热电式-热电偶

7.5热电偶热电偶是目前世界上科研和生产中应用最普遍、最广泛的温度测量元件。它将温度信号转换成电势（mV）信号，配以测量毫伏的仪表或变送器可以实现温度的测量或温度信号的转换。具有结构简单、制作方便、测量范围宽、准确度高、性能稳定、复现性好、体积小、响应时间短等各种优点。它既可以用于流体温度测量，也可以用于固体温度测量。既可以测量静态温度，也能测量动态温度。直接输出直流电压信号，便于测量、信号传输、自动记录和控制等。1、热电动势两个不同成份的导体A、B组成一闭合回路，若接点的温度不同，回路将产生一个电动势，称此现象为热电效应。这种现象于1821年首先由塞贝克（Seeback）发现，又称塞贝克效应。2、热电极导体A、B称为热电极3、热端及冷端测温时置于被测温度场中的结点1，称为测量端(工作端或热端)

处在某一恒定温度的结点2，称为参考端(自由端或冷端)。一、热电动势效应4、热电偶由两种导体的组合并将温度转换成热电势的传感器称为热电偶。

二、热电动势产生原因1、接触电势在连接点处，由于金属材料不同，造成电子扩散而形成，它取决于金属性质和接点温度，而与金属的形状及尺寸无关。也称玻尔电动势。

该电场的方向与扩散进行的方向相反，它将引起反方向的电子转移，阻碍扩散作用的继续进行。当扩散作用与阻碍扩散作用相等时，便处于一种动态平衡状态。在这种状态下，A与B两导体的接触处就产生了电位差，即为接触电动势。设A的自由电子密度大于B的自由电子密度，则导体A向导体B扩散电子。导体A失去电子带正电荷，导体B得到电子带负电荷，于是，在A、B两导体的接触界面上便形成一个由A到

B的电场。若温度为T，有接触电动势公式：eAB(T)—导体A、B结点在温度T时形成的接触电动势；e—单位电荷，e=1.6×10-19C；k——波尔兹曼常数，k=1.38×10-23J/K；NA、NB

——导体A、B在温度为T时的电子密度。

接触电动势的大小与导体的材料、接点的温度有关，与导体的直径、长度及几何形状无关。ABT0T接触电势由于热电偶两结点的接触电势eAB(T)与eAB(T0)方向相反，所以回路的总接触电势为：

当两结点的温度相同，即T=T0，回路中总电势将为零。

2、温差电势

若金属两端温度不同，将产生一个由热端指向冷端的静电场，而形成温差电动势，它取决于导体的材料及两端的温差，也称汤姆森电动势。

若将某导体两端分别置于不同的温度场T、T0中（T＞T0）。在导体内部，热端的自由电子具有较大的动能，向冷端移动，从而使热端失去电子带正电荷，冷端得到电子带负电荷。这样，导体两端便产生了一个由热端指向冷端的静电场。该电场阻止电子从热端继续跑到冷端并使电子反方向移动，最后也达到了动态平衡状态。这样，导体两端便产生了电位差，即为温差电动势。AeA(T,To)ToTeA(T，T0)――导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势；

σA汤姆逊系数，表示导体两端的温差为1℃时所产生的温差电动势。如铜在0℃时，σA=2μV/℃。ABT0T温差电势T>T0

温差电动势取决于导体的材料及两端的温度。对于两种金属A、B组成的热电偶回路，汤姆逊电势等于它的代数和，即：可见：①如果热电偶两电极材料相同，则虽两端温度不同(T≠T0)。但总输出电势仍为零。因此必须由两种不同的材料才能构成热电偶。②如果热电偶两结点温度相同，则回路中的总电势必等于零

abABT0T总热电势T>T03、热电偶回路的总电动势在热电偶回路中起主要作用的是接触电动势，温差电动势只占极小部分，可以忽略不计。即有：在工程应用中，常用实验的方法得出温度与热电势的关系并做成分度表，以供备查。S型(铂铑10-铂)热电偶分度表三、热电偶基本定律

