熱電偶的應用與發展
摘要：目前，對于熱電偶傳感器的研究已經很透徹。在很多領域里，熱電偶的應用是達到了舉足輕重的程度，應用很廣泛，效果也很理想。但是，其發展還有很大的空間，對于它的性能、用途以及使用范圍還需進一步了解。鑒于熱電偶的高速發展，本文主要對它的應用與發展進行闡述。
1熱電偶的工作原理
熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的材質導體組成閉合回路,當兩端存在溫度梯度時,回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在Seebeck電動勢——熱電動勢，這就是所謂的塞貝克效應。兩種不同成份的均質導體為熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為自由端，自由端通常處于某個恒定的溫度下。根據熱電動勢與溫度的函數關系, 制成熱電偶分度表; 分度表是自由端溫度在0℃時的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時, 只要該材料兩個接點的溫度相同, 熱電偶所產生的熱電勢將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此, 在熱電偶測溫時, 可接入測量儀表, 測得熱電動勢后, 即可知道被測介質的溫度。 兩種不同成份的導體（稱為熱電偶絲材或熱電極）兩端接合成回路，當接合點的溫度不同時，在回路中就會產生電動勢，這種現象稱為熱電效應，而這種電動勢稱為熱電勢。熱電偶就是利用這種原理進行溫度測量的，其中，直接用作測量介質溫度的一端叫做工作端（也稱為測量端），另一端叫做冷端（也稱為補償端）；冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會指出熱電偶所產生的熱電勢。
2熱電偶的種類及應用
常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。所調用標準熱電偶是指國家標準規定了其熱電勢與溫度的關系、允許誤差、并有統一的標準分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標準化熱電偶在使用范圍或數量級上均不及標準化熱電偶，一般也沒有統一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。標準化熱電偶我國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標準生產，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標準化熱電偶為我國統一設計型熱電偶。
（S型熱電偶）鉑銠10-鉑熱電偶 鉑銠10-鉑熱電偶（S型熱電偶）為貴金屬熱電偶。偶絲直徑規定為0.5mm，允許偏差-0.015mm，其正極（SP）的名義化學成分為鉑銠合金，其中含銠為10%，含鉑為90%，負極（SN）為純鉑，故俗稱單鉑銠熱電偶。該熱電偶長期最高使用溫度為1300℃，短期最高使用溫度為1600℃。
S型熱電偶在熱電偶系列中具有準確度最高，穩定性最好，測溫溫區寬，使用壽命長等優點。它的物理，化學性能良好，熱電勢穩定性及在高溫下抗氧化性能好，適用于氧化性和惰性氣氛中。由于S型熱電偶具有優良的綜合性能，符合國際使用溫標的S型熱電偶，長期以來曾作為國際溫標的內插儀器，
