热电偶基本知识

镍铬—镍硅（镍铝）热电偶（分度号为K）

该种热电偶的正极为含铬10%的镍铬合金（KP），负极为含硅3%的镍硅合金（KN）。它的负极亲磁，依据此特性，用磁铁可以很方便地鉴别出热电偶的正负极。它的特点是，使用温度范围宽，高温下性能稳定，热电动势与温度的关系近似线性，价格便宜，因此，它是目前用量最大的一种热电偶。
K型热电偶适于在氧化性及惰性气氛中连续使用。短期使用温度为1200℃，长期使用温度为1000℃。经过选择后优质K型热电偶可以作为标准，用以分度工作用镍铬-镍硅等贱金属热电偶。在这种热电偶的两极添加金属钇及镁等元素，抗氧化性能可进一步提高，最高使用温度可达到1300℃。为了充分发挥贱金属价格便宜的优点，在同一测温场所中，可多安装几支热电偶，利用其灵敏度高和热电特性近似线性的特点，达到准确测量的目的。
我国已经基本上用镍铬—镍硅热电偶取代了镍铬—镍铝热电偶。国外仍然使用镍铬—镍铝热电偶。两种热电偶的化学成分虽然不同，但其热电特性相同，使用同一分度表。
K型热电偶是抗氧化性较强的贱金属热电偶。不适宜在真空、含碳、含硫气氛及氧化与还原交替的气氛下裸丝使用。当氧分压较低时，镍铬极中的铬将则优氧化（也称绿蚀），使热电动势发生很大变化。但金属气体对其影响较小。因此，多采用金属制热电偶保护管。
K型热电偶有以下缺点：
1、热电动势的高温稳定性较N型热电偶及贵金属热电偶差。在较高温度下，往往因氧化而损坏。在氧化性气氛中，直径3.2mm的K型热电偶，在1100℃，1200℃下经650h左右，均超过0.75级允许误差；但N型热电偶在相同条件下，经过1000h，其热电动势的最大变化为96.6μV（2.6℃）。在1250℃下经过1000h后仍未超差。
2、在250～550℃范围内短期热循环稳定性不好，即使在同一温度点上，在升降温过程中其热电动势值也不一样，其差值可达2～5℃。
3、K型热电偶的负极，在150～200℃范围内要发生磁性转变，致使在室温至230℃范围内，分度值往往偏离分度表，尤其在磁场中使用时，常出现与时间无关的热电动势干扰。
4、长期处于高通量中子流辐照的环境下，由于负极中的Mn，Co等元素发生蜕变，使其稳定性欠佳，导致热电动势发生较大变化。
K型热电偶的分度号以前为EU-2，现为K。

K型热电偶丝推荐使用温度范围：

直径（mm）	长期使用最高温度（℃）	短期使用最高温度（℃）
0.3	700	800
0.5	800	900
0.8 1.0	900	1000
1.2 1.5	1000 平板显示	1100
2.0 2.5	1100	1200
3.2	1200	1300


进口插件热电偶（K，E，PT100）	耐磨热电偶（N，K，E，PT100）	航插式热电偶（K，E，PT100）

压簧式热电偶（K，PT100）	隔爆型热电偶（K，PT100）	活动法兰热电偶（K，PT100）

B，S，R，N，E，J，T ，W-Re

铂銠30-铂铑6热电偶（分度号为B）

该种热电偶是60年代发展起来的一种典型的高温热电偶。它的正极为含铑30%的铂铑合金（BP）负极为含铑6%的铂铑合金（BN）。因两极均为铂铑合金，故简称为双铂铑热电偶。
该种热电偶的特点是，在室温下热电动势极小（25℃时为-2μV，50℃时为3μV），故在测量时一般不用补偿导线，可以忽略参考端温度变化的影响。它的长期使用温度为1600℃，短期使用温度为1800℃。铂铑6合金的熔点为1820℃，限制其使用温度上限。双铂铑热电偶的电动势率较小，因此，需配备灵敏度较高的显示仪表。
B型热电偶适宜在氧化性或中性气氛中使用，也可以在真空环境下短期使用，即使在还原性气氛下使用，其寿命也是R、S型热电偶的10～20倍。因R及S型热电偶在高温下，将发生铂铑正极向负极扩散的现象，引起热电偶劣化，为了防止上述现象的发生，在铂中添加铑制成铂铑合金，不仅可以改善耐热性能，而且还可以提高合金对铂的热电动势率。当铑含量在20%以下时，铂铑合金对铂的热电动势急增，但超过此值，随铑含量的增加，变化不大，且显著硬化，加工困难。故此类合金中铑含量不能超过40%（重量比）。
铂铑合金比纯铂的晶粒长度倾向小，而且，随铑含量的增多而减少，并可使热电性能更稳定，机械强度更高。因此，双铂铑热电偶在1800℃的高温测量中得到广泛应用。双铂铑热电偶的分度号以前为LL-2，现为B。

