E型热电偶

定义

E型热电偶是一种热电偶，由两种合金导体配对构成，正极(EP)为镍铬10合金，负极(EN)为铜镍合金。镍铬10合金以镍为主并含约 10% 的铬，这一成分与 K 型热电偶的正极相同；负极材料常被称作康铜，名义成分是 55% 的铜与 45% 的镍，另外含有少量锰、钴、铁等元素^[1]。

按材料类别划分，E型热电偶属于廉金属热电偶，其分度号为 E，分度表给出的是参考端温度定为 0 ℃ 时，测量端温度与热电动势之间的对应数值^[4][1]。其常用测量区间大致为 −200 ℃ 至 900 ℃，测量误差约为 ±0.5%^[2]。

原理

热电偶测温依靠两种不同导体构成的回路在接点存在温差时产生热电动势。E型热电偶输出的热电动势随测量端与参考端的温差增大而增大，温度与电动势之间的关系由国际标准规定，E型的参考函数即取自 IEC 60584 系列标准^[4][5]。

衡量灵敏度的塞贝克系数在 0 ℃ 附近约为 68 μV/℃，为常用标准化热电偶中最高者，明显高于镍铬-镍铝热电偶的约 41 μV/℃^[2][6]。温差为 100 ℃ 时，E型热电偶可产生约 6.8 mV 的电动势，其输出在测量范围内接近线性^[7]。

热电动势与温度的关系可写成 $E=\int_{T_0}^{T} S(T)\,\mathrm{d}T$，其中 $E$ 为热电动势，$S$ 为塞贝克系数，$T_0$ 为参考端温度^[7]。

graph LR

A[测量端 热接点] --> B[E型热电偶两根合金丝]

B --> C[热电动势]

C --> D[参考端 0 ℃]

D --> E[按分度表换算温度]

发展历程

用单个字母标识常用热电偶的分度号，这一做法由美国仪表学会(ISA)提出，1964 年被采纳为美国国家标准 ANSI C96.1，其后有关专业标准继续沿用。字母标识对应的是电动势与温度的关系，而不是某一固定的化学成分，因此成分相近而热电特性落在允差内的热电偶都可使用同一字母^[8]。

E型热电偶由镍铬合金正极与铜镍合金负极配成，在几种廉金属热电偶中出现较晚，有资料将其列为较新的产品^[9]。1974 年，英国标准 BS 4937-6 已给出镍铬-铜镍热电偶(E型)的温度与电动势对照表，该表以 1968 年国际实用温标为基础^[10]。

1990 年国际温标实施之后，国际电工委员会发布了配套的 IEC 60584 系列标准。与 B、J、T、K、N 型一样，E 型的新分度表是在旧版基础上经数学变换导出的，计算由美国标准与技术研究院完成^[11]。2013 年，IEC 60584-1 第三版发布，把 1995 年版的参考表与 1982 年版的允差内容合并，规定了包括 E 型在内的各字母标识热电偶的参考函数与允差。

应用

E型热电偶在氧化性气氛中可以不加保护使用，其输出信号大，适合低温(深冷)测量和需要分辨微小温差的场合，也用于实验室精密测温以及一般的工业过程测温^[2][7][12]。

2003 年《中国计量》刊载的一项工作，为测量大型时效炉炉内温场的均匀性，采用了直径 0.8 mm 的 E 型(镍铬-康铜)热电偶丝，测量端用弧焊方法焊接，成对导线装配后的外径约为 1.7 mm×2.5 mm^[13]。

在一般环境下，E型热电偶的耐久性与允许误差与 K 型热电偶相当，其热电动势随时间的变化较小^[14]。作为廉金属热电偶，它取材于镍铬、铜镍合金，材料成本较低，热电动势率大^[15][9]。

局限

E型热电偶的测温上限约为 900 ℃，低于 K 型热电偶的约 1300 ℃，在更高温度的环境中不能使用^[2]。它的应用范围也不如 K 型热电偶广泛^[9]。

E型热电偶虽然能在氧化气氛中不加保护地工作，但在还原性气氛下性能与使用寿命均会受到严重影响，在无保护条件下使用时只适合氧化性或惰性气氛^[2][12]。

按 IEC 60584-1 的允差分级，E型热电偶一级允差为 ±1.5 K，适用 −40 ℃ 至 800 ℃；二级允差为 ±2.5 K，适用 −200 ℃ 至 900 ℃；三级允差适用于 −270 ℃ 至 40 ℃ 的低温段^[7]。

参见

• 热电偶 —— 利用两种导体接点的温差产生热电动势来测温的元件，E 型是其中的标准化类型之一。

• K型热电偶 —— 另一种廉金属热电偶，正极材料与 E 型相同，测温上限更高、通用性更强。

• 康铜 —— 一种铜镍合金，是 E 型热电偶的负极材料。

• 塞贝克效应 —— 热电偶产生热电动势的物理基础，E 型热电偶的塞贝克系数在常用类型中最高。

• 分度表 —— 给出热电偶温度与热电动势对应关系的表格，E 型热电偶的分度号为 E。

• 铠装热电偶 —— 由金属套管、绝缘粉末与热电偶丝组合而成的测温元件。