熱電式-熱電偶

7.5熱電偶熱電偶是目前世界上科研和生產(chǎn)中應(yīng)用最普遍、最廣泛的溫度測(cè)量元件。它將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電勢(shì)（mV）信號(hào)，配以測(cè)量毫伏的儀表或變送器可以實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量或溫度信號(hào)的轉(zhuǎn)換。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便、測(cè)量范圍寬、準(zhǔn)確度高、性能穩(wěn)定、復(fù)現(xiàn)性好、體積小、響應(yīng)時(shí)間短等各種優(yōu)點(diǎn)。它既可以用于流體溫度測(cè)量，也可以用于固體溫度測(cè)量。既可以測(cè)量靜態(tài)溫度，也能測(cè)量動(dòng)態(tài)溫度。直接輸出直流電壓信號(hào)，便于測(cè)量、信號(hào)傳輸、自動(dòng)記錄和控制等。1、熱電動(dòng)勢(shì)兩個(gè)不同成份的導(dǎo)體A、B組成一閉合回路，若接點(diǎn)的溫度不同，回路將產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)，稱此現(xiàn)象為熱電效應(yīng)。這種現(xiàn)象于1821年首先由塞貝克（Seeback）發(fā)現(xiàn)，又稱塞貝克效應(yīng)。2、熱電極導(dǎo)體A、B稱為熱電極3、熱端及冷端測(cè)溫時(shí)置于被測(cè)溫度場(chǎng)中的結(jié)點(diǎn)1，稱為測(cè)量端(工作端或熱端)

處在某一恒定溫度的結(jié)點(diǎn)2，稱為參考端(自由端或冷端)。一、熱電動(dòng)勢(shì)效應(yīng)4、熱電偶由兩種導(dǎo)體的組合并將溫度轉(zhuǎn)換成熱電勢(shì)的傳感器稱為熱電偶。

二、熱電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生原因1、接觸電勢(shì)在連接點(diǎn)處，由于金屬材料不同，造成電子擴(kuò)散而形成，它取決于金屬性質(zhì)和接點(diǎn)溫度，而與金屬的形狀及尺寸無關(guān)。也稱玻爾電動(dòng)勢(shì)。

該電場(chǎng)的方向與擴(kuò)散進(jìn)行的方向相反，它將引起反方向的電子轉(zhuǎn)移，阻礙擴(kuò)散作用的繼續(xù)進(jìn)行。當(dāng)擴(kuò)散作用與阻礙擴(kuò)散作用相等時(shí)，便處于一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，A與B兩導(dǎo)體的接觸處就產(chǎn)生了電位差，即為接觸電動(dòng)勢(shì)。設(shè)A的自由電子密度大于B的自由電子密度，則導(dǎo)體A向?qū)wB擴(kuò)散電子。導(dǎo)體A失去電子帶正電荷，導(dǎo)體B得到電子帶負(fù)電荷，于是，在A、B兩導(dǎo)體的接觸界面上便形成一個(gè)由A到

B的電場(chǎng)。若溫度為T，有接觸電動(dòng)勢(shì)公式：eAB(T)—導(dǎo)體A、B結(jié)點(diǎn)在溫度T時(shí)形成的接觸電動(dòng)勢(shì)；e—單位電荷，e=1.6×10-19C；k——波爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J/K；NA、NB

——導(dǎo)體A、B在溫度為T時(shí)的電子密度。

接觸電動(dòng)勢(shì)的大小與導(dǎo)體的材料、接點(diǎn)的溫度有關(guān)，與導(dǎo)體的直徑、長(zhǎng)度及幾何形狀無關(guān)。ABT0T接觸電勢(shì)由于熱電偶兩結(jié)點(diǎn)的接觸電勢(shì)eAB(T)與eAB(T0)方向相反，所以回路的總接觸電勢(shì)為：

當(dāng)兩結(jié)點(diǎn)的溫度相同，即T=T0，回路中總電勢(shì)將為零。

2、溫差電勢(shì)

若金屬兩端溫度不同，將產(chǎn)生一個(gè)由熱端指向冷端的靜電場(chǎng)，而形成溫差電動(dòng)勢(shì)，它取決于導(dǎo)體的材料及兩端的溫差，也稱湯姆森電動(dòng)勢(shì)。

