热电偶测温原理和各类热电偶的特点
热电偶测温仪是电子产品热设计领域应用最为广泛的测温仪器。本文对热电偶的测温原理进行介绍。
热电偶的测温基于塞贝克效应。即当两种不同的金属组成回路时，两个节点间的温差会导致回路中产生电势。这种由于温差导致的电势称为热电势。
结点1和结点2之间温差与热电势之间存在一一对应的函数关系。因此，可以通过测量两点之间的电势来换算结点1和结点2之间的温差。
需要注意的是，不同金属相互接触时，由于自由电子密度不同，电子将会从密度高的区域扩散到密度低的区域，从而产生接触电势。显然接触电势与自由电子的扩散速率有关，而电子的扩散速率与温度直接相关。以上图为例，A、B两种金属存在两个结点，假设结点1温度更高，且A中的自由电子密度更大，那么，回路中将会出现这种情况：在结点1处，A中的自由电子将转移到B中的速率更快，自由电子在回路中的移动方向是逆时针，电流方向为顺时针，图中的电压表指针将向右偏斜。
当两个结点温度相同时，电子转移的速率相同，两端处于电势平衡状态，回路中则不会出现电流。
另外，对于相同的导体，当两端温度不同时，也会产生电势。高温端的电子能量要比低温端的电子能量高，电子将会从这个方向朝低温端转移，于是低温端电势更低。这种电势称为温差电势。
实际测得的热电势为：
热电势 = 温差电势 + 接触电势
在实际的测量中，温差电势比接触电势小很多，一般可以略去不考虑。这样，对于一个由不同金属构成的回路，当其中一端的温度固定为T0时，测得的电势将只与另一端的温度有关。
对于实际的测试，我们知道，我们很难保证参考端的温度恒定。比如，测试某板卡上内存颗粒的温度时，室内温度有可能是20℃，也有可能是25℃，甚至，有时候整个模块都会放置到温箱中去。这样，冷端的温度将处于千变万化之中。对于这一问题，常用的热电偶测试仪器是采用如下方法进行破除的。
首先，热电偶测温原理中有一条中间温度定律。定律内容是：
热电偶AB在结点温度为T、T0是的热电势Eab（T，T0）等于热电偶AB在结点温度T、Tc和Tc、T0时的热电势的代数和：
Eab（T，T0） = Eab）（T，Tc） + Eab（Tc，T0）
这样，当参考端温度不为零时，可以依照这一规律来进行修正。
电路内部，存在如下图所示意的一个补偿电桥。其基本思想是，补偿电桥与参考端处于同一温度下，补偿电桥中的电阻将会随温度的变化而变化，由此产生电势的变化。经过一定的电阻匹配性设计，这种电势的变化，恰好可以补偿参考端温度变化引起的电势改变。于是，参考端温度的变化就被充分考虑在内了。
看起来，几个热敏电阻，几个电流表，成本应该极低。但精度的控制，是所有测量仪器的核心竞争力。从上述的热电偶的测温原理可以看出，补偿电桥是保障热电偶测温准确的关键组成部分。补偿电桥设计的是否合理，将极大影响测温仪在不同环境温度下的测温精度。遗憾的是，目前应用最广的安捷伦数据采集仪/数据采集卡是美国制造。国产的具有类似功能的测量仪器，虽然价格有巨大优势，但由于众所周知的缺陷，几乎没有能够构成威胁的品牌。
常用热电偶线的分度号主要有S、R、B、N、K、E、J、T等几种。
其中S、R、B属于贵金属热电偶线。N、K、E、J、T属于廉金属热电偶线。
S分度号的特点是抗氧化性能强，宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，长期使用温度1400℃短期1600℃。在所有热电偶线中，S分度号的精确度等级最高，通常用作标准热电偶线使用。 R分度号与S分度号相比除热电动势大15%左右，其它性能几乎完全相同；
B分度号在室温下热电动势极小，故在测量时一般不用补偿导线。它的长期使用温度为1600℃，短期1800℃。可在氧化性或中性气氛中使用，也可在真空条件下短期使用。
N分度号的特点是1300℃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，耐核辐照及耐低温性能也好，可以部分代替S分度号热电偶线；
