 1.095
1.143 1.192
500 1.241 1.292 1.344 1.397 1.450 1.505 1.560 1.617
1.674 1.732
600 1.791 1.851 1.912 1.974 2.036 2.100 2.164 2.230
2.296 2.366
700 2.430 2.499 2.569 2.639 2.710 2.782 2.855 2.928
3.003 3.078
800 3.154 3.231 3.308 3.387 3.466 3.546 3.626 3.708
3.790 3.873
900 3.957 4.041 4.126 4.212 4.298 4.386 4.474 4.562
4.652 4.742
1000 4.833 4.924 5.016 5.109 5.202 5.297 5.391 5.487
5.583 5.680
1100 5.777 5.875 5.973 6.073 6.172 6.273 6.374 6.475
6.577 6.680
1200 6.783 6.887 6.991 7.096 7.202 7.308 7.414 7.521
7.628 7.736
1300 7.845 7.935 8.063 8.172 8.283 8.393 8.504 8.616
8.727 8.839
1400 8.952 9.065 9.178 9.291 9.405 9.519 9.634 9.748
9.863 9.979
1500 10.094 10.210 10.325 10.441 10.558 10.674 10.790
10.907 10.024 11.141
1600 11.257 11.374 11.491 11.608 11.725 11.842 11.959
12.076 12.193 12.310
1700 12.426 12.543 12.659 12.776 12.892 13.008 13.124
12.239 13.354 13.470
1800 13.585 13.699 13.814
（2）鉑銠10-鉑熱電偶
在鉑銠10-鉑熱電偶中，以鉑銠10絲為正極，純鉑絲為負極，分度號為S。它的測量范圍為-20～1300℃，在良好的使用環(huán)境下可短期測量1600℃；適于在氧化性或中性介質(zhì)中使用，耐高溫，不宜氧化；有較好的化學穩(wěn)定性；有較高的測量精度，可用于精密溫度測量和作基準熱電偶。
鉑銠10-鉑熱電偶分度表見表6.2。
(3)鎳鉻-鎳鋁或鎳鉻-鎳硅熱電偶( 型)
這是一種能測量較高溫度的廉價金屬熱電偶，以鎳鉻合金為正極，鎳鋁(或鎳硅)合金為負極，其分度號為K，它具有較好的抗氧化性和抗腐蝕性；其復現(xiàn)性較好；熱電勢大；熱電勢與溫度關(guān)系近似于線性關(guān)系；其成本較低，雖然測量精度不高，但能滿足工業(yè)測溫的要求，是工業(yè)上*常用的熱電偶；其長期使用的*高溫度為1000℃，短期使用溫度可達1200℃。
表6.2 鉑銠10-鉑熱電偶分度表
分度號：S
（冷端溫度為0℃）
測量端 溫度（℃）0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
熱 電 動 勢 （mv）
0 0.000 0.055 0.133 0.173 0.235 0.299 0.365 0.432 0.502
0.573
100 0.645 0.719 0.795 0.872 0.950 1.029 1.109 1.190
1.273 1.356
200 1.440 1.525 1.611 1.698 1.785 1.873 1.962 2.051
2.141 2.232
300 2.323 2.4142.506 2.599 2.692 2.786 2.880 2.974 3.069
3.164
400 3.260 3.356 3.452 3.549 3.645 3.743 3.840 3.938
4.036 4.135
500 4.234 4.333 4.432 4.532 4.632 4.732 4.832 4.933
5.034 5.135
600 5.237 5.339 5.442 53544 5.648 5.751 5.855 5.960
6.064 6.169
700 6.274 6.380 6.486 6.592 6.699 6.805 6.913 7.020
7.128 7.236
800 7.345 7.454 7.563 7.672 7.782 7.892 8.003 8.114
8.225 8.336
