熱電偶是在科學和技術的所有分支中測量溫度的裝置。本文概述了熱電偶，並分析了設備的設計和工作原理。描述了各種熱電偶及其簡要特性，並對熱電偶作為測量儀器進行了評估。
內容
熱電偶裝置
熱電偶的工作原理。塞貝克效應
熱電偶的工作是由於熱電效應的發生，由德國物理學家托馬斯·塞貝克於 1821 年發現。
這種現像是基於當暴露在一定的環境溫度下時，閉合電路中會發生電流。當不同成分（不同的金屬或合金）的兩個導體（熱電極）之間存在溫差時，就會產生電流，並通過保持它們的觸點（結）的位置來維持電流。設備在連接的輔助設備的屏幕上顯示測得的溫度值。
輸出電壓和溫度呈線性關係。這意味著測量溫度的升高會導致熱電偶自由端的毫伏值升高。
位於溫度測量點的結稱為“熱”，而導線與轉換器連接的地方稱為“冷”。
冷端溫度補償 (CJC)
冷端補償 (CJC) 是一種補償，用於在測量熱電偶引線連接點的溫度時對總讀數進行校正。這是由於冷端的實際溫度與 0°C 冷端溫度校準表的計算讀數之間存在差異。
CCS 是一種差分方法，其中從已知的冷端溫度（也稱為參考端）中找到絕對溫度讀數。
熱電偶設計
在設計熱電偶時，要考慮外部環境的“侵略性”、物質的聚集狀態、測量溫度範圍等因素的影響。
熱電偶設計特點：
1) 導體的接頭通過絞合或通過進一步的電弧焊（很少通過焊接）絞合來互連。
重要的： 不推薦使用扭絞法，因為會很快失去接頭特性。
2) 熱電極必須沿其整個長度進行電氣隔離，接觸點除外。
3) 絕緣方法的選擇要考慮到溫度上限。
- 高達 100-120°C - 任何絕緣；
- 高達 1300°C - 瓷管或瓷珠；
- 高達 1950°C - 鋁管2○3;
- 2000°С 以上 - 由 MgO、BeO、ThO 製成的管2, 氧化鋯2.
4) 防護罩。
材料必須具有耐熱性和耐化學性，具有良好的導熱性（金屬、陶瓷）。在某些環境中使用防護罩可以防止腐蝕。
延長（補償）線
需要這種類型的電線將熱電偶的末端延伸到輔助儀器或屏障。如果熱電偶具有內置轉換器，輸出信號統一，則不使用電線。應用最廣泛的是歸一化轉換器，位於傳感器的標準接線端頭，具有統一的信號4-20mA，即所謂的“平板電腦”。
電線的材料可能與熱電極的材料一致，但考慮到防止形成寄生（感應）熱電動勢的條件，通常會用更便宜的材料代替。使用延長線還可以優化生產。
生活黑客！ 要正確確定補償線的極性並將它們連接到熱電偶，請記住助記規則 MM - 減號是磁化的。也就是說，我們取任何磁鐵，補償的負值將被磁化，與正值不同。
熱電偶的種類和種類
熱電偶的多樣性可以通過所使用的金屬合金的各種組合來解釋。熱電偶的選擇取決於行業和所需的溫度範圍。
熱電偶鉻鎳鐵合金 (TXA)
正極：鉻鎳合金（90% Ni，10% Cr）。
負極：鋁鎳合金（95% Ni、2% Mn、2% Al、1% Si）。
絕緣材料：瓷、石英、金屬氧化物等。
溫度範圍從 -200°С 到 1300°С 短期和 1100°С 長期加熱。
工作環境：惰性、氧化性（O2=2-3% 或完全排除），乾燥氫氣，短時真空。在有保護層的還原或氧化還原氣氛中。
缺點：易變形，熱電動勢的可逆不穩定性。
在大氣中存在微量硫和在弱氧化氣氛（“綠粘土”）中存在鉻鎳合金的情況下，可能會出現明礬腐蝕和脆化的情況。
熱電偶鉻鎳鐵合金 (TKhK)
正極：鉻鎳合金（90% Ni，10% Cr）。
負極：Kopel 合金（54.5% Cu、43% Ni、2% Fe、0.5% Mn）。
溫度範圍從 -253°С 到 800°С 長期加熱和 1100°С 短期加熱。
工作環境：惰性和氧化性，短期真空。
缺點：熱電極變形。
長時間真空下鉻蒸發的可能性；與含有硫、鉻、氟的氣氛反應。
熱電偶鐵-康銅 (TGK)
正極：商業純鐵（低碳鋼）。
負極：康銅合金（59% Cu、39-41% Ni、1-2% Mn）。