若將某導(dǎo)體兩端分別置于不同的溫度場(chǎng)T、T0中（T＞T0）。在導(dǎo)體內(nèi)部，熱端的自由電子具有較大的動(dòng)能，向冷端移動(dòng)，從而使熱端失去電子帶正電荷，冷端得到電子帶負(fù)電荷。這樣，導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生了一個(gè)由熱端指向冷端的靜電場(chǎng)。該電場(chǎng)阻止電子從熱端繼續(xù)跑到冷端并使電子反方向移動(dòng)，最后也達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。這樣，導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生了電位差，即為溫差電動(dòng)勢(shì)。AeA(T,To)ToTeA(T，T0)――導(dǎo)體A兩端溫度為T、T0時(shí)形成的溫差電動(dòng)勢(shì)；

σA湯姆遜系數(shù)，表示導(dǎo)體兩端的溫差為1℃時(shí)所產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)。如銅在0℃時(shí)，σA=2μV/℃。ABT0T溫差電勢(shì)T>T0

溫差電動(dòng)勢(shì)取決于導(dǎo)體的材料及兩端的溫度。對(duì)于兩種金屬A、B組成的熱電偶回路，湯姆遜電勢(shì)等于它的代數(shù)和，即：可見：①如果熱電偶兩電極材料相同，則雖兩端溫度不同(T≠T0)。但總輸出電勢(shì)仍為零。因此必須由兩種不同的材料才能構(gòu)成熱電偶。②如果熱電偶兩結(jié)點(diǎn)溫度相同，則回路中的總電勢(shì)必等于零

abABT0T總熱電勢(shì)T>T03、熱電偶回路的總電動(dòng)勢(shì)在熱電偶回路中起主要作用的是接觸電動(dòng)勢(shì)，溫差電動(dòng)勢(shì)只占極小部分，可以忽略不計(jì)。即有：在工程應(yīng)用中，常用實(shí)驗(yàn)的方法得出溫度與熱電勢(shì)的關(guān)系并做成分度表，以供備查。S型(鉑銠10-鉑)熱電偶分度表三、熱電偶基本定律

1、中間導(dǎo)體定律在熱電偶中接入第三種導(dǎo)體，只要其與熱電偶的兩個(gè)接點(diǎn)溫度相同，則總熱電動(dòng)勢(shì)不變。ET0T0TET0T1T1T

此定律具有特別重要的實(shí)用意義，因?yàn)橛脽犭娕紲y(cè)溫時(shí)必須接入儀表(第三種材料)，根據(jù)此定律，只要儀表兩接入點(diǎn)的溫度保持一致(T0

)，儀表的接入就不會(huì)影響熱電勢(shì)。而且兩個(gè)熱電極結(jié)點(diǎn)的焊接方法也可以是任意的。也可以將熱電偶的兩端不焊接而直接插入液態(tài)金屬中或直接焊在金屬表面進(jìn)行溫度測(cè)量。

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

時(shí)，有

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

由此得eAB(T0)＝－eBC(T0)－eCA(T0)或?qū)懗蒭BA

(T0)＝eBC(T0)＋eCA(T0)

代入（1）式ＥＡＢＣ(T,T0)=eAB(T)－eAB(T0)=eAB(T,T0)2、標(biāo)準(zhǔn)電極定律（參考電極定律）若兩種導(dǎo)體分別與第三種導(dǎo)體組成的勢(shì)電偶產(chǎn)生的勢(shì)電勢(shì)已知，則此兩種導(dǎo)體組成的勢(shì)電偶的熱電勢(shì)就已知。且

標(biāo)準(zhǔn)電極定律是一個(gè)極為實(shí)用的定律。純金屬的種類很多，而合金類型更多。若要得出這些金屬之間組合而成熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)，其工作量是極大的。由于鉑的物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，熔點(diǎn)高，易提純，所以，我們通常選用高純鉑絲作為標(biāo)準(zhǔn)電極，只要測(cè)得各種金屬與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)，則各種金屬之間相互組合而成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)即可計(jì)算。例如：熱端為100，冷端為0時(shí)，鎳鉻合金與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)為2.95mV，而考銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)為-4.0mV，則鎳鉻和考銅組合而成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)應(yīng)為：2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV3、中間溫度定律熱電偶在兩接點(diǎn)溫度T，T0時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度為T，Tn和Tn，T0時(shí)的相應(yīng)熱電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和。中間溫度定律可表示為：

在實(shí)際熱電偶測(cè)溫回路中,利用熱電偶這一性質(zhì),可對(duì)冷端溫度不為0℃的熱電勢(shì)進(jìn)行修正。ABT1T2T2A’B’T0T0熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線接線圖E對(duì)于冷端溫度T0不是零度時(shí)，仍可以采用熱電偶分度表求得被測(cè)溫度。如當(dāng)Tn=0℃時(shí)，則：

