電子功能材料與元器件：3-3 熱電偶

1、LOGO 3-3 3-3 熱電偶熱電偶 LOGO 熱電偶的定義及特點 熱電偶是一種感溫元件，是一次儀表。它直 接測量溫度，并把溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號, 通過電氣儀表（二次儀表）轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)的溫 度。 熱電偶的特點： 裝配簡單，更換方便 壓簧式感溫元件，抗震性能好 測量范圍大 機械強度高，耐壓性能好 耐高溫可達2400度 LOGO 主要內(nèi)容 一、熱電效應(yīng) 二、接觸電勢 三、單一導(dǎo)體的溫差電勢 四、熱電偶的總電勢 五、熱電偶的分類 LOGO 一、熱電效應(yīng) 由由A A、B B兩種不同的導(dǎo)體兩端相互緊密連接在一起，兩種不同的導(dǎo)體兩端相互緊密連接在一起， 組成一個閉合回路。當兩接觸點處于不同溫度時

2、，回組成一個閉合回路。當兩接觸點處于不同溫度時，回 路中可產(chǎn)生電動勢形成電流路中可產(chǎn)生電動勢形成電流-熱電效應(yīng)。熱電效應(yīng)。 熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢是兩種不同的導(dǎo)體的接觸電熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢是兩種不同的導(dǎo)體的接觸電 勢（玻爾貼電勢）和單一導(dǎo)體的溫差電勢（湯姆遜效勢（玻爾貼電勢）和單一導(dǎo)體的溫差電勢（湯姆遜效 應(yīng)）應(yīng)） LOGO 二、接觸電勢 不同導(dǎo)體材料中有不同濃度的電子，當兩種 導(dǎo)體AB連接時，在接觸處會產(chǎn)生電子擴散，設(shè) 導(dǎo)體A比B中電子濃度大，那么單位時間內(nèi)由A到 B 的電子數(shù)比B到A的電子數(shù)多，此時端正電， 端負電，從而產(chǎn)生電勢差接觸電勢。 A B A B LOGO 二、接觸電勢 兩導(dǎo)體兩

3、端接觸電勢用符號eAB（T）和eAB（T0）表示，其數(shù) 學(xué)表達式為： ( )ln A AB B nkT eT en 0 0 ()ln A AB B kTn eT en （3-32） （3-33） 式中：K為波爾茲曼常數(shù)；T 、T0為兩結(jié)點處的絕對溫度； nA、nB為材料A、B中的自由電子濃度；e為電子電荷量。 因eAB（T）和eAB（T0）方向相反，故回路中的總接觸電勢為： 0 00 ( )()lnlnln AAA ABAB BBB kTnnnkTk eTeTTT enenen （） （3-34） LOGO 三、單一導(dǎo)體的溫差電勢 一根均勻的導(dǎo)體，當兩一根均勻的導(dǎo)體，當兩 端溫度不同時，由于高

4、溫端端溫度不同時，由于高溫端 電子能量比低溫端高，因而電子能量比低溫端高，因而 電子可由高溫端向低溫端擴電子可由高溫端向低溫端擴 散散，使，使高溫端帶正電，低溫高溫端帶正電，低溫 端帶負電，從而在導(dǎo)體的兩端帶負電，從而在導(dǎo)體的兩 端形成電勢差溫差電勢。端形成電勢差溫差電勢。 該電勢將阻止電子從高溫端該電勢將阻止電子從高溫端 向低溫端的進一步擴散而達向低溫端的進一步擴散而達 到平衡，溫差電勢比接觸電到平衡，溫差電勢比接觸電 勢小得多。勢小得多。 LOGO 溫差電勢的大小與導(dǎo)體材料和導(dǎo)體兩端溫度差有溫差電勢的大小與導(dǎo)體材料和導(dǎo)體兩端溫度差有 關(guān)，如導(dǎo)體兩端溫度分別為，關(guān)，如導(dǎo)體兩端溫度分別為， ，