1、中间导体定律在热电偶中接入第三种导体，只要其与热电偶的两个接点温度相同，则总热电动势不变。ET0T0TET0T1T1T

此定律具有特别重要的实用意义，因为用热电偶测温时必须接入仪表(第三种材料)，根据此定律，只要仪表两接入点的温度保持一致(T0

)，仪表的接入就不会影响热电势。而且两个热电极结点的焊接方法也可以是任意的。也可以将热电偶的两端不焊接而直接插入液态金属中或直接焊在金属表面进行温度测量。

EABC(T,T0)=eAB(T)+eBC(T0)+eCA(T0)（1）当T=T0

时，有

EABC(T0)=eAB(T0)+eBC(T0)+eCA(T0)=0

由此得eAB(T0)＝－eBC(T0)－eCA(T0)或写成eBA

(T0)＝eBC(T0)＋eCA(T0)

代入（1）式ＥＡＢＣ(T,T0)=eAB(T)－eAB(T0)=eAB(T,T0)2、标准电极定律（参考电极定律）若两种导体分别与第三种导体组成的势电偶产生的势电势已知，则此两种导体组成的势电偶的热电势就已知。且

标准电极定律是一个极为实用的定律。纯金属的种类很多，而合金类型更多。若要得出这些金属之间组合而成热电偶的热电动势，其工作量是极大的。由于铂的物理、化学性质稳定，熔点高，易提纯，所以，我们通常选用高纯铂丝作为标准电极，只要测得各种金属与纯铂组成的热电偶的热电动势，则各种金属之间相互组合而成的热电偶的热电动势即可计算。例如：热端为100，冷端为0时，镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为2.95mV，而考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为-4.0mV，则镍铬和考铜组合而成的热电偶所产生的热电动势应为：2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV3、中间温度定律热电偶在两接点温度T，T0时的热电动势等于该热电偶在接点温度为T，Tn和Tn，T0时的相应热电动势的代数和。中间温度定律可表示为：

在实际热电偶测温回路中,利用热电偶这一性质,可对冷端温度不为0℃的热电势进行修正。ABT1T2T2A’B’T0T0热电偶补偿导线接线图E对于冷端温度T0不是零度时，仍可以采用热电偶分度表求得被测温度。如当Tn=0℃时，则：

EAB（T1,T0）=EAB（T1,0）+EAB（0,T3）=EAB（T1,0）－EAB（T3,0）中间温度定律也为补偿导线的使用提供了理论依据。它表明：若热电偶的热电极被导体延长，只要接入的导体组成热电偶的热电特性与被延长的热电偶的热电特性相同，且它们之间连接的两点温度相同，则总回路的热电动势与连接点温度无关，只与延长以后的热电偶两端的温度有关。当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A、B同样热电特性的材料A′、B′即补偿导线，当EAA΄(T2)=EBB΄(T2)，则回路总电动势为：EAB=EAB(T1)–EAB(T0)

四、热电偶材料及常用热电偶

1、结构1）热电极：热电极有正负之分，热电极材料的要求：①配制成的热电偶应具有较大的热电势，并希望热电势与温度之间成线性关系或近似线性关系。②能在较宽的温度范围内使用．并且在长期工作后物理化学性能与热电性能都比较稳定。③电导率要求高，电阻温度系数要小。④易于复制，工艺简单，价格便宜。工业热电偶结构示意图1－接线盒2－保护套管3―绝缘套管4―热电偶丝12342）绝缘材料用于热电极之间及热电极与保护套管之间进行绝缘保护的零件。3）保护套管用来保护热电偶感温元件免受被测介质化学腐蚀和机械损伤的装置。4）接线盒用来固定接线座和作为连接补偿导线2、常用热电偶国际电工委员会IEC在1975年向世界各国推荐七种标准型热电偶。我国生产的符合其标准的热电偶有六种：

贵金属1）S型（铂铑10－铂）2）B型（铂铑30－铂铑6）

普通金属1）T型（铜-康铜）2）K型（镍铬-镍铝或镍硅）3）E型（镍铬-康铜）

4）J型（铁-康铜）非标准热电偶及应用五、热电偶测温线路1、单点测温线路热电偶与仪表连接。流过仪表的电流不仅与势电势大小有关，而且与测温回路的总电阻有关，因此要求回路总电阻必须为恒定值，即：