S型熱電偶不足之處是熱電勢，熱電勢率較小，靈敏讀低，高溫下機械強度下降，對污染非常敏感，貴金屬材料昂貴，因而一次性投資較大。
（R型熱電偶）鉑銠13-鉑熱電偶 鉑銠13-鉑熱電偶（R型熱電偶）為貴金屬熱電偶。偶絲直徑規定為0.5mm，允許偏差-0.015mm，其正極（RP）的名義化學成分為鉑銠合金，其中含銠為13%，含鉑為87%，負極（RN）為純鉑，長期最高使用溫度為1300℃，短期最高使用溫度為1600℃。
R型熱電偶在熱電偶系列中具有準確度最高，穩定性最好，測溫溫區寬，使用壽命長等優點。其物理，化學性能良好，熱電勢穩定性及在高溫下抗氧化性能好，適用于氧化性和惰性氣氛中。由于R型熱電偶的綜合性能與S型熱電偶相當，在我國一直難于推廣，除在進口設備上的測溫有所應用外，國內測溫很少采用。1967年至1971年間，英國NPL，美國NBS和加拿大NRC三大研究機構進行了一項合作研究，其結果表明，R型熱電偶的穩定性和復現性比S型熱電偶均好，我國目前尚未開展這方面的研究。
R型熱電偶不足之處是熱電勢，熱電勢率較小，靈敏讀低，高溫下機械強度下降，對污染非常敏感，貴金屬材料昂貴，因而一次性投資較大。
（B型熱電偶）鉑銠30-鉑銠6熱電偶
鉑銠30-鉑銠6熱電偶（B型熱電偶）為貴金屬熱電偶。偶絲直徑規定為0.5mm，允許偏差-0.015mm，其正極（BP）的名義化學成分為鉑銠合金，其中含銠為30%，含鉑為70%，負極（BN）為鉑銠合金，含銠為量6%，故俗稱雙鉑銠熱電偶。該熱電偶長期最高使用溫度為1600℃，短期最高使用溫度為1800℃。 B型熱電偶在熱電偶系列中具有準確度最高，穩定性最好，測溫溫區寬，使用壽命長，測溫上限高等優點。適用于氧化性和惰性氣氛中，也可短期用于真空中，但不適用于還原性氣氛或含有金屬或非金屬蒸氣氣氛中。B型熱電偶一個明顯的優點是不需用補償導線進行補償，因為在0~50℃范圍內熱電勢小于3μV。 B型熱電偶不足之處是熱電勢，熱電勢率較小，靈敏讀低，高溫下機械強度下降，對污染非常敏感，貴金屬材料昂貴，因而一次性投資較大。
（K型熱電偶）鎳鉻-鎳硅熱電偶
鎳鉻-鎳硅熱電偶（K型熱電偶）是目前用量最大的廉金屬熱電偶，其用量為其他熱電偶的總和。正極（KP）的名義化學成分為：Ni：Cr=90：10，負極（KN）的名義化學成分為：Ni：Si=97：3，其使用溫度為-200~1300℃。
K型熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度高，穩定性和均勻性較好，抗氧化性能強，價格便宜等優點，能用于氧化性惰性氣氛中。廣泛為用戶所采用。
K型熱電偶不能直接在高溫下用于硫，還原性或還原，氧化交替的氣氛中和真空中，也不推薦用于弱氧化氣氛中。
（N型熱電偶）鎳鉻硅-鎳硅熱電偶
鎳鉻硅-鎳硅熱電偶（N型熱電偶）為廉金屬熱電偶，是一種最新國際標準化的熱電偶，是在70年代初由澳大利亞國防部實驗室研制成功的它克服了K型熱電偶的兩個重要缺點：K型熱電偶在300~500℃間由于鎳鉻合金的晶格短程有序而引起的熱電動勢不穩定；在800℃左右由于鎳鉻合金發生擇優氧化引起的熱電動勢不穩定。正極（NP）的名義化學成分為：Ni:Cr:Si=84.4:14.2:1.4，負極（NN）的名義化學成分為：Ni:Si:Mg=95.5:4.4:0.1，其使用溫度為-200~1300℃。
N型熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度較高，穩定性和均勻性較好，抗氧化性能強，價格便宜，不受短程有序化影響等優點,其綜合性能優于K型熱電偶,是一種很有發展前途的熱電偶.