900 8.448 8.560 8.673 8.786 8.899 9.012 9.126 9.240
9.355 9.470
1000 9.585 9.700 9.816 9.932 10.048 10.165 10.282 10.400
10.517 10.635
1100 10.745 10.872 10.991 11.110 11.229 11.348 11.467
11.587 11.707 11.827
1200 11.947 12.067 12.188 12.308 12.429 12.550 12.671
12.792 12.913 13.034
1300 13.155 13.276 13.397 13.519 13.640 13.761 13.883
14.004 14.125 14.247
1400 14.368 14.489 14.610 14.731 14.852 14.973 15.094
15.215 15.336 15.456
1500 15.576 15.697 15.817 15.937 15.057 16.176 16.296
16.415 16.534 16.653
1600 16.771 16.890 17.008 17.125 17.243 17.360 17.477
17.594 17.711 17.826
1700 17.942 18.056 18.170 18.282 18.394 18.504 18.612
（4）銅-康銅熱電偶
這是一種廉價金屬熱電偶，以銅為正極，康銅為負極，其分度號為T。因銅熱電極極易氧化，一般在氧化性氣氛中使用不宜超過300℃。這種熱電偶的熱電勢率較大，熱電特性良好，材料質(zhì)地均勻，成本低，但復現(xiàn)性較差。在0～-100℃溫度范圍內(nèi)可作二等標準熱電偶，準確度達±0.1℃。通常銅-康銅熱電偶用于
℃范圍內(nèi)的測溫。
2.非標準化熱電偶
銅-康銅熱電偶是非標準分度的熱電偶中應(yīng)用較多的一種，它在實驗室和科研領(lǐng)域中
℃的測溫范圍應(yīng)用十分廣泛，尤其是由于它在低溫下具有較好的穩(wěn)定性，因而在低溫測量中備受關(guān)注。常溫下使用時銅的極性為正，康銅為負(其成分為60%銅，40%鎳)。在低于0℃的低溫下使用時，則極性相反。
由于康銅絲的熱電性能復線性較差，對于精密測量需對每一對熱電偶分別進行標定。其熱電勢與溫度的函數(shù)表達式為：
(6-12)
式中: -----測量端溫度為 時的熱電勢(參比端為0℃）
-----為常數(shù)，通常與標準鉑電阻溫度計在不同溫度下比較求得
表6.1為*常用的熱電偶技術(shù)特性。 6.2.4熱電偶的主要結(jié)構(gòu)形式
1.鎧裝式熱電偶
這是一種近三十年發(fā)展起來的新型熱電偶，其斷面結(jié)構(gòu)如圖6.7所示，它由熱電偶絲、絕緣材料、金屬套管三者組合拉制而成，也稱套管熱電偶。其特點是：(1)小型化(直徑*小可達0.25mm)，熱慣性小，使用方便。(2)時間常數(shù)小。露頭型鎧裝熱電偶的時間常數(shù)僅為0.05s，適宜用于動態(tài)溫度的測量。(3)機械性能好，且可作成各種形狀，以滿足復雜對象的溫度測量。
理論上任意兩種不同性質(zhì)的導體均可組成熱電偶，但實際上并非如此。它必須具有：
(1)物理和化學性質(zhì)穩(wěn)定，溫差電特性顯著，復現(xiàn)性好，同種材料的電偶之間具有良好的互換性，且不為測溫介質(zhì)所腐蝕，高溫下不被氧化。
(2)電阻溫度系數(shù)小，導電率高，組成電偶對輸出的溫差電動勢大，且與溫度呈線性或簡單的函數(shù)關(guān)系，以便于提高儀表的靈敏度和準確度，并便于儀表的刻度和測量。
(3)材質(zhì)均勻，塑性好，易拉絲，成批生產(chǎn)。 熱電偶的分類有幾種不同的方法。
(1)按照電動勢與溫度的關(guān)系可分為標準化(常用)熱電偶和非標準化熱電偶。
(2)按熱電偶的材質(zhì)可分為金屬熱電偶、半導體熱電偶和非金屬熱電偶三類。
(3)按適用的測溫范圍可分為高溫熱電偶和低溫熱電偶兩類。 1．標準化(常用)熱電偶
定型生產(chǎn)、有統(tǒng)一分度表的通用熱電偶稱作標準化熱電偶。我國目前廣泛采用并批量生產(chǎn)的標準化常用熱電偶主要有下列兩種：
（1）鉑銠30-鉑銠6熱電偶
這是一種貴重金屬高溫熱電偶，以鉑銠30為正極，鉑銠6為負極，其分度號為B。由于兩個熱電極都是鉑銠合金，因而提高了抗污染能力和機械強度，在高溫下其熱電特性較為穩(wěn)定，宜在氧化性和中性氣氛中使用，在真空中可短期使用。長期使用的*高溫度可達1600℃，短期使用溫度可達1800℃。這種熱電偶的熱電勢及熱電勢率都很小，因此，冷端溫度在40℃以下使用時，一般不必進行冷端溫度的補償。