这种线路常用于测温精度要求不高的场合，结构简单，价格便宜。Rr—热电偶电阻Rc—连接导线电阻RG—指示仪表内阻Rr＋Rc＋RG＝常数a图中的热电偶冷端被延伸到仪表内，b图中热电偶冷端在仪表外面，RD为连接冷端与仪表的导线电阻。2、测量温差线路两支型号相同的热电偶配用相同的补偿导线，并反串连接，使两热电势相减，从而测出T1和T2的温度差。为了减少测量误差，要尽可能选用热电特性一致的热电偶，同时要保证两热电偶的冷端温度相同。3、测量平均温度线路（并联线路）n支同型号热电偶的正极和负极分别连接在一起。如果n支热电偶的电阻均相等，则并联测量线路的总热电动势等于n支热电偶热电动势的平均值，即：热电偶并联线路中，当其中一支热电偶断路时，不会中断整个测温系统的工作

4、测量几点温度之和线路（串联线路）将n支同型号热电偶依次按正负极相连接的线路称串联测量线路。串联测量线路的总热电动势等于n支热电偶热电动势之和，即串联线路的主要优点是热电动势大，仪表的灵敏度大为增加。缺点是只要有一支热电偶断路，整个测量系统便无法工作。六、热电偶的冷端补偿从热电效应的原理可知，热电偶产生的热电动势与两端温度有关。只有将冷端的温度恒定，热电动势才是热端温度的单值函数。由于热电偶分度表是以冷端温度为0时作出的，因此在使用时要正确反映热端温度（被测温度），最好设法使冷端温度恒为0。但在实际应用中，热电偶的冷端通常靠近被测对象，且受到周围环境温度的影响，其温度不是恒定不变的。为此，必须采取一些相应的措施进行补偿或修正。1、冰水保温方式（即0℃怛温法）此法用于实验室。在实验室及精密测量中，通常把冷端放入0℃恒温器或装满冰水混合物的容器中，以便冷端温度保持0℃。这是一种理想的补偿方法，但工业中使用极为不便。2、热电势补正法若冷端实际温度Tn，利用中间温度定律求得补正值。

例用镍铬－镍硅热电偶测炉温时，其冷端温度t0＝30℃，在直流电位差计上测得的电动势EAB(t,30)=38.500mV，求炉温为多少?解：①查镍铬一镍硅热电偶K分度表得：②根据中间温度定律得：③查镍铬一镍硅热电偶K分度表得：t＝960℃3、调整仪表起始点法当热电偶通过补偿导线连接显示仪表时，如果热电偶冷端温度已知且恒定时，可预先将有零位调整器的显示仪表的指针从刻度的初始值调至已知的冷端温度值上，这时显示仪表的示值即为被测量的实际温度值。4、冷端延长线法热电偶由于受到材料价格的限制不能做得很长，为使其冷端不受测温对象的温度影响，必须使冷端远离温度对象，采用补偿导线就可以做到这一点。补偿导线实际上是一对材料化学成分不同的导线，在0～150℃温度范围内与配接的热电偶有一致的热电特性，但价格相对要便宜。若我们利用补偿导线，将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所(如仪表室)，其实质是相当于将热电极延长。根据中间温度定律，只要热电偶和补偿导线的二个接点温度一致，是不会影响热电动势输出的。例如用镍铬－镍硅热电偶测量炉温。热端温度为800℃

，冷端温度为50℃

。为了进行炉温的调节及显示，须将热电偶产生的热电势送到仪表室，仪表室的环境温度恒为20℃

。首先由分度表查出在冷端温度为0℃

，热端温度为800℃时的热电动势为E(800，0)＝33.277mV；热端温度为50℃时的热电动势为E(50，0)＝2.022mV；热端温度为20℃时的热电动势为E(20，0)=0.798mV。如果热电偶与仪表之间直接用铜导线连接，根据中间导体定律，输入仪表的热电动势为：

E(800，50)=E(800，0)－E(50，0)=(33.277－2.022)mV

=31.255mV

(相当于751℃)

如果热电偶与仪表之间用补偿导线连接，相当于将热电偶延伸到仪表室，输入仪表的热电动势为：

E(800，20)=E(800，0)－E(20，0)=(33.277－0.798)mV

=32.479mV

(相当于781℃)5、电桥补偿法（自动补偿方式）

计算修正法（热电势补正法）虽然很精确，但不适合