电子功能材料与元器件：3-3 热电偶

1、LOGO 3-3 3-3 热电偶热电偶 LOGO 热电偶的定义及特点 热电偶是一种感温元件，是一次仪表。它直 接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号, 通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温 度。 热电偶的特点： 装配简单，更换方便 压簧式感温元件，抗震性能好 测量范围大 机械强度高，耐压性能好 耐高温可达2400度 LOGO 主要内容 一、热电效应 二、接触电势 三、单一导体的温差电势 四、热电偶的总电势 五、热电偶的分类 LOGO 一、热电效应 由由A A、B B两种不同的导体两端相互紧密连接在一起，两种不同的导体两端相互紧密连接在一起， 组成一个闭合回路。当两接触点处于不同温度时

2、，回组成一个闭合回路。当两接触点处于不同温度时，回 路中可产生电动势形成电流路中可产生电动势形成电流-热电效应。热电效应。 热电偶产生的热电动势是两种不同的导体的接触电热电偶产生的热电动势是两种不同的导体的接触电 势（玻尔贴电势）和单一导体的温差电势（汤姆逊效势（玻尔贴电势）和单一导体的温差电势（汤姆逊效 应）应） LOGO 二、接触电势 不同导体材料中有不同浓度的电子，当两种 导体AB连接时，在接触处会产生电子扩散，设 导体A比B中电子浓度大，那么单位时间内由A到 B 的电子数比B到A的电子数多，此时端正电， 端负电，从而产生电势差接触电势。 A B A B LOGO 二、接触电势 两导体两

3、端接触电势用符号eAB（T）和eAB（T0）表示，其数 学表达式为： ( )ln A AB B nkT eT en 0 0 ()ln A AB B kTn eT en （3-32） （3-33） 式中：K为波尔兹曼常数；T 、T0为两结点处的绝对温度； nA、nB为材料A、B中的自由电子浓度；e为电子电荷量。 因eAB（T）和eAB（T0）方向相反，故回路中的总接触电势为： 0 00 ( )()lnlnln AAA ABAB BBB kTnnnkTk eTeTTT enenen （） （3-34） LOGO 三、单一导体的温差电势 一根均匀的导体，当两一根均匀的导体，当两 端温度不同时，由于高

4、温端端温度不同时，由于高温端 电子能量比低温端高，因而电子能量比低温端高，因而 电子可由高温端向低温端扩电子可由高温端向低温端扩 散散，使，使高温端带正电，低温高温端带正电，低温 端带负电，从而在导体的两端带负电，从而在导体的两 端形成电势差温差电势。端形成电势差温差电势。 该电势将阻止电子从高温端该电势将阻止电子从高温端 向低温端的进一步扩散而达向低温端的进一步扩散而达 到平衡，温差电势比接触电到平衡，温差电势比接触电 势小得多。势小得多。 LOGO 温差电势的大小与导体材料和导体两端温度差有温差电势的大小与导体材料和导体两端温度差有 关，如导体两端温度分别为，关，如导体两端温度分别为， ，

5、单一导体 ，单一导体 各自的电势差分别为：各自的电势差分别为： 三、单一导体的温差电势 0 T A0A T eTTdT （ ， ）= 0 T B0B T eTTdT （ ， ）= （3-35） （3-36） ，汤姆逊系数，表示单一导体两端温度相差，汤姆逊系数，表示单一导体两端温度相差11时所产生的时所产生的 温差温差电势。电势。 由导体由导体A,BA,B构成的热电偶回路总的温差电势为：构成的热电偶回路总的温差电势为： 0 T A0B0AB T eTTeTT-dT （ ， ）- （ ， ）= （） （3-37） LOGO 四、热电偶的总电势 热电偶回路由两个接触电势和两个温差电势组成，热电偶回路

6、由两个接触电势和两个温差电势组成， 其总热电势为：其总热电势为： 0 AB00A0B0 T 0AB T ETT( )()eTTeTT ln-dT ABAB A B eTeT nk TT en （ ， ）=（ ， ）- （ ， ） （）（） （3-38） 0 TT AB0AB0AB 00 ABAB0 ETT( )-dT()-dT ETET ABAB eTeT （ ， ）=（）（） （ ）-（ ） 对（3-38）式做变换如下： （3-39） LOGO 如构成热电偶的两种导体材料相同，即使两端点温如构成热电偶的两种导体材料相同，即使两端点温 度不同，回路内总电势也为零，故热电偶必须用两度不同，回路内

7、总电势也为零，故热电偶必须用两 种不同材料构成。种不同材料构成。 若热电偶两结点温度相同若热电偶两结点温度相同, ,即使材料不同，回路即使材料不同，回路 中总热电势也为零，故热电偶的两结点温度不能相同中总热电势也为零，故热电偶的两结点温度不能相同。 四、热电偶的总电势 当当A,BA,B材料确定后，则总热电势是两端点温度（材料确定后，则总热电势是两端点温度（T T，T T0 0）的函数，）的函数， 即即 E EAB AB(T,T (T,T0 0)=f(T)-f(T)=f(T)-f(T0 0) ) 通常自由端（冷端）温度一般为室温或置于冰水中（通常自由端（冷端）温度一般为室温或置于冰水中（T T0

8、 0=0=0），此），此 时时 f(Tf(T0 0)=C)=C（常数）（常数） 故故 E EAB AB(T,T (T,T0 0)=f(T)-C=)=f(T)-C=（T T） （3-40） （3-41） LOGO 五、热电偶的分类 常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大 类。标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度 的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶， 它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶 在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也 没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。 标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电 阻全部按国际标准生产，并指定

9、S、B、E、K、R、J、T 七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。 LOGO 热电偶的分度号有主要有S、R、B、N、K、E、J、T等几种。其 中S、R、B属于贵金属热电偶，N、K、E、J、T属于廉金属热电偶。 热电极材料 使用温度范围（）。 正极 负极 使用温度范围（） S 铂铑合金（铑含量10 %） 纯铂 0-1400 R 铂铑合金（铑含量13 %） 纯铂 0-1400 B 铂铑合金（铑含量30%） 铂铑合金（铑含量6% 0-1400 K 镍铬 镍硅 -200-+1000 T 纯铜 铜镍 -200-+300 J 铁 铜镍 -200-+600 N 镍铬硅 镍硅 -200-+1200 E 镍铬

10、 铜镍 -200-+700 五、热电偶的分类 LOGO 五、热电偶的分类 （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

11、，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，灵敏度低，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。 LOGO 五、热电偶的分类 （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

12、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

13、非常敏感，贵金属材料昂贵，因而一次性投资 较大。 LOGO 五、热电偶的分类 （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（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，使用寿命长，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

14、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050范围内热电势小于3V。 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。 LOGO 五、热电偶的分类 （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-2001300。 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

15、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。 LOGO 五、热电偶的分类 （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.

16、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。 LOGO 五、热电偶的分类 （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K

17、P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- 200900。 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。 LOGO 五、热电偶的分类 （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

18、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-2001200，但通常使用的温度范围为0750。 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。 LOGO 五、热电偶的分类 （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