5、單一導(dǎo)體 ，單一導(dǎo)體 各自的電勢差分別為：各自的電勢差分別為： 三、單一導(dǎo)體的溫差電勢 0 T A0A T eTTdT （ ， ）= 0 T B0B T eTTdT （ ， ）= （3-35） （3-36） ，湯姆遜系數(shù)，表示單一導(dǎo)體兩端溫度相差，湯姆遜系數(shù)，表示單一導(dǎo)體兩端溫度相差11時所產(chǎn)生的時所產(chǎn)生的 溫差溫差電勢。電勢。 由導(dǎo)體由導(dǎo)體A,BA,B構(gòu)成的熱電偶回路總的溫差電勢為：構(gòu)成的熱電偶回路總的溫差電勢為： 0 T A0B0AB T eTTeTT-dT （ ， ）- （ ， ）= （） （3-37） LOGO 四、熱電偶的總電勢 熱電偶回路由兩個接觸電勢和兩個溫差電勢組成，熱電偶回路

6、由兩個接觸電勢和兩個溫差電勢組成， 其總熱電勢為：其總熱電勢為： 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 （ ， ）=（）（） （ ）-（ ） 對（3-38）式做變換如下： （3-39） LOGO 如構(gòu)成熱電偶的兩種導(dǎo)體材料相同，即使兩端點溫如構(gòu)成熱電偶的兩種導(dǎo)體材料相同，即使兩端點溫 度不同，回路內(nèi)總電勢也為零，故熱電偶必須用兩度不同，回路內(nèi)

7、總電勢也為零，故熱電偶必須用兩 種不同材料構(gòu)成。種不同材料構(gòu)成。 若熱電偶兩結(jié)點溫度相同若熱電偶兩結(jié)點溫度相同, ,即使材料不同，回路即使材料不同，回路 中總熱電勢也為零，故熱電偶的兩結(jié)點溫度不能相同中總熱電勢也為零，故熱電偶的兩結(jié)點溫度不能相同。 四、熱電偶的總電勢 當當A,BA,B材料確定后，則總熱電勢是兩端點溫度（材料確定后，則總熱電勢是兩端點溫度（T T，T T0 0）的函數(shù)，）的函數(shù)， 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）溫度一般為室溫或置于冰水中（通常自由端（冷端）溫度一般為室溫或置于冰水中（T T0

8、 0=0=0），此），此 時時 f(Tf(T0 0)=C)=C（常數(shù)）（常數(shù)） 故故 E EAB AB(T,T (T,T0 0)=f(T)-C=)=f(T)-C=（T T） （3-40） （3-41） LOGO 五、熱電偶的分類 常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大 類。標準熱電偶是指國家標準規(guī)定了其熱電勢與溫度 的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標準分度表的熱電偶， 它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標準化熱電偶 在使用范圍或數(shù)量級上均不及標準化熱電偶，一般也 沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。 標準化熱電偶我國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電 阻全部按國際標準生產(chǎn)，并指定

9、S、B、E、K、R、J、T 七種標準化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計型熱電偶。 LOGO 熱電偶的分度號有主要有S、R、B、N、K、E、J、T等幾種。其 中S、R、B屬于貴金屬熱電偶，N、K、E、J、T屬于廉金屬熱電偶。 熱電極材料 使用溫度范圍（）。 正極 負極 使用溫度范圍（） S 鉑銠合金（銠含量10 %） 純鉑 0-1400 R 鉑銠合金（銠含量13 %） 純鉑 0-1400 B 鉑銠合金（銠含量30%） 鉑銠合金（銠含量6% 0-1400 K 鎳鉻 鎳硅 -200-+1000 T 純銅 銅鎳 -200-+300 J 鐵 銅鎳 -200-+600 N 鎳鉻硅 鎳硅 -200-+1200 E 鎳鉻

10、 銅鎳 -200-+700 五、熱電偶的分類 LOGO 五、熱電偶的分類 （S型熱電偶）鉑銠10-鉑熱電偶 鉑銠10-鉑熱電偶（S型熱電偶）為貴金屬熱電偶。偶絲直徑規(guī)定 為0.5mm，允許偏差-0.015mm，其正極（SP）的名義化學(xué)成分為鉑銠合 金，其中含銠為10%，含鉑為90%，負極（SN）為純鉑，故俗稱單鉑銠 熱電偶。該熱電偶長期最高使用溫度為1300，短期最高使用溫度為 1600。 S型熱電偶在熱電偶系列中具有準確度最高，穩(wěn)定性最好，測溫溫 區(qū)寬，使用壽命長等優(yōu)點。它的物理，化學(xué)性能良好，熱電勢穩(wěn)定性 及在高溫下抗氧化性能好，適用于氧化性和惰性氣氛中。由于S型熱電 偶具有優(yōu)良的綜合性能