N型熱電偶不能直接在高溫下用于硫，還原性或還原，氧化交替的氣氛中和真空中，也不推薦用于弱氧化氣氛中。
（E型熱電偶）鎳鉻-銅鎳熱電偶
鎳鉻-銅鎳熱電偶（E型熱電偶）又稱鎳鉻-康銅熱電偶，也是一種廉金屬的熱電偶，正極（EP）為：鎳鉻10合金，化學成分與KP相同，負極（EN）為銅鎳合金，名義化學成分為：55%的銅，45%的鎳以及少量的錳，鈷，鐵等元素。該熱電偶的使用溫度為-200~900℃。
E型熱電偶熱電動勢之大，靈敏度之高屬所有熱電偶之最，宜制成熱電堆，測量微小的溫度變化。對于高濕度氣氛的腐蝕不甚靈敏，宜用于濕度較高的環境。E熱電偶還具有穩定性好，抗氧化性能優于銅-康銅，鐵-康銅熱電偶，價格便宜等優點，能用于氧化性和惰性氣氛中，廣泛為用戶采用。
E型熱電偶不能直接在高溫下用于硫，還原性氣氛中，熱電勢均勻性較熱電偶。
（J型熱電偶）鐵-銅鎳熱電偶
鐵-銅鎳熱電偶（J型熱電偶）又稱鐵-康銅熱電偶，也是一種價格低廉的廉金屬的熱電偶。它的正極（JP）的名義化學成分為純鐵，負極（JN）為銅鎳合金，常被含糊地稱之為康銅，其名義化學成分為：55%的銅和45%的鎳以及少量卻十分重要的錳，鈷，鐵等元素，盡管它叫康銅，但不同于鎳鉻-康銅和銅-康銅的康銅，故不能用EN和TN來替換。鐵-康銅熱電偶的覆蓋測量溫區為-200~1200℃，但通常使用的溫度范圍為0~750℃
J型熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度較高，穩定性和均勻性較好，價格便宜等優點,廣為用戶所采用。
J型熱電偶可用于真空，氧化，還原和惰性氣氛中，但正極鐵在高溫下氧化較快，故使用溫度受到限制，也不能直接無保護地在高溫下用于硫化氣氛中。
（T型熱電偶）銅-銅鎳熱電偶
銅-銅鎳熱電偶（T型熱電偶）又稱銅-康銅熱電偶，也是一種最佳的測量低溫的廉金屬的熱電偶。它的正極（TP）是純銅，負極（TN）為銅鎳合金，常之為康銅，它與鎳鉻-康銅的康銅EN通用，與鐵-康銅的康銅JN不能通用，盡管它們都叫康銅，銅-銅鎳熱電偶的蓋測量溫區為-200~350℃。
T型熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度較高，穩定性和均勻性較好，價格便宜等優點,特別在-200~0℃溫區內使用，穩定性更好，年穩定性可小于±3μV，經低溫檢定可作為二等標準進行低溫量值傳遞。
T型熱電偶的正極銅在高溫下抗氧化性能差，故使用溫度上限受到限制。
3熱電偶傳感器在具體工程中的應用：
漏鋼是連鑄生產中一種災難性的事故，漏鋼會損壞設備，降低作業率，給企業造成很大的經濟損失。連鑄漏鋼可分為粘結漏鋼、夾渣漏鋼、裂紋漏鋼等，漏鋼與鋼水成分、溫度、設備狀況、保護渣性能以及操作水平有密切聯系。生產過程中的漏鋼事故一般為鑄坯出生殼在結晶器內發生粘結或其他異常情況沒有得到補救，出結晶器時沒有達到足夠的安全厚度而導致漏鋼。為了減少漏鋼事故發生，人們一直致力于開發漏鋼預報系統。通過在結晶器銅板中埋入溫度傳感器熱電偶對銅板進行熱監控，鐳目科技有限責任公司通過對影響漏鋼預報系統準確率因素的研究，采取了一系列的改進措施，成功研制出一種高準確率的漏鋼預報系統，目前該系統已經在國內多家鋼廠成功運行，得到了廣泛的好評。
漏鋼預報系統，是一種可以通過分析分布在結晶器壁上的熱電偶采集到的溫度變化，得知坯殼破裂處及其擴展，從而檢測出漏鋼趨勢并進行報警的設備。RAMON漏鋼預報系統主要由以下幾部份組成：現場操作箱、控制柜、工控機、熱電偶模塊、連接器、熱電偶、熱電偶保護套管、離線檢測裝置等部分組成。
