热电偶的原理及使用 热力学温标 1848年威廉•汤姆首先提出以热力学第二定律为基础，建立温度仅与热量有关，而与物质无关的热力学温标。因是开尔文总结出来的，故又称开尔文温标，用符号K表示。它是国际基本单位制之一 。 根据热力学中的卡诺定理，如果在温度T1的热源与温度为T2的冷源之间实现了卡诺循环，则存在下列关系式 Q1——热源给予热机的传热量 Q2——热机传给冷源的传热量 如果在式中再规定一个条件,就可以通过卡诺循环中的传热量来完全地确定温标。1954年，国际计量会议选定水的三相点为273.16，并以它的1/273.16定为一度，这样热力学温标就完全确定了，即T=273.16(Q1/Q2)。 国际实用温标 为解决国际上温度标准的同意及实用问题，国际上协商决定，建立一种既能体现热力学温度（即能保证一定的准确度），又使用方便、容易实现的温标，即国际实用温标International P ractical Temperature Scale of 1968(简称IPTS-68)，又称国际温标。
1968年国际实用温标规定热力学温度是基本温度，用t表示，其单位是开尔文，符号为K。1K定义为水三相点热力学温度的1/273.16，水的三相点是指纯水在固态、液态及气态三项平衡时的温度，热力学温标规定三相点温度为273.16 K，这是建立温标的惟一基准点。
注意：摄氏温度的分度值与开氏温度分度值相同，即温度间隔1K=1℃。T0是在标准大气压下冰的融化温度， T0 = 273.15 K。水的三相点温度比冰点高出0.01 K。
温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。它除具有结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号便于远传或信号转换等优点外，还能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。
一、热电偶的工作原理
两种不同的导体或半导体A和B组合成如图所示闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同（设T＞T0），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。这种现象早在1821年首先由西拜克（See－back）发现,所以又称西拜克效应。
热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。
只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热电偶；相同材料不会产生热电势，因为当A、B两种导体是同一种材料时，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。
只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生。
导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使EAB(T0)=常数，则回路热电势EAB(T，T0)就只与温度T有关，而且是T的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。
热电偶常用材料
1．铂—铂铑热电偶(S型) 分度号LB—3
工业用热电偶丝：Φ0.5mm，实验室用可更细些。
正极：铂铑合金丝,用90％铂和10％铑(重量比)冶炼而成。
负极：铂丝。
测量温度：长期：1300℃、短期：1600℃。
特点：
1. 材料性能稳定，测量准确度较高；可做成标准热电偶
或基准热电偶。用途：实验室或校验其它热电偶。
2. 测量温度较高，一般用来测量1000℃以上高温。
3. 在高温还原性气体中（如气体中含Co、H2等）易被侵
蚀，需要用保护套管。
4. 材料属贵金属，成本较高。
5. 热电势较弱。
2．镍铬—镍硅(镍铝)热电偶(K型) 分度号EU—2
工业用热电偶丝： Φ1.2~2.5mm，实验室用可细些。
正极：镍铬合金(用88.4～89.7％镍、9～10％铬，0.6％硅，0.3％锰，0.4～0.7％钴冶炼而成)。
负极：镍硅合金(用95.7～97％镍,2～3％硅,0.4～0.7％钴冶炼而成)。
测量温度：长期1000℃，短期1300℃。
特点：
a) 价格比较便宜，在工业上广泛应用。
b) 高温下抗氧化能力强，在还原性气体和含有SO2，
H2S等气体中易被侵蚀。
c) 复现性好，热电势大，但精度不如WRLB。
3．镍铬—考铜热电偶(E型) 分度号为EA—2
工业用热电偶丝:Ф1.2～2mm，实验室用可更细些。
正极：镍铬合金
负极：考铜合金（用56％铜，44％镍冶炼而成）。
测量温度：长期600℃，短期800℃。
特点：
a) 价格比较便宜，工业上广泛应用。
b) 在常用热电偶中它产生的热电势最大。
c) 气体硫化物对热电偶有腐蚀作用。考铜易氧化变质，适于在还原性或中性介质中使用。
4．铂铑30—铂铑6热电偶(B型) 分度号为热电偶校验装置LL—2
正极：铂铑合金（用70％铂，30％铑冶炼而成）。
负极：铂铑合金（用94％铂，6％铑冶炼而成）。
测量温度：长期可到1600℃，短期可达1800℃。 特点： 1. 材料性能稳定，测量精度高。 2. 还原性气体中易被侵蚀。 3. 低温热电势极小，冷端温度在50℃以下可不加补偿。 4. 成本高。 几种持殊用途的热电偶 （1）铱和铱合金热电偶 如铱50铑—铱10钌热电偶它能在氧化气氛中测量高达2100℃的高温。 （2）钨铼热电偶 是60年代发展起来的，是目前一种较好的高温热电偶，可使用在真空惰性气体介质或氢气介质中，但高温抗氧能力差。国产钨铼-钨铼20热电偶使用温度范围300～2000℃分度精度为1％。 （3）金铁—镍铬热电偶 主要用在低温测量，可在2～273K范围内使用，灵敏度约为10μV／℃。 （4）钯—铂铱15热电偶
