熱電效應(yīng)塞貝克效應(yīng)課件

下頁上頁返回8.1熱電偶

把兩種不同導(dǎo)體或半導(dǎo)體連接成閉合回路，如果將它們的兩個接點(diǎn)分別置于溫度各為T和T0（設(shè)T＞T0)的熱源中，則在該回路內(nèi)就會產(chǎn)生熱電動勢，這種現(xiàn)象稱作熱電效應(yīng)。由這兩種導(dǎo)體的組合并將溫度轉(zhuǎn)換成熱電勢的傳感器稱為熱電偶。

熱電效應(yīng)示意圖熱電偶作為敏感元件優(yōu)點(diǎn)為：①結(jié)構(gòu)簡單：其主體實(shí)際上是由兩種不同性質(zhì)的導(dǎo)體或半導(dǎo)體互相絕緣并將一端焊接在一起而成的；②具有較高的準(zhǔn)確度；③測量范圍寬，常用的熱電偶，低溫可測到-50℃，高溫可以達(dá)到1600℃左右，配用特殊材料的熱電極，最低可測到-180℃，最高可達(dá)到+2800℃的溫度；④具有良好的敏感度；⑤使用方便。下頁上頁返回下頁上頁返回8.1.1熱電效應(yīng)

熱電偶產(chǎn)生的熱電勢稱為溫差電勢或塞貝克電勢，通稱熱電勢?；芈分挟a(chǎn)生的電流稱為熱電流，導(dǎo)體A、B稱為熱電極。測溫時結(jié)點(diǎn)1置于被測的溫度場中，稱為測量端(工作端、熱端)；結(jié)點(diǎn)2一般處在某一恒定溫度，稱為參考端(自由端、冷端)。

熱電效應(yīng)（塞貝克效應(yīng)）：下頁上頁返回

式中k—

波爾茲曼常數(shù)，為1.38×10-16；

T—

接觸處的絕對溫度；

e—

電子電荷數(shù)；

NA、NB

—

金屬A、B的自由電子密度。

接觸電勢

兩種導(dǎo)體的接觸電勢下頁上頁返回

同理可以計(jì)算出A、B兩種金屬構(gòu)成回路在溫度T0端的接觸電勢為：

但與方向相反，所以回路的總接觸電勢

由上式可見，當(dāng)兩結(jié)點(diǎn)的溫度相同，即T=T0

，回路中總電勢將為零。下頁上頁返回

當(dāng)導(dǎo)體兩端的溫度分別為T、T0時，溫差電勢可由下式表示:

式中A—A導(dǎo)體的湯姆遜系數(shù)。對于兩種金屬A、B組成的熱電偶回路，湯姆遜電勢等于它的代數(shù)和，即:

單一導(dǎo)體的溫差電勢

溫差電勢下頁上頁返回

綜上所述，對于勻質(zhì)導(dǎo)體A、B組成的熱電偶，其總電勢為接觸電勢與溫差電勢之和，用式子可表示為：

熱電偶回路的總熱電勢下頁上頁返回①如果熱電偶兩電極材料相同，則雖兩端溫度不同(T≠T0)。但總輸出電勢仍為零(均質(zhì)導(dǎo)體定律）。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，則回路中的總電勢必等于零。由上述分析知，熱電勢的大小只與材料和結(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)，與熱電偶的尺寸、形狀及沿電極溫度分布無關(guān)。應(yīng)注意，如果熱電極本身性質(zhì)為非均勻的，由于溫度梯度存在，將會有附加電勢產(chǎn)生。討論：下頁上頁返回8.1.2熱電偶基本定律中間導(dǎo)體定律標(biāo)準(zhǔn)（參考）電極定律連接導(dǎo)體定律和中間溫度定律

在熱電偶回路中，只要中間導(dǎo)體兩端的溫度相同，那么接入中間導(dǎo)體后，對熱電偶回路的總熱電勢無影響?？捎檬阶颖硎緸椋?/p>

EABC(T,T0)=EAB(T,T0)

下頁上頁返回具有中間導(dǎo)體的熱電偶電路

中間導(dǎo)體定律

如果將導(dǎo)體C（熱電極，一般為純鉑絲）作為標(biāo)準(zhǔn)電極（也稱參考電極），并已知標(biāo)準(zhǔn)電極與任意導(dǎo)體配對時的熱電勢，則在相同結(jié)點(diǎn)溫度(T，T0)下，任意兩導(dǎo)體A、B組成的熱電偶，其熱電勢可由下式求得：