11、，符合國際使用溫標的S型熱電偶，長期以來曾 作為國際溫標的內(nèi)插儀器，“ITS-90”雖規(guī)定今后不再作為國際溫標 的內(nèi)查儀器，但國際溫度咨詢委員會（CCT）認為S型熱電偶仍可用于 近似實現(xiàn)國際溫標。 S型熱電偶不足之處是熱電勢，熱電勢率較小，靈敏度低，高溫下 機械強度下降，對污染非常敏感，貴金屬材料昂貴，因而一次性投資 較大。 LOGO 五、熱電偶的分類 （R型熱電偶）鉑銠13-鉑熱電偶 鉑銠13-鉑熱電偶（R型熱電偶）為貴金屬熱電偶。偶絲直徑規(guī)定 為0.5mm，允許偏差-0.015mm，其正極（RP）的名義化學(xué)成分為鉑銠合 金，其中含銠為13%，含鉑為87%，負極（RN）為純鉑，長期最高使用

12、溫度為1300，短期最高使用溫度為1600。 R型熱電偶在熱電偶系列中具有準確度最高，穩(wěn)定性最好，測溫溫 區(qū)寬，使用壽命長等優(yōu)點。其物理，化學(xué)性能良好，熱電勢穩(wěn)定性及 在高溫下抗氧化性能好，適用于氧化性和惰性氣氛中。由于R型熱電偶 的綜合性能與S型熱電偶相當，在我國一直難于推廣，除在進口設(shè)備上 的測溫有所應(yīng)用外，國內(nèi)測溫很少采用。1967年至1971年間，英國NPL， 美國NBS和加拿大NRC三大研究機構(gòu)進行了一項合作研究，其結(jié)果表明， R型熱電偶的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性比S型熱電偶均好，我國目前尚未開展這 方面的研究。 R型熱電偶不足之處是熱電勢，熱電勢率較小，靈敏讀低，高溫下 機械強度下降，對污染

13、非常敏感，貴金屬材料昂貴，因而一次性投資 較大。 LOGO 五、熱電偶的分類 （B型熱電偶）鉑銠30-鉑銠6熱電偶 鉑銠30-鉑銠6熱電偶（B型熱電偶）為貴金屬熱電偶。偶絲直徑規(guī) 定為0.5mm，允許偏差-0.015mm，其正極（BP）的名義化學(xué)成分為鉑銠 合金，其中含銠為30%，含鉑為70%，負極（BN）為鉑銠合金，含銠為量 6%，故俗稱雙鉑銠熱電偶。該熱電偶長期最高使用溫度為1600，短期 最高使用溫度為1800。 B型熱電偶在熱電偶系列中具有準確度最高，穩(wěn)定性最好，測溫溫 區(qū)寬，使用壽命長，測溫上限高等優(yōu)點。適用于氧化性和惰性氣氛中， 也可短期用于真空中，但不適用于還原性氣氛或含有金屬或

14、非金屬蒸氣 氣氛中。B型熱電偶一個明顯的優(yōu)點是不需用補償導(dǎo)線進行補償，因為 在050范圍內(nèi)熱電勢小于3V。 B型熱電偶不足之處是熱電勢，熱電勢率較小，靈敏讀低，高溫下 機械強度下降，對污染非常敏感，貴金屬材料昂貴，因而一次性投資較 大。 LOGO 五、熱電偶的分類 （K型熱電偶）鎳鉻-鎳硅熱電偶 鎳鉻-鎳硅熱電偶（K型熱電偶）是目前用量最大的廉金屬 熱電偶，其用量為其他熱電偶的總和。正極（KP）的名義化學(xué) 成分為：Ni：Cr=90：10，負極（KN）的名義化學(xué)成分為：Ni： Si=97：3，其使用溫度為-2001300。 K型熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度高，穩(wěn)定 性和均勻性較好，抗