铂銠10-铂铑热电偶（分度号为S）

自1885年Le-chatelier发明铂铑10-铂铑热电偶以来，已有100多年的历史，对其性能及制造工艺曾作过详细研究。该种热电偶正极的明义成分为含铑10%的铂铑合金（代号为SP），负为纯铂（代号为SN）。
该种热电偶的特点是热电性能稳定、抗氧化性强，宜在氧化性、惰性气氛中连续使用。长期使用温度为1400℃，超过此温度时，即使在空气中，纯铂丝也将因再结晶致使晶粒粗大。故长期使用温度限定在1400℃以下，短期使用温度为1600℃。在所有的热电偶中，它的准确度等级最高，通常用作标准或作为测量高温的热电偶，它的使用温度范围广、均质性及互换性好。
S型热电偶的缺点是价格昂贵，电极丝直径很细（0.35～0.5mm)，机械强度较低；与其它热电偶相比，它的热电势比较小，热电动势率平均为9μV/℃，因此需配用灵敏度高的显示仪表；该种热电偶不适合于在还原性气氛或含金属蒸气的条件下使用，尤其应避免接触有机物、铁、硅、H2及CO等等。在真空下只能短期使用。铂在不太高温度下易发生再结晶及晶粒长大现象，不仅使高温强度降低，而且容易引起污染，致使热电偶性能不稳定。铂铑10-铂热电偶的分度以前为LB-3，现为S。

铂銠13-铂铑热电偶（分度号为R）

该种热电偶的正极为含铑的铂铑合金（RP），负极为纯铂（RN）。同S型热电偶相比，它的热电动势率大15%左右，其它性能几乎完全相同。该种热电偶在日本产业界，作为高温热电偶用得最多，但在1981年以前的日本工业技术标准（JIS）中铂铑合金的铑含量为12.8%，同现行的R型热电偶相比，在1550℃下，其热电动势约低100μV，这点请注意。在真空、还原或含金属蒸气的条件下使用，均要受到玷污。长期使用温度一般不应超过1400℃。


S型铠装热电偶（直径3—8mm）	刚玉管S、B、R型热电偶（直径8—25mm）

N，K，E，J，T ，W-Re

镍铬硅—镍硅热电偶（分度号为N）

Nicrosil-Nisil热电偶是70年代由澳大利亚的Burley等人首先研制出来的。它是一种新型镍基合金测温材料，也是国际上近卤素管取暖器20年来在贱金属热电偶合金材料研究方面取得唯一的重大成果。有可能取代其余四扎种贱金属热电偶，目前正在引起人们的高度重视。它的主要特点是，在1300℃以下，高温抗氧化能力强，热电动势的长期稳定性及短期热循环的复现性好，耐核辐射及耐低温性能也好。在-200～1300℃范围内，有全面取代贱金属热电偶与部分代替S热电偶的趋势。
N型热电偶的主要特性有以下五点：
1、高温抗氧化能力强，长期稳定性好。针对K型热电偶镍铬极中Cr，Si元素择优氧化引起合金沉成分不均匀、热电动势漂移等问题，在N型热电偶的正极中增加Cr，Si含量使镍铬合金的氧化模式由内氧化转变成外氧化，致使氧化反应仅在表面进行；又在负极中增添溶质元素Mg与Si，尽管Si含量增大要降低热电动势，但可使金属与氧化物间的钝化膜更加致密。并因Mg与Si择优氧化形成扩散势垒，阻止“绿蚀”现象向内部扩散，抑制进一步氧化发生。对在1200℃下经过1000h的K，N型热电偶的正极进行显微结构观察表明，K型热电偶的氧化层很厚，近1mm，而N型热电偶却几乎看不到氧化膜的成长。又因K型热电偶负极中含有Mn，虽有调整热电动势的作用，但却极大地影响了它的高温稳定性。为此，N型热电偶中不再添加Mn。因此，它的高温稳定性与使用寿命较K型热电偶明显提高。
2、在250～550℃范围内的短期热循环稳定性好。K型热电偶在上述温度范围内循环使用时，因其显微结构发生变化，形成短程有序结构（即所谓的K状态），致使其热电动势不稳定，而N型热电偶能消除此种短期不稳定性。在Ni-Cr二元合金中，胡纯玉Cr含量在5%～30%的范围内，存在着原子晶格结构的有序→无序转变，但在此成分范围内，有一个很小的区域，即Cr含量为14%～16%左右时，例如Cr含量为14.2%的镍铬硅合金，将不因结构上有序→无序的转变而引起热电动势值有较大的变化。实验结果也证明，无论是经退火或时效的N型热电偶样品，在250～550℃范围内的升降温过程中，热电动势的变化不超过10μV。
3、在250～550℃范围内抑制了磁性转变，不再出现热电动势明显地不规则变化。K型热电偶负极，约在服务器监测170℃发生磁性转变，在Secheck系数与温度关系曲线上有拐点。为此，对N型热电偶的负极合金成分作了很大调整，基本上不含Mn，Al，Co元素，Si含量也有较大提高，从而抑制了新型合金的磁性转变，使其转变温度降到室温以下。因此，N型热电偶不会因磁性变化造成热电动势值偏离分度表。
4、在中子辐照环境下具有良好的稳定性。在中子积分通量小于1020/cm2的条件下，K型热电偶具有良好的耐辐照能力，而N型热电偶在K型热电偶的基础上，又取消了易蜕变元素Mn，Co等，因此，N型教K热电偶具有更好的耐核辐照的能力。
5、在400～1300℃范围内，N型热电偶热电特性的线性比K型好。在400～1300℃范围内，N型热电偶非线性误差仅占1300℃热电动势的0.4%，而K型热电偶在相同范围内的非线性误差占1300℃的1.75%，比N型热电偶大得多。当然N型热电偶与K型热电偶相比，在低温范围内（-200～400℃）的非线性误差较大，同时材料教硬，难于加工。

N型热电偶丝推荐使用温度范围：

直径（mm）	长期使用最高温度（℃）	短期使用最高温度（℃）
0.3	700	800
0.5	800	900
0.8 1.0	900	1000
1.2 1.6	1000	1100
2.0 2.5	1100	1200
3.2	1200	1300