在工业生产与科学研究*域,温度测量至关重要。热电偶作为*种常用且重要的测温元件,凭借独特的工作原理与多样特性,在众多场景中发挥着关键作用。
年,德国科学家塞贝克(T. J. Seebeck)发现,当连接两种不同金属,并对两端的接点施加不同温度时,金属之间会产生电压并有电流通过,这*现象被命名为 “塞贝克效应”,为热电偶的发明奠定了理论基础。1877 年,法国化学家亨利?勒夏特列(Le Chatelier Henri)设计了 PtRh10 - Pt 热电高温计结构,并交由卡彭特尔工厂制造,这便是*早实现工业生产的热电偶。此后,热电偶不断完善改进,成为大量生产的常用测温仪器。
热电偶主要基于热电效应工作。将两种不同成分的导体两端连接成闭合回路,当两个连接端温度不同时,回路中会产生电动势,进而形成电流。例如,由导体 a 和导体 b 组成热电偶,其两端分别为温度较高的工作端(热端)和温度较低的自由端(冷端),热端和冷端存在温度差时,回路便会产生热电势。产生热电势的根本原因是两种金属导体的电荷载流子(电子或空穴)迁移率不同。在温差作用下,高温端电荷载流子能量和活跃度更高,会向低温端迁移,从而在导体两端形成电势差。若令冷端温度已知且固定,将热端置于待测温度中,通过测量热电偶的热电势即可实现待测温度的测量。

热电偶*般由热电*、*缘管、保护管和接线盒等主要部分组成。热电*是测温敏感元件,测量端*般采用焊接方式构成,材料和直径根据热电偶结构有所不同,如贵金属热电*直径*般为 0.35 - 0.65mm,普通金属热电*直径*般为 0.50 - 3.2mm。*缘管用于将两热电*隔离开,防止短路现象,*般有耐火陶瓷、莫来石刚玉和纯刚玉 3 种材质。保护管使热电*和被测介质不直接接触,避免或减少有害介质侵蚀、火焰和气流的冲刷与辐射以及机械损伤等,还起固定和支撑热电偶感温元件的作用,根据被测介质温度和现场环境条件,有普通型、防溅型、防水型、防爆型等不同形式。接线盒用来固定连接感温元件与外接导线,起着保护感温元件免受外接气氛侵蚀并使外接导线与热电*有良好接触的作用,*般由铝合金制成,出线孔和盖子都用垫圈加以密封。
热电偶可根据多种方式分类。按标准化情况,主要分为标准化热电偶和非标准化热电偶。标准化热电偶生产工艺成熟、成批生产、性能优良并已列入国家标准文件,截至 2023 年,共有 S、R、B、K、N、E、J、T 型 8 种国家标准化热电偶,这类热电偶发展早、性能稳定、应用广泛,具有统*的分度表可以互换,并有与其配套的显示仪表可供使用。例如,S 型热电偶由铂铑 10 合金与纯铂组成,长期使用温度可达 1300℃,短期使用可达 1600℃,具有准确度高、稳定性好、测温温区宽、使用寿命长、高温下抗氧化性能好等优点,但价格昂贵,常温热电势*小,不适合中低温测量,适用于氧化性和惰性气氛中,常用于科学研究、高精度温度测量以及作为国际温标的内插仪器等。非标准化热电偶如钨铼热电偶,测温上限高,*高可达 2800℃左右,热电动势大,但在低温区热电势较小,且易氧化,需在惰性气氛或真空中使用,适用于超高温测量,如钢铁、冶金、玻璃等行业中的高温熔炉、高温烧结等过程的温度监测,以及*些特殊材料的高温性能测试等*域。按结构类型,有普通热电偶、铠装热电偶、薄膜热电偶、各种专用热电偶等。铠装热电偶由热电*、*缘材料和金属保护套管三者组合加工而成,具有体积小、响应快、耐振动、抗冲击、可弯曲等优点,测温范围*般为 - 200℃ - 1000℃左右,广泛应用于各种工业*域的温度测量,特别是在*些空间狭小、需要快速响应或对机械强度要求较高的场合。
热电偶具有诸多优点。其测量温度范围广,在 - 200℃至 + 2500℃之间,具体取决于所使用的金属线,从低温到喷气引擎废气,适用于大多数实际温度范围。热电偶坚固耐用,抗冲击振动性好,适合危险恶劣环境。由于体积小,热容量低,热电偶对温度变化响应快,尤其在感应接合点裸露时,可在数百毫秒内对温度变化作出响应。而且热电偶不需要激励电源,不易自发热,本身较为安全。当然,热电偶也存在*些缺点。将热电偶电压转换成可用的温度读数必需进行大量的信号调理,信号调理复杂,处理不当易引入误差,导致精度降低。除内部固有不稳定性外,热电偶测量精度*般在 1°C 至 2°C 内,相对较低。由于由两种不同金属组成,在*些工况下,热电偶随时间可能会腐蚀,从而降低精度,可能需要保护且保养维护必不可少。当测量毫伏*信号变化时,杂散电场和磁场产生的噪声可能会对测量造成干扰。
在工业*域,热电偶应用广泛。在化工行业,可用于监测反应釜温度;在金属加工行业,能测量熔炉、炼钢炉温度;在食品加工行业,可对烘焙、蒸煮等过程的温度进行控制;在电力站,用于监测发电机、变压器等设备温度;在制药行业,对药品生产过程的温度严格把控。在科学研究*域,热电偶可用于测量实验室反应温度、监测实验装置温度变化以及研究材料热导率和热扩散等性质。在医疗*域,医用热电偶温度传感器通常柔软、敏感,用于口腔、耳朵或直肠测温,确保患者体温得以及时监测。在空调和冷冻设备中,热电偶用于监测室内外温度以及制冷系统温度,实现温度控制和调节。在汽车工业中,热电偶广泛用于引擎控制、排气系统监测和制冷系统,帮助确保引擎在适当温度范围内运行,并监测排气气温,提高燃油效率。
随着科技不断发展,热电偶也在持续改进创新,未来有望在更多*域发挥重要作用,为各行业发展提供更精准、可靠的温度测量支持 。