K分度号的特点是抗氧化性能强，宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，长期使用温度1000℃，短期1200℃。在所有热电偶线中使用最为广泛。
E分度号的特点是在常用热电偶线中，其热电动势最大，即灵敏度最高。宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，使用温度0-800℃；
J分度号的特点是既可用于氧化性气氛(使用温度上限750℃)，也可用于还原性气氛(使用温度上限950℃)，并且耐H2及CO气体腐蚀，多用于炼油及化工；
T分度号的特点是在所有廉金属热电偶线中精确度等级最高，通常用来测量300℃以下的温度。
(S型热电偶)铂铑10-铂热电偶
铂铑10-铂热电偶(S型热电偶)为贵金属热电偶。偶丝直径规定为0.5mm，允许偏差-0.015mm，其正极(SP)的名义化学成分为铂铑合金，其中含铑为10%，含铂为90%，负极(SN)为纯铂，故俗称单铂铑热电偶。该热电偶长期最高使用温度为1300℃，短期最高使用温度为1600℃。
S型热电偶在热电偶系列中具有准确度最高，稳定性最好，测温温区宽，使用寿命长等优点。它的物理，化学性能良好，热电势稳定性及在高温下抗氧化性能好，适用于氧化性和惰性气氛中。由于S型热电偶具有优良的综合性能，符合国际使用温标的S型热电偶，长期以来曾作为国际温标的内插仪器，“ITS-90”虽规定今后不再作为国际温标的内查仪器，但国际温度咨询委员会(CCT)认为S型热电偶仍可用于近似实现国际温标。 S型热电偶不足之处是热电势，热电势率较小，灵敏读低，高温下机械强度下降，对污染非常敏感，贵
金属材料昂贵，因而一次性投资较大。
(R型热电偶)铂铑13-铂热电偶
铂铑13-铂热电偶(R型热电偶)为贵金属热电偶。偶丝直径规定为0.5mm，允许偏差-0.015mm，其正极(RP)的名义化学成分为铂铑合金，其中含铑为13%，含铂为87%，负极(RN)为纯铂，长期最高使用温度为1300℃，短期最高使用温度为1600℃。
R型热电偶在热电偶系列中具有准确度最高，稳定性最好，测温温区宽，使用寿命长等优点。其物理，化学性能良好，热电势稳定性及在高温下抗氧化性能好，适用于氧化性和惰性气氛中。由于R型热电偶的综合性能与S型热电偶相当，在我国一直难于推广，除在进口设备上的测温有所应用外，国内测温很少采用。1967年至1971年间，英国NPL，美国NBS和加拿大NRC三大研究机构进行了一项合作研究，其结果表明，R型热电偶的稳定性和复现性比S型热电偶均好，我国目前尚未开展这方面的研究。
R型热电偶不足之处是热电势，热电势率较小，灵敏读低，高温下机械强度下降，对污染非常敏感，贵金属材料昂贵，因而一次性投资较大。
(B型热电偶)铂铑30-铂铑6热电偶
铂铑30-铂铑6热电偶(B型热电偶)为贵金属热电偶。偶丝直径规定为0.5mm，允许偏差-0.015mm，其正极(BP)的名义化学成分为铂铑合金，其中含铑为30%，含铂为70%，负极(使用寿命BN)为铂铑合金，含铑为量6%，故俗称双铂铑热电偶。该热电偶长期最高使用温度为1600℃，短期最高使用温度为1800℃。
B型热电偶在热电偶系列中具有准确度最高，稳定性最好，测温温区宽，长，测温上限高等优点。适用于氧化性和惰性气氛中，也可短期用于真空中，但不适用于还原性气氛或含有金属或非金属蒸气气氛中。B型热电偶一个明显的优点是不需用补偿导线进行补偿，因为在0~50℃范围内热电势小于3μV。
B型热电偶不足之处是热电势，热电势率较小，灵敏读低，高温下机械强度下降，对污染非常敏感，贵金属材料昂贵，因而一次性投资较大。
(K型热电偶)镍铬–镍硅热电偶