用於還原、惰性介質和真空中的測量。溫度從 -203°С 到 750°С 長期加熱和 1100°С 短期加熱。
應用正負溫度聯合測量。僅用於負溫度是無利可圖的。
缺點：熱電極變形，耐腐蝕性低。
鐵的物理化學性質在 700°C 和 900°C 左右的變化。與硫和水蒸氣反應形成腐蝕。
鎢錸熱電偶 (TVR)
正極：合金 BP5 (95% W, 5% Rh) / BAP5 (BP5 與二氧化矽和鋁添加劑) / BP10 (90% W, 10% Rh)。
負極：BP20 合金（80% W，20% Rh）。
絕緣：化學純金屬氧化物陶瓷。
機械強度、耐熱性、對污染的敏感性低、易於製造。
測量溫度從 1800°С 到 3000°С，下限為 1300°С。測量在惰性氣體、乾燥氫氣或真空環境中進行。在氧化環境中僅用於快速過程中的測量。
缺點：熱電動勢的重現性差，在輻照過程中不穩定，在溫度範圍內靈敏度不穩定。
熱電偶鎢鉬 (VM)
正極：鎢（商業純）。
負極：鉬（商業純）。
絕緣：氧化鋁陶瓷，用石英尖端保護。
惰性、氫氣或真空環境。可以在存在絕緣的氧化環境中進行短期測量。測量溫度範圍為1400-1800°C，最高工作溫度約為2400°C。
缺點：熱電動勢的重現性和靈敏度差，極性反轉，高溫脆化。
熱電偶鉑-銠-鉑 (TPP)
正極：鉑銠（Pt c 10% 或 13% Rh）。
負極：鉑。
絕緣：石英、瓷（素色和耐火）。高達 1400°C - 高鋁含量的陶瓷2○3, 超過 1400°C - 由化學純鋁製成的陶瓷2○3.
最高工作溫度 1400°C 長期，1600°C 短期。通常不進行低溫測量。
工作環境：氧化性和惰性，在保護存在下還原。
缺點：成本高、輻照不穩定、對污染敏感度高（尤其是鉑電極）、金屬晶粒在高溫下生長。
熱電偶鉑銠鉑銠 (TPR)
正極：含 30% Rh 的 Pt 合金。
負極：含 6% Rh 的 Pt 合金。
介質：氧化性、中性和真空。用於在有保護的情況下減少和控制金屬或非金屬的蒸氣。
最高工作溫度 1600°C 長期，1800°C 短期。
絕緣：鋁陶瓷2○3 高純度。
與鉑-銠-鉑熱電偶相比，不易受到化學污染和晶粒生長的影響。
熱電偶接線圖
- 將電位計或檢流計直接連接到導體。
- 與補償線連接；
- 使用傳統銅線連接到具有統一輸出的熱電偶。
熱電偶導體顏色標準
彩色導體絕緣有助於區分熱電極，以便正確連接到端子。標準因國家/地區而異，導體沒有特定的顏色代碼。
重要的： 有必要了解企業使用的標準，以防出錯。
測量精度
精度取決於熱電偶類型、溫度範圍、材料純度、電噪聲、腐蝕、結特性和製造工藝。
熱電偶被分配了一個公差等級（標准或特殊），建立了一個測量置信區間。
重要的： 製造時的特性在運行期間會發生變化。
測量速度
速度取決於初級轉換器快速響應溫度跳躍的能力以及跟隨它們的測量設備的輸入信號流。
提高性能的因素：
- 正確安裝和計算一次變流器的長度；
- 使用帶保護套的換能器時，需要選擇較小直徑的保護套來減輕單元的質量；
- 盡量減少初級轉換器和保護套之間的氣隙；
- 使用彈簧加載的初級轉換器並用導熱填料填充套筒中的空隙；
- 快速移動或密度更大的介質（液體）。
熱電偶性能檢查
要檢查性能，請連接一個特殊的測量設備（測試儀、電流計或電位計）或用毫伏表測量輸出電壓。如果箭頭或數字指示器有波動，則熱電偶可以維修，否則必須更換設備。
熱電偶故障的原因：
- 未使用保護性屏蔽裝置；
- 電極化學成分的變化；
- 在高溫下發生的氧化過程；
- 控制和測量裝置的故障等。
使用熱電偶的優缺點
使用該設備的優點是：
- 測溫範圍大；
- 高準確率;
- 簡單性和可靠性。
缺點包括：
- 實施冷端的連續監測、控制設備的驗證和校準；
- 設備製造過程中金屬的結構變化；
- 取決於大氣成分，密封成本；
- 電磁波引起的測量誤差。
