热电偶是目前工业上应用较为广泛的热电式传感器。热电偶是一种发电型的温敏元件，它将温度信号转换成电动势信号，配以测量电动势信号的仪表或变送器，便可以实现温度测量或温度信号的变换。热电偶应用广泛的原因是因为它有如下特点：

1）热电偶的测温精度可达0.1～0.2℃，仅次于热电阻。由于热电偶具有良好的复现性和稳定性，所以国际实用温标中规定热电偶作为复现630.74～1064.43℃范围的标准仪表。

2）结构简单，制造极为方便。

3）用途非常广泛。除了用来测量各种流体的温度外，还常用来测量固定表面的温度。热电偶的测温范围为-270～2800℃，它可直接反映平均温度或温差。

4）动态特性好。由于热电偶的测量端可以制成很小的接点，响应速度快，其时间常数可达毫秒级甚至微秒级。

图5-2 热电效应

1.热电偶的工作原理

将两根性质不同的金属丝或合金丝A与B的两个端头焊接在一起，就构成了热电偶，如图5-2所示。A、B叫做热偶丝，也叫热电极。在闭合回路旁放置一个小磁针，当热电偶两端的温度T=T₀时，磁针不动；当T≠T₀时，磁针就发生偏转，其偏转方向和热电偶两端温度的高低及两极的性质有关。上述现象说明，当热电偶两端温度T≠T₀时，回路中产生了电流，这种电流称为热电流，其电动势称为热电动势，这种物理现象称为热电效应。

放置在被测介质中的热电偶的一端，称为工作端，或称测量端。热电偶一般用于测量高温，所以工作端一般置于高温介质中，因而工作端也称热端。另外一端则称为参考端，也称自由端。热电偶测温时，参考端用来接测量仪表，如图5-3所示，其温度T₀通常是环境温度，或某个恒定的温度（如50℃，0℃等），它一般低于工作端温度，所以常称为冷端。

图5-3 热电偶原理

当自由端的温度T₀保持一定时，热电动势的方向及大小仅与热电极材料和工作端的温度有关，即热电动势是工作端温度T的函数。这就是热电偶测温的物理基础。热电动势由接触电动势和温差电动势两部分组成。

2.热电偶的材料、结构及种类

（1）热电偶的材料 由金属的热电效应原理可知，热电偶的热电极可以是任意金属材料，但在实际应用中，用做热电极的材料应具备如下几方面条件：

1）测量范围广。要求在规定的温度测量范围内具有较高的测量精确度、较大的热电动势，温度与热电动势的关系是单值函数。

2）性能稳定。要求在规定的温度测量范围内使用时热电性能稳定，有较好的均匀性和复现性。

3）化学性能好。要求在规定的温度测量范围内使用时有良好的化学稳定性、抗氧化或抗还原性能，不产生蒸发现象。

满足上述条件的热电偶材料并不很多。目前，我国大量生产和使用的、性能符合专业标准或国家标准并具有统一分度表的热电偶材料称为定型热电偶材料，共有6个品牌。它们分别是铂铑30-铂铑6、铂铑10-铂、镍铬-镍硅、镍铬-镍铜、镍铬-镍铝、铜-铜镍。此外，我国还生产一些未定型的热电偶材料，如铂铑13-铂、铱铑40-铱、钨铼5-钨铼20及金铁热电偶、双铂钼热电偶等。这些非标热电偶应用于一些特殊条件下的测温，如超高温、极低温、高真空或核辐射等环境。

（2）热电偶的结构 热电偶温度传感器广泛应用于工业生产过程中的温度测量，根据其用途和安装位置不同，它具有多种结构形式。(www.daowen.com)

1）普通工业热电偶。普通工业热电偶通常由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等几个主要部分组成，其结构如图5-4所示。

图5-4 普通工业热电偶结构

1—测量端 2—热电极 3—绝缘管 4—保护套管 5—接线盒

①热电极：又称为偶丝，它是热电偶的基本组成部分。用普通金属做成的偶丝，直径一般为0.5～3.2mm；用贵重金属做成的偶丝，直径一般为0.3～0.6mm。偶丝的长度由工作端插入在被测介质中的深度来决定，通常为300～2000mm，常用的长度为350mm。