鉑銠30-鉑銠6熱電偶分度表見表6.1。
表6.1 鉑銠30-鉑銠6熱電偶分度表
分度號：B
（冷端溫度為0℃）
測量端溫度（℃）0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
熱 電 動 勢 （mv）
0 -0.000 -0.002 -0.003 -0.002 0.000 0.002 0.006 0.011
0.017 0.025
100 0.033 0.0430.053 0.0650.078 0.092 0.107 0.123 0.140
0.159
200 0.178 0.199 0.220 0.243 0.266 0.291 0.317 0.344
0.372 0.401
300 0.431 0.462 0.494 0.527 0.561 0.596 0.632 0.669
0.707 0.746
400 0.786 0.827 0.870 0.913 0.957 1.002 1.048 1.095
1.143 1.192
500 1.241 1.292 1.344 1.397 1.450 1.505 1.560 1.617
1.674 1.732
600 1.791 1.851 1.912 1.974 2.036 2.100 2.164 2.230
2.296 2.366
700 2.430 2.499 2.569 2.639 2.710 2.782 2.855 2.928
3.003 3.078
800 3.154 3.231 3.308 3.387 3.466 3.546 3.626 3.708
3.790 3.873
900 3.957 4.041 4.126 4.212 4.298 4.386 4.474 4.562
4.652 4.742
1000 4.833 4.924 5.016 5.109 5.202 5.297 5.391 5.487
5.583 5.680
1100 5.777 5.875 5.973 6.073 6.172 6.273 6.374 6.475
6.577 6.680
1200 6.783 6.887 6.991 7.096 7.202 7.308 7.414 7.521
7.628 7.736
1300 7.845 7.935 8.063 8.172 8.283 8.393 8.504 8.616
8.727 8.839
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9.863 9.979
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10.907 10.024 11.141
1600 11.257 11.374 11.491 11.608 11.725 11.842 11.959
12.076 12.193 12.310
1700 12.426 12.543 12.659 12.776 12.892 13.008 13.124
12.239 13.354 13.470
1800 13.585 13.699 13.814
（2）鉑銠10-鉑熱電偶
在鉑銠10-鉑熱電偶中，以鉑銠10絲為正極，純鉑絲為負極，分度號為S。它的測量范圍為-20～1300℃，在良好的使用環(huán)境下可短期測量1600℃；適于在氧化性或中性介質(zhì)中使用，耐高溫，不宜氧化；有較好的化學穩(wěn)定性；有較高的測量精度，可用于精密溫度測量和作基準熱電偶。
鉑銠10-鉑熱電偶分度表見表6.2。
(3)鎳鉻-鎳鋁或鎳鉻-鎳硅熱電偶( 型)
這是一種能測量較高溫度的廉價金屬熱電偶，以鎳鉻合金為正極，鎳鋁(或鎳硅)合金為負極，其分度號為K，它具有較好的抗氧化性和抗腐蝕性；其復現(xiàn)性較好；熱電勢大；熱電勢與溫度關(guān)系近似于線性關(guān)系；其成本較低，雖然測量精度不高，但能滿足工業(yè)測溫的要求，是工業(yè)上*常用的熱電偶；其長期使用的*高溫度為1000℃，短期使用溫度可達1200℃。
表6.2 鉑銠10-鉑熱電偶分度表
分度號：S
（冷端溫度為0℃）
測量端 溫度（℃）0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
熱 電 動 勢 （mv）
0 0.000 0.055 0.133 0.173 0.235 0.299 0.365 0.432 0.502
