热电偶是在科学和技术的所有分支中测量温度的装置。本文概述了热电偶，并分析了设备的设计和工作原理。描述了各种热电偶及其简要特性，并对热电偶作为测量仪器进行了评估。
内容
热电偶装置
热电偶的工作原理。塞贝克效应
热电偶的工作是由于热电效应的发生，由德国物理学家托马斯·塞贝克于 1821 年发现。
这种现象是基于当暴露在一定的环境温度下时，闭合电路中会发生电流。当不同成分（不同的金属或合金）的两个导体（热电极）之间存在温差时，就会产生电流，并通过保持它们的触点（结）的位置来维持电流。设备在连接的辅助设备的屏幕上显示测得的温度值。
输出电压和温度呈线性关系。这意味着测量温度的升高会导致热电偶自由端的毫伏值升高。
位于温度测量点的结称为“热”，而导线与转换器连接的地方称为“冷”。
冷端温度补偿 (CJC)
冷端补偿 (CJC) 是一种补偿，用于在测量热电偶引线连接点的温度时对总读数进行校正。这是由于冷端的实际温度与 0°C 冷端温度校准表的计算读数之间存在差异。
CCS 是一种差分方法，其中从已知的冷端温度（也称为参考端）中找到绝对温度读数。
热电偶设计
在设计热电偶时，要考虑外部环境的“侵略性”、物质的聚集状态、测量温度范围等因素的影响。
热电偶设计特点：
1) 导体的接头通过绞合或通过进一步的电弧焊（很少通过焊接）绞合来互连。
重要的： 不推荐使用扭绞法，因为会很快失去接头特性。
2) 热电极必须沿其整个长度进行电气隔离，接触点除外。
3) 绝缘方法的选择要考虑到温度上限。
- 高达 100-120°C - 任何绝缘；
- 高达 1300°C - 瓷管或瓷珠；
- 高达 1950°C - 铝管2○3;
- 2000°С 以上 - 由 MgO、BeO、ThO 制成的管2, 氧化锆2.
4) 防护罩。
材料必须具有耐热性和耐化学性，具有良好的导热性（金属、陶瓷）。在某些环境中使用防护罩可以防止腐蚀。
延长（补偿）线
需要这种类型的电线将热电偶的末端延伸到辅助仪器或屏障。如果热电偶内置转换器，输出信号统一，则不使用电线。应用最广泛的是归一化转换器，位于传感器的标准接线端头，具有统一的信号4-20mA，即所谓的“平板电脑”。
电线的材料可能与热电极的材料一致，但考虑到防止形成寄生（感应）热电动势的条件，通常会用更便宜的材料代替。使用延长线还可以优化生产。
生活黑客！ 要正确确定补偿线的极性并将它们连接到热电偶，请记住助记规则 MM - 减号是磁化的。也就是说，我们取任何磁铁，补偿的负号将被磁化，与正号不同。
热电偶的种类和种类
热电偶的多样性可以通过所使用的金属合金的各种组合来解释。热电偶的选择取决于行业和所需的温度范围。
热电偶铬镍铁合金 (TXA)
正极：铬镍合金（90% Ni，10% Cr）。
负极：铝镍合金（95% Ni、2% Mn、2% Al、1% Si）。
绝缘材料：瓷、石英、金属氧化物等。
温度范围从 -200°С 到 1300°С 短期和 1100°С 长期加热。
工作环境：惰性、氧化性（O2=2-3% 或完全排除），干燥氢气，短时真空。在有保护层的还原或氧化还原气氛中。
缺点：易变形，热电动势的可逆不稳定性。
在大气中存在微量硫和在弱氧化气氛（“绿粘土”）中存在铬镍合金的情况下，可能会出现明矾腐蚀和脆化的情况。
热电偶铬镍铁合金 (TKhK)
正极：铬镍合金（90% Ni，10% Cr）。
负极：Kopel 合金（54.5% Cu、43% Ni、2% Fe、0.5% Mn）。
温度范围从 -253°С 到 800°С 长期加热和 1100°С 短期加热。
工作环境：惰性和氧化性，短期真空。
缺点：热电极变形。
长时间真空下铬蒸发的可能性；与含有硫、铬、氟的气氛反应。
热电偶铁-康铜 (TGK)
正极：商业纯铁（低碳钢）。
负极：康铜合金（59% Cu、39-41% Ni、1-2% Mn）。