EAB（T1,T0）=EAB（T1,0）+EAB（0,T3）=EAB（T1,0）－EAB（T3,0）中間溫度定律也為補(bǔ)償導(dǎo)線的使用提供了理論依據(jù)。它表明：若熱電偶的熱電極被導(dǎo)體延長(zhǎng)，只要接入的導(dǎo)體組成熱電偶的熱電特性與被延長(zhǎng)的熱電偶的熱電特性相同，且它們之間連接的兩點(diǎn)溫度相同，則總回路的熱電動(dòng)勢(shì)與連接點(diǎn)溫度無關(guān)，只與延長(zhǎng)以后的熱電偶兩端的溫度有關(guān)。當(dāng)在原來熱電偶回路中分別引入與導(dǎo)體材料A、B同樣熱電特性的材料A′、B′即補(bǔ)償導(dǎo)線，當(dāng)EAA?(T2)=EBB?(T2)，則回路總電動(dòng)勢(shì)為：EAB=EAB(T1)–EAB(T0)

四、熱電偶材料及常用熱電偶

1、結(jié)構(gòu)1）熱電極：熱電極有正負(fù)之分，熱電極材料的要求：①配制成的熱電偶應(yīng)具有較大的熱電勢(shì)，并希望熱電勢(shì)與溫度之間成線性關(guān)系或近似線性關(guān)系。②能在較寬的溫度范圍內(nèi)使用．并且在長(zhǎng)期工作后物理化學(xué)性能與熱電性能都比較穩(wěn)定。③電導(dǎo)率要求高，電阻溫度系數(shù)要小。④易于復(fù)制，工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。工業(yè)熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖1－接線盒2－保護(hù)套管3―絕緣套管4―熱電偶絲12342）絕緣材料用于熱電極之間及熱電極與保護(hù)套管之間進(jìn)行絕緣保護(hù)的零件。3）保護(hù)套管用來保護(hù)熱電偶感溫元件免受被測(cè)介質(zhì)化學(xué)腐蝕和機(jī)械損傷的裝置。4）接線盒用來固定接線座和作為連接補(bǔ)償導(dǎo)線2、常用熱電偶國際電工委員會(huì)IEC在1975年向世界各國推薦七種標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶。我國生產(chǎn)的符合其標(biāo)準(zhǔn)的熱電偶有六種：

貴金屬1）S型（鉑銠10－鉑）2）B型（鉑銠30－鉑銠6）

普通金屬1）T型（銅-康銅）2）K型（鎳鉻-鎳鋁或鎳硅）3）E型（鎳鉻-康銅）

4）J型（鐵-康銅）非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶及應(yīng)用五、熱電偶測(cè)溫線路1、單點(diǎn)測(cè)溫線路熱電偶與儀表連接。流過儀表的電流不僅與勢(shì)電勢(shì)大小有關(guān)，而且與測(cè)溫回路的總電阻有關(guān)，因此要求回路總電阻必須為恒定值，即：

這種線路常用于測(cè)溫精度要求不高的場(chǎng)合，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。Rr—熱電偶電阻Rc—連接導(dǎo)線電阻RG—指示儀表內(nèi)阻Rr＋Rc＋RG＝常數(shù)a圖中的熱電偶冷端被延伸到儀表內(nèi)，b圖中熱電偶冷端在儀表外面，RD為連接冷端與儀表的導(dǎo)線電阻。2、測(cè)量溫差線路兩支型號(hào)相同的熱電偶配用相同的補(bǔ)償導(dǎo)線，并反串連接，使兩熱電勢(shì)相減，從而測(cè)出T1和T2的溫度差。為了減少測(cè)量誤差，要盡可能選用熱電特性一致的熱電偶，同時(shí)要保證兩熱電偶的冷端溫度相同。3、測(cè)量平均溫度線路（并聯(lián)線路）n支同型號(hào)熱電偶的正極和負(fù)極分別連接在一起。如果n支熱電偶的電阻均相等，則并聯(lián)測(cè)量線路的總熱電動(dòng)勢(shì)等于n支熱電偶熱電動(dòng)勢(shì)的平均值，即：熱電偶并聯(lián)線路中，當(dāng)其中一支熱電偶斷路時(shí)，不會(huì)中斷整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)的工作