EAB(T,T0)=EAC(T,T0)＋ECB(T,T0)標(biāo)準(zhǔn)電極定律下頁上頁返回三種導(dǎo)體分別組成的熱電偶

連接導(dǎo)體定律：在熱電偶回路中，如果熱電極A、B分別與連接導(dǎo)線A’、B’相連接，結(jié)點(diǎn)溫度分別為T、Tn、T0

，那么回路的熱電勢將等于熱電偶的熱電勢EAB(T,Tn

)與連接導(dǎo)線A’、B’在溫度Tn、T0

時熱電勢EA’B’(T,Tn

)的代數(shù)和，即：

EABB’A’(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EA’B’(Tn,T0)

連接導(dǎo)體定律和中間溫度定律下頁上頁返回

用連接導(dǎo)線的熱電偶回路

中間溫度定律：

熱電偶在結(jié)點(diǎn)溫度為T、T0時的熱電勢值EAB(T,T0)，等于熱電偶在(T,Tn

)、(Tn,T0)時相應(yīng)的熱電勢EAB(T,Tn

)與EAB(Tn,T0)的代數(shù)和。如下式所示：

EAB(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)下頁上頁返回如A與A’、B與B’材料相同，且結(jié)點(diǎn)溫度分別為T、Tn、T0時，有：

已知A、B組成的熱電偶在（1000C，00C）時熱電勢為1mV，且A、B組成的熱電偶在（10000C，00C）時熱電勢為10mV，則它們在（10000C，1000C）時的熱電勢為：

10-1=9mV下頁上頁返回舉例：8.1.3熱電偶材料、結(jié)構(gòu)及常用熱電偶熱電偶的電極材料主要要求：

①配制成的熱電偶應(yīng)具有較大的熱電勢，并希望熱電勢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)制及成批生產(chǎn)，工藝簡單，價格便宜。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶有：鉑銠—鉑熱電偶、鎳鉻—鎳硅熱電偶、鎳鉻—

康銅熱電偶等。下頁上頁返回下頁上頁返回鉑銠10—鉑熱電偶（分度號S）這種熱電偶可在1300℃以下范圍內(nèi)長期使用，短期可測1600℃高溫，復(fù)制精度和測量準(zhǔn)確性高，但此熱電偶的材料為貴金屬，成本較高。鎳鉻—康銅熱電偶（E）熱電動勢大，電阻率小，價格便宜；但抗氧化性差，適用于還原性和中性氣體下測溫，測量上限較低。鎳鉻—鎳硅熱電偶（K）化學(xué)穩(wěn)定性較高，測量范因?yàn)楱C50~+1312℃，復(fù)制性好，產(chǎn)生熱電勢大，線性好，價格便宜，是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的一種熱電偶。

將兩個熱電極的一個端點(diǎn)焊接在一起組成熱接點(diǎn)，就構(gòu)成了熱電偶。工程上實(shí)際使用的熱電偶大多數(shù)是由熱電極1、絕緣材料2、保護(hù)套管3和接線盒4等部分組成。

熱電偶的結(jié)構(gòu)

熱電偶按其結(jié)構(gòu)又可分為普通型熱電偶和鎧裝熱電偶。

1)普通型熱電偶普通型熱電偶主要用于測量氣體、蒸汽和液體等介質(zhì)的溫度。可根據(jù)測量條件和測量范圍來選用，為了防止有害介質(zhì)對熱電極的侵蝕，工業(yè)用的熱電偶一般都有保護(hù)套。熱電偶的外形有棒形、三角形、錐形等，它和外部設(shè)備的安裝方式有螺紋固定、法蘭盤固定等。常用熱電偶

鎧裝熱電偶是將熱電極3、絕緣材料2和金屬保護(hù)管1組合在一起，經(jīng)拉伸加工成為一個堅(jiān)實(shí)的組合體，所以又稱套管熱電偶。它具有強(qiáng)度高、壽命長，動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。

2)鎧裝熱電偶8.1.4熱電偶冷端溫度補(bǔ)償

0℃恒溫法（冰浴法）

把冰屑和清潔的水相混合，放在保溫瓶中，并使水面略低于冰屑面，然后把熱電偶的參考端置于其中，在一個大氣壓的條件下，即可使冰水保持在0℃，這時熱電偶輸出的熱電勢與分度值一致。實(shí)驗(yàn)室中通常使用這種辦法。近年來，已生產(chǎn)一種半導(dǎo)體致冷器件，可恒定在0℃。下頁上頁返回補(bǔ)償導(dǎo)線法下頁上頁返回?zé)犭娕继匦郧€熱電動勢修正法下頁上頁返回溫度補(bǔ)正法

設(shè)TZ為儀表的指示溫度，Tn為熱電偶的參考端溫度，則被測的真實(shí)溫度可表示為：K為熱電偶的修正系數(shù)

補(bǔ)償電橋法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的電動勢來補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電動勢變化值。

補(bǔ)償電橋法

對于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，不必全靠硬件進(jìn)行熱電偶冷端處理。例如冷端溫度恒定但不為0℃的情況，只需在采樣后加一個與冷端溫度對應(yīng)的常數(shù)即可。對于經(jīng)常波動的情況，可利用熱敏電阻或其他傳感器把信號輸入計(jì)算機(jī)，按照運(yùn)算公式設(shè)計(jì)一些程序，便能自動修正。軟件處理法8.1.5熱電偶測溫電路