15、氧化性能強，價格便宜等優(yōu)點，能用于氧 化性惰性氣氛中。廣泛為用戶所采用。 K型熱電偶不能直接在高溫下用于硫，還原性或還原，氧化 交替的氣氛中和真空中，也不推薦用于弱氧化氣氛中。 LOGO 五、熱電偶的分類 （N型熱電偶）鎳鉻硅-鎳硅熱電偶 鎳鉻硅-鎳硅熱電偶（N型熱電偶）為廉金屬熱電偶，是一種 最新國際標準化的熱電偶，是在70年代初由澳大利亞國防部實驗 室研制成功的它克服了K型熱電偶的兩個重要缺點：K型熱電偶在 300-500間由于鎳鉻合金的晶格短程有序而引起的熱電動勢不 穩(wěn)定；在800左右由于鎳鉻合金發(fā)生擇優(yōu)氧化引起的熱電動勢 不穩(wěn)定。正極（NP）的名義化學(xué)成分為： Ni:Cr:Si=84.

16、4:14.2:1.4，負極（NN）的名義化學(xué)成分為： Ni:Si:Mg=95.5:4.4:0.1，其使用溫度為-200-1300。 N型熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度較高，穩(wěn) 定性和均勻性較好，抗氧化性能強，價格便宜，不受短程有序化 影響等優(yōu)點,其綜合性能優(yōu)于K型熱電偶,是一種很有發(fā)展前途的 熱電偶. N型熱電偶不能直接在高溫下用于硫，還原性或還原，氧化交 替的氣氛中和真空中，也不推薦用于弱氧化氣氛中。 LOGO 五、熱電偶的分類 （E型熱電偶）鎳鉻-銅鎳熱電偶 鎳鉻-銅鎳熱電偶（E型熱電偶）又稱鎳鉻-康銅熱電偶，也 是一種廉金屬的熱電偶，正極（EP）為：鎳鉻10合金，化學(xué)成分 與K

17、P相同，負極（EN）為銅鎳合金，名義化學(xué)成分為：55%的銅， 45%的鎳以及少量的錳，鈷，鐵等元素。該熱電偶的使用溫度為- 200900。 E型熱電偶熱電動勢之大，靈敏度之高屬所有熱電偶之最， 宜制成熱電堆，測量微小的溫度變化。對于高濕度氣氛的腐蝕不 甚靈敏，宜用于濕度較高的環(huán)境。E熱電偶還具有穩(wěn)定性好，抗 氧化性能優(yōu)于銅-康銅，鐵-康銅熱電偶，價格便宜等優(yōu)點，能用 于氧化性和惰性氣氛中，廣泛為用戶采用。 E型熱電偶不能直接在高溫下用于硫，還原性氣氛中，熱電 勢均勻性較差。 LOGO 五、熱電偶的分類 （J型熱電偶）鐵-銅鎳熱電偶 鐵-銅鎳熱電偶（J型熱電偶）又稱鐵-康銅熱電偶，也是一 種價格

18、低廉的廉金屬的熱電偶。它的正極（JP）的名義化學(xué)成 分為純鐵，負極（JN）為銅鎳合金，常被含糊地稱之為康銅， 其名義化學(xué)成分為：55%的銅和45%的鎳以及少量卻十分重要的 錳，鈷，鐵等元素，盡管它叫康銅，但不同于鎳鉻-康銅和銅- 康銅的康銅，故不能用EN和TN來替換。鐵-康銅熱電偶的覆蓋測 量溫區(qū)為-2001200，但通常使用的溫度范圍為0750。 J型熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度較高，穩(wěn) 定性和均勻性較好，價格便宜等優(yōu)點,廣為用戶所采用。 J型熱電偶可用于真空，氧化，還原和惰性氣氛中，但正極 鐵在高溫下氧化較快，故使用溫度受到限制，也不能直接無保 護地在高溫下用于硫化氣氛中。 LOGO 五、熱電偶的分類 （T型熱電偶）銅-銅鎳熱電偶 銅-銅鎳熱電偶（T型熱電偶）又稱銅-康銅熱電偶，也是一 種最佳的測量