用于还原、惰性介质和真空中的测量。温度从 -203°С 到 750°С 长期加热和 1100°С 短期加热。
应用正负温度联合测量。仅用于负温度是无利可图的。
缺点：热电极变形，耐腐蚀性低。
铁的物理化学性质在 700°C 和 900°C 左右的变化。与硫和水蒸气反应形成腐蚀。
钨铼热电偶 (TVR)
正极：合金 BP5 (95% W, 5% Rh) / BAP5 (BP5 与二氧化硅和铝添加剂) / BP10 (90% W, 10% Rh)。
负极：BP20 合金（80% W，20% Rh）。
绝缘：化学纯金属氧化物陶瓷。
机械强度、耐热性、对污染的敏感性低、易于制造。
测量温度从 1800°С 到 3000°С，下限为 1300°С。测量在惰性气体、干燥氢气或真空环境中进行。在氧化环境中仅用于快速过程中的测量。
缺点：热电动势的重现性差，在辐照过程中不稳定，在温度范围内灵敏度不稳定。
热电偶钨钼 (VM)
正极：钨（商业纯）。
负极：钼（商业纯）。
绝缘：氧化铝陶瓷，用石英尖端保护。
惰性、氢气或真空环境。可以在存在绝缘的氧化环境中进行短期测量。测量温度范围为1400-1800°C，最高工作温度约为2400°C。
缺点：热电动势的重现性和灵敏度差，极性反转，高温脆化。
热电偶铂-铑-铂 (TPP)
正极：铂-铑（Pt c 10% 或 13% Rh）。
负极：铂。
绝缘：石英、瓷（素色和耐火）。高达 1400°C - 高铝含量的陶瓷2○3, 超过 1400°C - 由化学纯铝制成的陶瓷2○3.
最高工作温度 1400°C 长期，1600°C 短期。通常不进行低温测量。
工作环境：氧化性和惰性，在保护存在下还原。
缺点：成本高、辐照不稳定、对污染敏感度高（尤其是铂电极）、金属晶粒在高温下生长。
热电偶铂铑铂铑 (TPR)
正极：含 30% Rh 的 Pt 合金。
负极：含 6% Rh 的 Pt 合金。
介质：氧化性、中性和真空。用于在有保护的情况下减少和控制金属或非金属的蒸气。
最高工作温度 1600°C 长期，1800°C 短期。
绝缘：铝陶瓷2○3 高纯度。
与铂-铑-铂热电偶相比，不易受到化学污染和晶粒生长的影响。
热电偶接线图
- 将电位计或检流计直接连接到导体。
- 与补偿线连接；
- 使用传统铜线连接到具有统一输出的热电偶。
热电偶导体颜色标准
彩色导体绝缘有助于区分热电极，以便正确连接到端子。标准因国家/地区而异，导体没有特定的颜色代码。
重要的： 有必要了解企业使用的标准，以防出错。
测量精度
精度取决于热电偶类型、温度范围、材料纯度、电噪声、腐蚀、结特性和制造工艺。
热电偶被分配了一个公差等级（标准或特殊），建立了一个测量置信区间。
重要的： 制造时的特性在运行期间会发生变化。
测量速度
速度取决于初级转换器快速响应温度跳跃的能力以及跟随它们的测量设备的输入信号流。
提高性能的因素：
- 正确安装和计算一次变流器的长度；
- 使用带保护套的换能器时，需要选择较小直径的保护套来减轻单元的质量；
- 尽量减少初级转换器和保护套之间的气隙；
- 使用弹簧加载的初级转换器并用导热填料填充套筒中的空隙；
- 快速移动或密度更大的介质（液体）。
热电偶性能检查
要检查性能，请连接一个特殊的测量设备（测试仪、电流计或电位计）或用毫伏表测量输出电压。如果箭头或数字指示器有波动，则热电偶可以维修，否则必须更换设备。
热电偶故障的原因：
- 未使用保护性屏蔽装置；
- 电极化学成分的变化；
- 在高温下发生的氧化过程；
- 控制和测量装置的故障等。
使用热电偶的优缺点
使用该设备的优点是：
- 测温范围大；
- 高准确率;
- 简单性和可靠性。
缺点包括：
- 实施冷端的连续监测、控制设备的验证和校准；
- 设备制造过程中金属的结构变化；
- 取决于大气成分，密封成本；
- 电磁波引起的测量误差。