熱電偶直接與指示儀表配用熱電偶與動圈式儀表連接，如圖所示。這時流過儀表的電流不僅與勢電勢大小有關(guān)，而且與測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：

Rr+Rc+RG=常數(shù)

下頁上頁返回一支熱電偶直接配一臺儀表

為了提高測量精度和靈敏度，也可將n支型號相同的熱電偶依次串接，如圖所示。這時線路的總電勢為：

EG=E1+E2+…+En=nE

式中的E1，E2，…,En為單支熱電偶的熱電勢。顯然總電勢比單支熱電偶的熱電勢增大n倍。

下頁上頁返回串聯(lián)

熱電偶串聯(lián)測溫線路

用若干個熱電偶并聯(lián)，測出各點(diǎn)溫度的算術(shù)平均值。如果n支熱電偶的電阻值相等，則并聯(lián)電路總熱電勢為：

下頁上頁返回并聯(lián)熱電偶并聯(lián)測溫線路

下頁上頁返回如圖所示為測兩點(diǎn)溫度差的線路。兩支型號相同的熱電偶配用相同的補(bǔ)償導(dǎo)線，并反串連接，使兩熱電勢相減，從而測出T1和T2的溫度差。

下頁上頁返回

熱電偶測溫差的線路

下頁上頁返回8.2熱電阻測溫原理：大多數(shù)金屬的電阻率隨溫度升高而增大，即具有正溫度系數(shù)。特點(diǎn)：一般用于測量-200～+500℃范圍內(nèi)的溫度參數(shù)，精度較高，適宜于測低溫。8.2.1熱電阻的材料及工作原理下頁上頁返回鉑電阻：精度高，穩(wěn)定性好，性能可靠，測溫復(fù)現(xiàn)性好，但價格昂貴，成本高。（0～850℃）（-200～0℃）

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻R0有100Ω

和50Ω兩種，并將電阻值與溫度t對應(yīng)關(guān)系列成表格，稱為鉑電阻分度表，分度號分別為Pt100和Pt50。鉑電阻的純度通常用W(100)表示（R100與R0的比值），目前鉑電阻的純度最高可達(dá)5個九。下頁上頁返回銅電阻：鉑是貴金屬，價格昂貴，因此在測溫范圍比較小(-50～+150℃)的情況下，可采用銅制成的測溫電阻，稱銅電阻。

（-50～+150℃）下頁上頁返回

銅電阻在低溫測溫范圍內(nèi)線性和穩(wěn)定性較好，溫度系數(shù)較大，且價格便宜，但測量精度較低。銅電阻的R0亦有100Ω和50Ω兩種，其分度號分別為Cu100和Cu50。下頁上頁返回銦電阻：是一種高精度低溫?zé)犭娮?。?269℃～258℃測溫范圍內(nèi)靈敏度極高，缺點(diǎn)是材料很軟，復(fù)制性很差。錳電阻：在-271℃～210℃低溫范圍內(nèi)，靈敏度高，缺點(diǎn)是脆性大，難以拉制成絲。碳電阻：在-273℃～268.5℃低溫下靈敏度高，熱容量小，對磁場不敏感，價格便宜，使用方便。缺點(diǎn)是熱穩(wěn)定性較差。鐵電阻和鎳電阻：這兩種金屬的電阻溫度系數(shù)較高、電阻率較大，故可作成體積小，靈敏度高的電阻溫度計(jì)，其缺點(diǎn)是容易氧化，化學(xué)穩(wěn)定性差，不易提純，復(fù)制性差，而且電阻值與溫度的線性關(guān)系差。下頁上頁返回

幾種純金屬的電阻相對變化率與溫度變化間關(guān)系下頁上頁返回下頁上頁返回8.2.2測量電路

最常用的測量電路是電橋電路

熱電阻測溫電橋的三線連接法下頁上頁返回

熱電阻測溫電橋的四線連接法8.3熱敏電阻熱敏電阻是用一種半導(dǎo)體材料

制成的敏感元件，其特點(diǎn)是電阻隨溫度變化而顯著變化，能直接將溫度的變化轉(zhuǎn)換為能量的變化。熱敏電阻具有靈敏度高、體積小、較穩(wěn)定、制作簡單、壽命長、易于維護(hù)、動態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)，因此得到較為廣泛的應(yīng)用，尤其是應(yīng)用于遠(yuǎn)距離測量和控制及溫度補(bǔ)償電路中。下頁上頁返回下頁上頁返回?zé)崦綦娮璧慕Y(jié)構(gòu)及符號熱敏電阻的結(jié)構(gòu)形式