是一种高输出性能的热电偶，在1398℃时的热电势为47.255mV，比铂—铂铑10热电偶在同样温度下的热电势高出3倍，因而可配用灵敏度较低的指示仪表，常应用于航空工业。
（5）铁—康铜热电偶，分度号TK
灵敏度高，约为53μV/℃，线性度好，价格便宜，可在800℃以下的还原介质中使用。主要缺点是铁极易氧化，采用发蓝处理后可提高抗锈蚀能力。
（6）铜—康铜热电偶，分度号MK
热电偶的热电势略高于镍铬-镍硅热电偶，约为43μV/℃。复现性好，稳定性好，精度高，价格便宜。缺点是铜易氧化，广泛用于20K～473K的低温实验室测量中。
冷端处理及补偿
原因：
热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定；
热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0℃为依据，否则会产生误差。
方法：
冰点槽法
计算修正法
补正系数法
零点迁移法
冷端补偿器法
软件处理法
冷端处理及补偿方法
1．冰点槽法
把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里，使T0=0℃。这种办法仅限于科学实验中使用。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。
2．计算修正法
用普通室温计算出参比端实际温度TH，利用公式计算
EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)
例：用铜-康铜热电偶测某一温度T，参比端在室温环境TH中，测得热电动势EAB(T，TH)=1.999mV，又用室温计测出TH=21℃,查此种热电偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.832mV，故得
EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，T0)
=1.999+0.832
=2.831(mV)
再次查分度表，与2.831mV对应的热端温度T=68℃。
注意:既不能只按1.999mV查表，认为T=49℃，也不能把49℃加上21℃，认为T=70℃。
3．补正系数法
把参比端实际温度TH乘上系数k，加到由EAB(T，TH)查分度表所得的温度上，成为被测温度T。用公式表达即
T＝ T′＋ k T H
式中：T——为未知的被测温度； T′——为参比端在室温下热电偶电势与分度表上对应的某个温度； TH——室温；
k——为补正系数，其它参数见下表。
例：用铂铑10－铂热电偶测温，已知冷端温度TH=35℃，这时热电动势为11.348mV．查S型热电偶的分度表，得出与此相应的温度T′=1150℃。再从下表中查出，对应于1150℃的补正系数k=0.53。于是，被测温度
T=1150+0.53×35=1168.3（℃）
用这种办法稍稍简单一些，比计算修正法误差可能大一点，但误差不大于0.14％。
4．零点迁移法
应用领域：如果冷端不是0℃，但十分稳定（如恒温车间或有空调的场所）。
实质：在测量结果中人为地加一个恒定值，因为冷端温度稳定不变，电动势EAB(TH,0)是常数，利用指示仪表上调整零点的办法，加大某个适当的值而实现补偿。
例：用动圈仪表配合热电偶测温时，如果把仪表的机械零点调到室温TH的刻度上,在热电动势为零时，指针指示的温度值并不是0℃而是TH。而热电偶的冷端温度已是TH,则只有当热端温度T=TH时，才能使EAB(T,TH)=0，这样，指示值就和热端的实际温度一致了。这种办法非常简便，而且一劳永逸，只要冷端温度总保持在TH不变，指示值就永远正确。
5．冷端补偿器法
利用不平衡电桥产生热电势补偿热电偶因冷端温度变化而引起热电势的变化值。
6．软件处理法
对于计算机系统，不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。例如冷端温度恒定但不为0℃的情况，只需在采样后加一个与冷端温度对应的常数即可。
对于T0经常波动的情况，可利用热敏电阻或其它传感器把T0信号输入计算机，按照运算公式设计一些程序，便能自动修正。后一种情况必须考虑输入的采样通道中除了热电动势之外还应该有冷端温度信号，如果多个热电偶的冷端温度不相同，还要分别采样，若占用的通道数太多，宜利用补偿导线把所有的冷端接到同一温度处，只用一个冷端温度传感器和一个修正T0的输入通道就可以了。冷端集中，对于提高多点巡检的速度也很有利。
二、热电偶的分类及补偿导线
热电偶根据所用材质不同可分为S、R、B、K、N、E、J、T 8种标准化热电偶。而炼钢中经常使用的是S、R、B这三种热电偶。
炼钢中常用的热电偶的材料
热电偶分度号 热电极材料
正极 负极
S 铂90铑10 纯铂
R 铂87铑13 纯铂
B 铂70铑30 铂94铑6
在热电偶中还有一个比较重要的材料─补偿导线，用它们将热电偶与测量装置联接，以补偿热电偶连接处的温度变化所产生的误差，补偿导线应因芯线合金丝材质不同分为延长型和补偿型两种，我们通常使用的是补偿型。
MINCO测温偶头的结构示意图
测温偶头规格型号
热电偶分度号 热电极材料
正极 负极
S 铂铑10 纯铂
R 铂铑13 纯铂
B 铂铑30 铂铑6
K 镍铬 镍硅
T 纯铜 铜镍
J 铁 铜镍
N 镍铬硅 镍硅
E 镍铬 铜镍
下面给出如果用错热电偶之温标，或TYPE（R，S）大概会发生温度差如下：
热电偶型式 仪器 温度显示 误差 温度显示 误差
R-68 R-68 1500 - 1700 -
R-48 R-68 1491.4 -8.6 1688.2 -11.8
R-68 R-48 1507.6 +7.6 1709.2 +9.2
S-68 R-68 1368 -132 1535 -165
S-48 R-68 1364 -136 1532 -168
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