②绝缘管：又称为绝缘子，是用于防止热电极之间及热电极与保护套之间互相短路而进行绝缘保护的零件。形状一般为圆形或椭圆形，中间开有2个、4个或6个孔，偶丝穿孔而过。材料为黏土质、高铝质、刚玉质等，材料选用视使用的热电偶而定。

③保护套管：保护套管是用于保护热电偶感温元件免受被测介质化学腐蚀和机械损伤的装置，形状一般为圆柱形。保护套管应具有耐高温、耐腐蚀、导热性好的特性，可以用做保护套管的材料有金属、非金属及金属陶瓷三大类。金属材料有铝、黄铜、碳钢、不锈钢等，其中1Crl8Ni9Ti不锈钢是目前热电偶保护套管使用的典型材料；非金属材料有高铝质（Al₂O₃的质量分数为85%～90%）、刚玉质（Al₂O₃的质量分数为99%），使用温度都在1300℃以上；金属陶瓷材料有氧化镁加金属钼，使用温度在1700℃，且在高温下有很好的抗氧化能力，适用于钢液温度的连续测量。

④接线盒：热电偶的接线盒用于固定接线座和连接外界导线，起着保护热电极免受外界环境侵蚀和保证外接导线与接线柱接触良好的作用。接线盒一般由铝合金制成，根据被测介质温度对象和现场环境条件要求，可设计成普通型、防溅型、防水型和防爆型等接线盒。

2）铠装热电偶。它是由金属套管、绝缘材料和热电极经焊接密封和装配等工艺制成的坚实组合体。金属套管材料可以是铜、不锈钢（1Cr18Ni9Ti）或镍基高温合金（GH30）等；绝缘材料常使用电熔氧化镁、氧化铝、氧化铍等的粉末；而热电极无特殊要求。套管中热电极有单支（双芯）、双支（四芯），彼此间互不接触。中国已生产S型、R型、B型、K型、E型、J型和铱铑40-铱等铠装热电偶，套管最长可达100m以上，管外径最细能达0.25mm。铠装热电偶已达到标准化、系列化。铠装热电偶具有体积小、热容量小、动态响应快、可挠性好、柔软性良好、强度高、耐压、耐振、耐冲击等许多优点，因此被广泛应用于工业生产过程。

铠装热电偶接线盒的结构，根据不同的使用条件，有不同的形式，如简易式、带补偿导线式、插座式等，选用时可参考有关资料。

（3）热电偶的种类

1）标准型热电偶。所谓标准型热电偶是指制造工艺比较成熟、应用广泛、能成批生产、性能优良而稳定并已列入工业标准化文件中的热电偶。国际电工委员会1975年向世界各国推荐了7种标准型热电偶，见表5-3。在热电偶的名称中，正极写在前面，负极写在后面。

表5-3 热电偶测温范围

2）非标准型热电偶。非标准型热电偶包括铂铑系、铱铑系及钨铼系热电偶等。

铂铑系热电偶有铂铑20-铂铑5、铂铑40-铂铑20等一些种类，其共同的特点是性能稳定，适用于各种高温测量。

铱铑系热电偶有铱铑40-铱、铱铑60-铱。这类热电偶长期使用的测温范围在2000℃以下，且热电动势与温度线性关系好。钨铼系热电偶有钨铼3-钨铼25、钨铼5-钨铼20等种类，最高使用温度受绝缘材料的限制，目前可达2500℃左右，主要用于钢液、反应堆测温等场合。

3）薄膜热电偶。薄膜热电偶是由两种金属薄膜连接而成的一种特殊结构热电偶，它的测量端既小又薄，热容量很小，动态响应快，可用于微小面积温度测量和快速变化的表面温度测量。薄膜热电偶测温时需用胶黏剂紧粘在被测物表面，所以热损失很小，测量精度高。由于使用温度受胶黏剂和衬垫材料限制，目前只能用于-200～300℃范围内。