0.573
100 0.645 0.719 0.795 0.872 0.950 1.029 1.109 1.190
1.273 1.356
200 1.440 1.525 1.611 1.698 1.785 1.873 1.962 2.051
2.141 2.232
300 2.323 2.4142.506 2.599 2.692 2.786 2.880 2.974 3.069
3.164
400 3.260 3.356 3.452 3.549 3.645 3.743 3.840 3.938
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500 4.234 4.333 4.432 4.532 4.632 4.732 4.832 4.933
5.034 5.135
600 5.237 5.339 5.442 53544 5.648 5.751 5.855 5.960
6.064 6.169
700 6.274 6.380 6.486 6.592 6.699 6.805 6.913 7.020
7.128 7.236
800 7.345 7.454 7.563 7.672 7.782 7.892 8.003 8.114
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900 8.448 8.560 8.673 8.786 8.899 9.012 9.126 9.240
9.355 9.470
1000 9.585 9.700 9.816 9.932 10.048 10.165 10.282 10.400
10.517 10.635
1100 10.745 10.872 10.991 11.110 11.229 11.348 11.467
11.587 11.707 11.827
1200 11.947 12.067 12.188 12.308 12.429 12.550 12.671
12.792 12.913 13.034
1300 13.155 13.276 13.397 13.519 13.640 13.761 13.883
14.004 14.125 14.247
1400 14.368 14.489 14.610 14.731 14.852 14.973 15.094
15.215 15.336 15.456
1500 15.576 15.697 15.817 15.937 15.057 16.176 16.296
16.415 16.534 16.653
1600 16.771 16.890 17.008 17.125 17.243 17.360 17.477
17.594 17.711 17.826
1700 17.942 18.056 18.170 18.282 18.394 18.504 18.612
（4）銅-康銅熱電偶
這是一種廉價金屬熱電偶，以銅為正極，康銅為負極，其分度號為T。因銅熱電極極易氧化，一般在氧化性氣氛中使用不宜超過300℃。這種熱電偶的熱電勢率較大，熱電特性良好，材料質(zhì)地均勻，成本低，但復現(xiàn)性較差。在0～-100℃溫度范圍內(nèi)可作二等標準熱電偶，準確度達±0.1℃。通常銅-康銅熱電偶用于
℃范圍內(nèi)的測溫。
2.非標準化熱電偶
銅-康銅熱電偶是非標準分度的熱電偶中應(yīng)用較多的一種，它在實驗室和科研領(lǐng)域中
℃的測溫范圍應(yīng)用十分廣泛，尤其是由于它在低溫下具有較好的穩(wěn)定性，因而在低溫測量中備受關(guān)注。常溫下使用時銅的極性為正，康銅為負(其成分為60%銅，40%鎳)。在低于0℃的低溫下使用時，則極性相反。
由于康銅絲的熱電性能復線性較差，對于精密測量需對每一對熱電偶分別進行標定。其熱電勢與溫度的函數(shù)表達式為：
(6-12)
式中: -----測量端溫度為 時的熱電勢(參比端為0℃）
-----為常數(shù)，通常與標準鉑電阻溫度計在不同溫度下比較求得
表6.1為*常用的熱電偶技術(shù)特性。 6.2.4熱電偶的主要結(jié)構(gòu)形式
1.鎧裝式熱電偶
這是一種近三十年發(fā)展起來的新型熱電偶，其斷面結(jié)構(gòu)如圖6.7所示，它由熱電偶絲、絕緣材料、金屬套管三者組合拉制而成，也稱套管熱電偶。其特點是：(1)小型化(直徑*小可達0.25mm)，熱慣性小，使用方便。(2)時間常數(shù)小。露頭型鎧裝熱電偶的時間常數(shù)僅為0.05s，適宜用于動態(tài)溫度的測量。(3)機械性能好，且可作成各種形狀，以滿足復雜對象的溫度測量。
