热电偶的测温原理

1、热电偶的测温原理 摘要：通过对金属的接触电动势和温差电动势来进行简化的数学推导，从根源来阐述热电偶的工作原理，并通过实验来简化。从而系统地解释了热电偶的输入量（温度）和输出量（电流，电压）的线性关系。以及热电偶的选型要求，和材料性能。关键词：热电效应、电动势、选型、材料；0 引言温度测量是通过某些测温物质的各种物理性能变化，例如固体的 尺寸,密度,硬度粘度,电导率,热辐射等的变化来判断被测物体的温度。在许多测量方法中，热电偶测温的应用为最广泛之一。 主要优点： 接触式测温，准确度较高；结构简单，体积小，安装方便；测量范围广：-150ºC-1600ºC，采用特殊材料时可达28

2、00ºC。热容量小，响应速度快，热电极不受形状限制 1 热电偶传感器的工作原理1.1 热电效应 如图1所示，由两种导体A,B 构成一个闭合回路，使两端结点处于不同温度下。回路中便产生热电势和电流。这种物理现象称为热电效应。 图 1 定义：导体A，B为热电极； 测温结点处在T温度场下为测量端，或工作端，热端。 结点处在To温度场下为参考端，或自由端，冷端。 1.2 热电偶中的电势 1.2.1接触电势（伯尔帖电势） 互相接触的两种金属导体内部因自由电子密度不同，当接触时两种导体在接触界面上会发生电子扩散。电子扩散的速率与自由电子的密度及金属所处的温度呈正比。假定,金属A的自由电子的密度为

3、NA,金属B的自由电子的密度为NB. 自由电子的密度大的向自由电子的密度小的方向扩散。 失去电子一方带正电，得到电子一方带负电。 这种扩散运动逐渐在界面上建立电势，类似于势垒，它又阻碍自由电子进一步扩散，产生了一个动态平衡。 图 2 接触电势的关系式： 图 3K:波尔兹曼常数 J/K T:接触界面处的温度 e:电子电荷量 C NA,NB分别为金属A,B的自由电子密度. 对于To结点有: 回路总接触电势: 当T=To,或A，B导体同质材料时，则回路总接触电势为零。1.2.2 温差效应.(汤姆逊电势) 在一根匀质的金属导体,若两端的温度不同,则在导体的内部也会产生电势,称温差效应。温差电势的形成是

4、由于温度高的一端自由电子的动能大于温度低的一端自由电子的动能。高温端自由电子必然向低温端方向迁移。同样地,高温端失去自由电子带正电，低温端得到电子带负电,内部形成电势。这种迁移也回达到动态平衡也会达到动态平衡。 图 4温差电势的表达式: 温差电势（汤姆逊电势） （如图5） 图 5 汤姆逊系数，它表示温度为1时所产生的电动势值，它与材料的性质有关。 同样B端回路总温差电势: （如图6） 图 6显然,当T=To,或A,B导体同质材料时，则回路总温差电势为零。热电偶的总电势: （图7） 图 7实验和理论均以证明：由于温差电势比接触电势小热电偶回路的热电动势主要是由接触电势引起的。 所以回路总电势为：

5、如上式所示，热电偶回路总电动势与两点接点温度与两种导体的电子密度有关。当热电偶导体材质确定之后，把冷端温度固定起来，那么热电偶回路总电动势仅同热端温度构成单值函数了。 因此就可以用测量到的热电势E来得到对应的温度值T，热电偶热电势的大小，只是与导体A和B的材料有关,与冷热端的温度有关，与导体的粗细长短及两导体接触面积无关 。2 热电偶的基本定律 2.1 均匀回路定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。热电偶必须采用两种不同材料的导体组成，热电偶的热电势仅与两接点的温度有关，而与沿热电极的温度分布无关。如果热电偶的热电极是非匀质导体，在不均匀

6、温度场中测温时将造成测量误差。所以热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要技术指标之一。2.2 中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。（图 8） 图 8利用热电偶来实际测温时，连接导线、显示仪表和接插件等均可看成是中间导体，只要保证中间导体两端的温度相同，则对热电偶的热电动势没有影响。2.3 中间温度定律 当热电偶两个接点的温度分别为T和T0时，所产生的热电势等于该热电偶两接点温度为T、Tn和Tn、T0时所产生的热电势之代数和，即: 图 92.4 标准电极定律已知两个导体A、B分别与另一导体C组成的热电偶的热电势已