镍铬-镍硅热电偶(K型热电偶)是目前用量最大的廉金属热电偶，其用量为其他热电偶的总和。正极(KP)的名义化学成分为：Ni：Cr=90：10，负极(KN)的名义化学成分为：Ni：Si=97：3，其使用温度为-200~1300℃。
K型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中。广泛为用户所采用。
K型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛中。
镍铬-镍硅热电偶材料性能参数
(N型热电偶)镍铬硅–镍硅热电偶
镍铬硅-镍硅热电偶(N型热电偶)为廉金属热电偶，是一种最新国际标准化的热电偶，是在70年代初由澳大利亚国防部实验室研制成功的它克服了K型热电偶的两个重要缺点：K型热电偶在300~500℃间由于镍铬合金的晶格短程有序而引起的热电动势不稳定；在800℃左右由于镍铬合金发生择优氧化引起的热电动势不稳定。正极(NP)的名义化学成分为：Ni:Cr:Si=84.4:14.2:1.4，负极(NN)的名义化学成分为：Ni:Si:Mg=95.5:4.4:0.1，其使用温度为-200~1300℃。
N型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜，不受短程有序化影响等优点,其综合性能优于K型热电偶,是一种很有发展前途的热电偶.
N型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛中。
(E型热电偶)镍铬–铜镍热电偶
镍铬-铜镍热电偶(E型热电偶)又称镍铬-康铜热电偶，也是一种廉金属的热电偶，正极(EP)为：镍铬10合金，化学成分与KP相同，负极(EN)为铜镍合金，名义化学成分为：55%的铜，45%的镍以及少量的锰，钴，铁等元素。该热电偶的使用温度为-200~900℃。 E型热电偶热电动势之大，灵敏度之高属所有热电偶之最，宜制成热电堆，测量微小的温度变化。对于高湿度气氛的腐蚀不甚灵敏，宜用于湿度较高的环境。E热电偶还具有稳定性好，抗氧化性能优于铜-康铜，铁-康铜热电偶，价格便宜等优点，能用于氧化性和惰性气氛中，广泛为用户采用。
E型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性气氛中，热电势均匀性较差。
(J型热电偶)铁–铜镍热电偶
铁-铜镍热电偶(J型热电偶)又称铁-康铜热电偶，也是一种价格低廉的廉金属的热电偶。它的正极(JP)的名义化学成分为纯铁，负极(JN)为铜镍合金，常被含糊地称之为康铜，其名义化学成分为：55%的铜和45%的镍以及少量却十分重要的锰，钴，铁等元素，尽管它叫康铜，但不同于镍铬-康铜和铜-康铜的康铜，故不能用EN和TN来替换。铁-康铜热电偶的覆盖测量温区为-200~1200℃，但通常使用的温度范围为0~750℃
J型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均匀性较好，价格便宜等优点,广为用户所采用。
J型热电偶可用于真空，氧化，还原和惰性气氛中，但正极铁在高温下氧化较快，故使用温度受到限制，也不能直接无保护地在高温下用于硫化气氛中。
(T型热电偶)铜–铜镍热电偶
铜-铜镍热电偶(T型热电偶)又称铜-康铜热电偶，也是一种最佳的测量低温的廉金属的热电偶。它的正极(TP)是纯铜，负极(TN)为铜镍合金，常之为康铜，它与镍铬-康铜的康铜EN通用，与铁-康铜的康铜JN不能通用，尽管它们都叫康铜，铜-铜镍热电偶的盖测量温区为-200~350℃。
T型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均匀性较好，价格便宜等优点,特别在-200~0℃温区内使用，稳定性更好，年稳定性可小于±3μV，经低温检定可作为二等标准进行低温量值传递。
T型热电偶的正极铜在高温下抗氧化性能差，故使用温度上限受到限制。