正常澆注情況下， 由于結晶器內新生高溫坯殼的不斷向下運動，上排熱電偶溫度大于下排熱電偶的溫度；當坯殼發生粘結被拉斷時，補入的鋼水直接和銅板接觸，上排熱電偶溫度升高，拉斷處會形成薄弱的坯殼并將繼續向下運動，在鋼水靜壓力的作用下緊貼銅壁，使下排的熱電偶溫度也隨之上升 ”。當粘結嚴重時，會使兩個熱電偶的溫升達到一定值，如果溫升超過允許值，系統便發出漏鋼報警。
預報系統可分為手動操作或自動控制。當選擇人工控制時，操作人員根據系統畫面及報警，手動控制相應系統； 在自動狀態下， 當出現非正常狀態時，系統自動降低相應流的拉速并發出警報，相應流自動減速，以便使裂口愈口。提供的愈合時間是根據不同鋼種預先設定的。自發生報警恢復至正常狀態，不需人工操作。
影響預報準確度的因素：在連鑄生產過程中，結晶器內實際沒有黏結，但是由于某些原因導致熱電偶溫度曲線波動過大而產生漏鋼預報即誤報；但結晶器內實際發生了黏結，而由于熱電偶沒有檢測到等原因漏鋼預報系統沒有預報而發生漏鋼事故，就是漏報。經過現場試驗分析確定誤報、漏報發生的原因主要有以下幾種：(1)熱電偶線下檢測質量不合格，熱電偶存在質量問題。在使用過程中熱電偶性能不穩定或失去熱電特性，溫度曲線波動過大，造成誤報，誤報頻繁系統被迫關閉，將產生漏報。(2)熱電偶裝配方式不夠合理或者密封不好，使用一段時間后，熱電偶與結晶器安裝槽不能緊密接觸，進水及油污將使測量溫度與實際溫度偏差大，溫度曲線呈波動狀，造成誤報。(3)電氣設計不合理、電磁干擾嚴重，在熱電偶信號傳輸過程中發生失真現象，使溫度曲線波動，將產生誤報和漏報。(4)在漏鋼預報系統中，相應鋼種組報警參數值設置較小或較大，也會產生誤報和漏報。(5)算法不合理，也將產生誤報和漏報。
4熱電偶的發展
國內外的許多研究機構和制造商，根據工業過程自動化的檢測和控制要求，不斷設計和制造出許多新的熱電偶，目前的發展趨勢大致如下:
1) 產品結構鎧裝化
鎧裝熱電偶具有壽命長、可彎曲、熱響應時間小、耐震動等的優點，倍受用戶青睞。它將逐步地代替過去用絕緣瓷珠穿絲的裝配結構型式。
2) 產品結構安裝套管化
由于熱電偶檢測元件實現了鎧裝化，因此可以做到整機與套管分離成兩部分，用戶可以預先將套管安裝在工業過程設備上，熱電偶可以在不停機的情況下安裝或拆卸，設備中的介質不泄漏，既可靠又安全。
3) 檢測、信號轉換和現場顯示一體化
隨著電子產品的小型化，原來作為直流4～20mA或1～5V標準信號傳輸的熱電偶系列的溫度變送器也已小型化，可以安裝在現場的熱電偶接線盒內與熱電偶成為一體，且只需用兩根普通導線連接而不必使用較為昂貴的補償導線。檢測、信號轉換和顯示成為一體的帶轉換器、帶顯示的熱電偶則可滿足現場顯示的需要。
近年來，現場總線已廣泛應用于許多自動化控制領域，帶智能型轉換器的熱電偶也已面世。它采用二線制4～20mA或數字化輸，通過手持終端操作器接在4～20mA任意位置，實現數字信號通訊的現場或遠距離重調。它還具有PID的控制功能。在這種情況下，4～20mA作為控制輸出，過程變量是測量的溫度值,，設置則可由操作者直接或使用一個可組態的設置操作器來調整，其輸出信號可接到執行單元；同時信號的數字部分提供過程變量、輸出、設置和其他轉換參數或PID參數
總結：熱電偶的應用在工業中隨處可見，學習好熱電偶有利于我們將來的發展，這樣才能不斷的進步。
