电子功能与元器件 热电偶

3-3热电偶电子科学与工程学院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。热电偶优点如下：

①测量精度高：热电偶与被测对象直接接触，不受中间介质的影响。

②热响应时间快：热电偶对温度变化反应灵敏。

③测量范围大：热电偶从-40~+1600℃均可连续测温。

④性能可靠，机械强度好。

⑤使用寿命长，安装方便。

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、热电偶的分类一、热电效应

由A、B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，回路中可产生电动势形成电流-热电效应。热电动势包括两部分（1）两种不同的导体的接触电势（玻尔贴电势）（2）单一导体的温差电势（汤姆逊效应）热电偶的结构原理二、接触电势ABAB接触电势：当两种不同导体AB连接时，如果nA>nB，单位时间内由A到B的电子数比B到A的电子数多，A端正电，Ｂ端负电，从而产生电势差－接触电势。二、接触电势

两导体两端接触电势用符号eAB（T）和eAB（T0）表示，其数学表达式为：（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：（3-34）三、单一导体的温差电势温差电势：对于一根均匀的导体由于两端温度不同而产生的电子从高温端到低温端的扩散，从而在两端产生电势差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ＡＢ两端温度分别为Ｔ，Ｔ０，单一导体各自的电势差分别为：三、单一导体的温差电势（3-35）（3-36）σ，汤姆逊系数，表示单一导体两端温度相差1℃时所产生的温差电势。由导体A,B构成的热电偶回路总的温差电势为：（3-37）四、热电偶的总电势热电偶回路总的电势为（1）两个接触电势（T及T0）（2）两个温差电势组成，其总热电势为：（3-38）对（3-38）式做变换如下：（3-39）为了测定温差电动势，需在闭合回路中接入测量仪表，如图3所示，这相当于把第三种金属（如电位差计的电阻丝）串入回路。理论上可以证明，在A、B两种金属之间插入任何一种金属C，只要维持它和A、B的联接点在同一个温度，这个闭合电路中的温差电动势总是和由A、B两种金属组成的温差热电偶中的温差电动势一样。这一性质在实际应用中是很重要的，图3所示为常用的测温线路，即用铜丝C将温差电动势接送电位差计是常见的用法。ABCC电位差计图3１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，故热电偶必须用两种不同材料构成。２若热电偶两结点温度相同,即使ＡＢ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。四、热电偶的总电势当A,B材料确定后，则总热电势是两端点温度（T，T0）的函即：EAB(T,T0)=f(T)-f(T0)通常自由端（冷端）温度一般为室温或置于冰水中（T0=0），此时f(T0)=C（常数）故EAB(T,T0)=f(T)-C=Φ（T）（3-40）（3-41）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。所调用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IEC国际标准生产，并指定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。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属于廉价金属热电偶。下表是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镍铬铜镍-200-+700

五、热电偶的分类五、热电偶的分类（S、R、B型热电偶）铂铑10-铂热电偶特点（1）使用温度范围宽：0-1400

（2）准确度最高，稳定性最好，测温温区宽，使用寿命长等优点。（3）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；（4）灵敏度低，高温下机械强度下降；（5）污染非常敏感；（6）价格昂贵；五、热电偶的分类（K型热电偶）镍铬-镍硅热电偶

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，使用温度：-200~1300℃。

K型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