4、測(cè)量幾點(diǎn)溫度之和線路（串聯(lián)線路）將n支同型號(hào)熱電偶依次按正負(fù)極相連接的線路稱串聯(lián)測(cè)量線路。串聯(lián)測(cè)量線路的總熱電動(dòng)勢(shì)等于n支熱電偶熱電動(dòng)勢(shì)之和，即串聯(lián)線路的主要優(yōu)點(diǎn)是熱電動(dòng)勢(shì)大，儀表的靈敏度大為增加。缺點(diǎn)是只要有一支熱電偶斷路，整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)便無法工作。六、熱電偶的冷端補(bǔ)償從熱電效應(yīng)的原理可知，熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)與兩端溫度有關(guān)。只有將冷端的溫度恒定，熱電動(dòng)勢(shì)才是熱端溫度的單值函數(shù)。由于熱電偶分度表是以冷端溫度為0時(shí)作出的，因此在使用時(shí)要正確反映熱端溫度（被測(cè)溫度），最好設(shè)法使冷端溫度恒為0。但在實(shí)際應(yīng)用中，熱電偶的冷端通?？拷粶y(cè)對(duì)象，且受到周圍環(huán)境溫度的影響，其溫度不是恒定不變的。為此，必須采取一些相應(yīng)的措施進(jìn)行補(bǔ)償或修正。1、冰水保溫方式（即0℃怛溫法）此法用于實(shí)驗(yàn)室。在實(shí)驗(yàn)室及精密測(cè)量中，通常把冷端放入0℃恒溫器或裝滿冰水混合物的容器中，以便冷端溫度保持0℃。這是一種理想的補(bǔ)償方法，但工業(yè)中使用極為不便。2、熱電勢(shì)補(bǔ)正法若冷端實(shí)際溫度Tn，利用中間溫度定律求得補(bǔ)正值。

例用鎳鉻－鎳硅熱電偶測(cè)爐溫時(shí)，其冷端溫度t0＝30℃，在直流電位差計(jì)上測(cè)得的電動(dòng)勢(shì)EAB(t,30)=38.500mV，求爐溫為多少?解：①查鎳鉻一鎳硅熱電偶K分度表得：②根據(jù)中間溫度定律得：③查鎳鉻一鎳硅熱電偶K分度表得：t＝960℃3、調(diào)整儀表起始點(diǎn)法當(dāng)熱電偶通過補(bǔ)償導(dǎo)線連接顯示儀表時(shí)，如果熱電偶冷端溫度已知且恒定時(shí)，可預(yù)先將有零位調(diào)整器的顯示儀表的指針從刻度的初始值調(diào)至已知的冷端溫度值上，這時(shí)顯示儀表的示值即為被測(cè)量的實(shí)際溫度值。4、冷端延長(zhǎng)線法熱電偶由于受到材料價(jià)格的限制不能做得很長(zhǎng)，為使其冷端不受測(cè)溫對(duì)象的溫度影響，必須使冷端遠(yuǎn)離溫度對(duì)象，采用補(bǔ)償導(dǎo)線就可以做到這一點(diǎn)。補(bǔ)償導(dǎo)線實(shí)際上是一對(duì)材料化學(xué)成分不同的導(dǎo)線，在0～150℃溫度范圍內(nèi)與配接的熱電偶有一致的熱電特性，但價(jià)格相對(duì)要便宜。若我們利用補(bǔ)償導(dǎo)線，將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的場(chǎng)所(如儀表室)，其實(shí)質(zhì)是相當(dāng)于將熱電極延長(zhǎng)。根據(jù)中間溫度定律，只要熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線的二個(gè)接點(diǎn)溫度一致，是不會(huì)影響熱電動(dòng)勢(shì)輸出的。例如用鎳鉻－鎳硅熱電偶測(cè)量爐溫。熱端溫度為800℃

，冷端溫度為50℃

。為了進(jìn)行爐溫的調(diào)節(jié)及顯示，須將熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)送到儀表室，儀表室的環(huán)境溫度恒為20℃

。首先由分度表查出在冷端溫度為0℃

，熱端溫度為800℃時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)為E(800，0)＝33.277mV；熱端溫度為50℃時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)為E(50，0)＝2.022mV；熱端溫度為20℃時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)為E(20，0)=0.798mV。如果熱電偶與儀表之間直接用銅導(dǎo)線連接，根據(jù)中間導(dǎo)體定律，輸入儀表的熱電動(dòng)勢(shì)為：

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

=31.255mV

(相當(dāng)于751℃)

如果熱電偶與儀表之間用補(bǔ)償導(dǎo)線連接，相當(dāng)于將熱電偶延伸到儀表室，輸入儀表的熱電動(dòng)勢(shì)為：

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

=32.479mV

(相當(dāng)于781℃)5、電橋補(bǔ)償法（自動(dòng)補(bǔ)償方式）

計(jì)算修正法（熱電勢(shì)補(bǔ)正法）雖然很精確，但不適合