7、知 ，则在相同接点温度(T,T0)下，由A、B电极组成的热电偶的热电势 EAB(T,T0)为: 图 10由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极。 3 热电偶的选型与材料 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。 31热电偶的选型选择热电偶要根据使用温度范围、所需精度、使用气氛、测定对象的性能、响应时间和经济效益等综合考虑。1 测量精度和温度测量范围的选

8、择使用温度在13001800，要求精度又比较高时，一般选用B型热电偶；要求精度不高，气氛又允许可用钨铼热电偶，高于1800一般选用钨铼热电偶；使用温度在10001300要求精度又比较高可用S型热电偶和N型热电偶；在1000以下一般用K型热电偶和N型热电偶，低于400一般用E型热电偶；250下以及负温测量一般用T型电偶，在低温时T型热电偶稳定而且精度高。2 使用气氛的选择S型、B型、K型热电偶适合于强的氧化和弱的还原气氛中使用，J型和T型热电偶适合于弱氧化和还原气氛，若使用气密性比较好的保护管，对气氛的要求就不太严格。3 耐久性及热响应性的选择线径大的热电偶耐久性好，但响应较慢一些，对于热容量大

9、的热电偶，响应就慢，测量梯度大的温度时，在温度控制的情况下，控温就差。要求响应时间快又要求有一定的耐久性，选择铠装偶比较合适。4 测量对象的性质和状态对热电偶的选择运动物体、振动物体、高压容器的测温要求机械强度高，有化学污染的气氛要求有保护管，有电气干扰的情况下要求绝缘比较高。5 注意事项热电偶公称压力：一般是指在工作温度下保护管所能承受的静态外压而破裂。 热电偶最小插入深度：应不小于其保护套管外径的810倍（特列产品例外） 绝缘电阻：当周围空气温度为1535，相对湿度<80%时绝缘电阻5兆欧（电压100V）。具有防溅式接线盒的热电偶，当相对温度为93± 3 时，绝缘电阻0.5

10、兆欧（电压100V） 高温下的绝缘电阻：热电偶在高温下，其热电极（包括双支式）与保护管以及双支热电极之间的绝缘电阻（按每米计）应大于下表规定的值。 6 选型流程：型号-分度号防爆等级精度等级安装固定形式保护管材质长度或插入深度一般热电偶型号为：WR-下面是每个字母代表的意思：W-温度仪表 R-热电偶-热电偶材料（R-铂铑30-铂铑6、P-铂铑10-铂、N-镍铬-镍硅、E-镍铬-铜镍（镍铬-康铜）、C-铜-铜镍、F-铁-铜镍、M-镍铬硅-镍硅-支数（空位为单支，2为双支式）-安装固定形式（1、无固定装置式。2、固定螺纹式。3、活动法兰式。4、固定法兰式。、5、活动法兰角尺式。6、固定螺纹锥形保护

11、管式-接线装置（0、铠装保护帽带引线。1、接线板。2、防溅接线盒。3、防水接线盒。4、防爆接线盒。5、防喷接线盒。6、圆接插件。7、扁接插件 8、显示防爆接线盒。9、铠装手柄带线及插头。R、保护帽带金属软管。Z、简易接线柱。F、防腐接线盒-直径序号（0、16mm保护管。1、25mm保护管（双层套管）或为12mm不锈钢管。2、16mm高铝质管（单层套管）。3、20mm高铝质保护管。4、16mm刚玉管。5、25mm刚玉管（双层套管）3.2 热电偶的材料适于制作热电偶的材料有300多种，其中广泛应用的有4050种。常用8种标准化热电偶为： 表 一 Ø 铂铑10铂热电偶：性能稳定，准确度高，可用于基准和标准热电偶。热电势较低，价格昂贵，不能用于金属蒸汽和还原性气体中；Ø  铂铑30铂铑6热电偶：较铂铑10铂热电偶更具较高的稳定性和机械强度，最高测量温度可达1800，室 温下热电势较低，可作标准热电偶，一般情况下，不需要进行补偿和修正处理。由于其热电势较低，需要采用高灵敏度和高精度的仪表；Ø    镍铬镍硅或镍铬镍铝热电偶：热电势较高，热电特性具有较好线性，良好的化学稳定性，具有较强的抗氧化性和抗腐蚀性。稳定性稍差，测量精度不高。Ø