熱電偶工作原理

1、背景資料背景資料實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理1熱電偶與溫差電效應(yīng)熱電偶與溫差電效應(yīng) 若將若將A、B兩根不同的金屬或合金絲的端點(diǎn)互相連接兩根不同的金屬或合金絲的端點(diǎn)互相連接(接點(diǎn)焊接或熔接接點(diǎn)焊接或熔接)成為一閉合回路，并使兩接點(diǎn)處于不成為一閉合回路，并使兩接點(diǎn)處于不同溫度如圖同溫度如圖1所示，則由于溫差電效應(yīng)，回路中將產(chǎn)生所示，則由于溫差電效應(yīng)，回路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，稱為溫差電動(dòng)勢(shì)。這種閉合回路稱為熱電偶。電動(dòng)勢(shì)，稱為溫差電動(dòng)勢(shì)。這種閉合回路稱為熱電偶。1T1T圖1 接觸電勢(shì)差原理圖+AB2T熱電偶回路中產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)是由佩爾捷電動(dòng)勢(shì)和湯姆遜電動(dòng)勢(shì)聯(lián)合組成的熱電偶回路中產(chǎn)生

2、的溫差電動(dòng)勢(shì)是由佩爾捷電動(dòng)勢(shì)和湯姆遜電動(dòng)勢(shì)聯(lián)合組成的BAABnnttekEln)(12佩爾捷電動(dòng)勢(shì)：佩爾捷電動(dòng)勢(shì)：在兩種金屬的結(jié)點(diǎn)處，由于電子擴(kuò)散的結(jié)果而產(chǎn)生接觸電勢(shì)差，在兩種金屬的結(jié)點(diǎn)處，由于電子擴(kuò)散的結(jié)果而產(chǎn)生接觸電勢(shì)差，其熱端和冷端的總接觸電勢(shì)差為：其熱端和冷端的總接觸電勢(shì)差為：21ttBAABdtE湯姆遜電動(dòng)勢(shì)湯姆遜電動(dòng)勢(shì) ：同一導(dǎo)體的兩端溫度不同而產(chǎn)生電勢(shì)差，在熱電偶回路中，兩種金同一導(dǎo)體的兩端溫度不同而產(chǎn)生電勢(shì)差，在熱電偶回路中，兩種金屬總的湯姆遜電動(dòng)勢(shì)電勢(shì)為：屬總的湯姆遜電動(dòng)勢(shì)電勢(shì)為： 12121221ln,tftfdtnnttekEEttEttBABAABABAB熱電偶產(chǎn)生的熱

3、電勢(shì)是由兩種導(dǎo)體的總接觸電勢(shì)和總湯姆遜電勢(shì)所組成，即：熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)是由兩種導(dǎo)體的總接觸電勢(shì)和總湯姆遜電勢(shì)所組成，即： 背景資料背景資料實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理 因此，熱電偶回路中溫差電動(dòng)勢(shì)的大小除了和組成電偶的材料有關(guān)，因此，熱電偶回路中溫差電動(dòng)勢(shì)的大小除了和組成電偶的材料有關(guān)，還決定于兩接觸點(diǎn)的溫度差，當(dāng)制作電偶的材料確定后，溫差電動(dòng)勢(shì)的還決定于兩接觸點(diǎn)的溫度差，當(dāng)制作電偶的材料確定后，溫差電動(dòng)勢(shì)的大小就只決定于兩個(gè)接觸點(diǎn)的溫度差，一般說(shuō)，電動(dòng)勢(shì)和溫差的關(guān)系非大小就只決定于兩個(gè)接觸點(diǎn)的溫度差，一般說(shuō)，電動(dòng)勢(shì)和溫差的關(guān)系非常復(fù)雜，若取二級(jí)近似，可表為如下形式常復(fù)雜

4、，若取二級(jí)近似，可表為如下形式21212ttdttCEAB2t式中，式中， 為熱端溫度；為熱端溫度； 是冷端溫度；而是冷端溫度；而 、 是電偶常數(shù)，它們的是電偶常數(shù)，它們的大小僅決定于組成電偶的材料。粗略測(cè)量時(shí)，可取一級(jí)近似大小僅決定于組成電偶的材料。粗略測(cè)量時(shí)，可取一級(jí)近似1tCd12ttCEAB 稱為溫差電系數(shù)（或電偶常數(shù)），它只與兩種金屬的性質(zhì)有關(guān)，稱為溫差電系數(shù)（或電偶常數(shù)），它只與兩種金屬的性質(zhì)有關(guān)，在數(shù)值上等于兩接觸點(diǎn)溫度差為在數(shù)值上等于兩接觸點(diǎn)溫度差為1時(shí)所產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)，單位為時(shí)所產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)，單位為毫伏毫伏/度。度。 C背景資料背景資料實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)

5、據(jù)處理數(shù)據(jù)處理2熱電偶測(cè)溫原理和定標(biāo)熱電偶測(cè)溫原理和定標(biāo)溫差電偶與測(cè)量?jī)x器有兩種連接方式如圖溫差電偶與測(cè)量?jī)x器有兩種連接方式如圖2所示。所示。 MAB工作端自由端1t2t（a）圖2MAABB工作端自由端（b）1t2t 參考溫度可以是水的三相點(diǎn)（參考溫度可以是水的三相點(diǎn)（273.16 K），液氮（），液氮（LN）的沸點(diǎn)）的沸點(diǎn)（77.35 K），或液氦（），或液氦（LHe）的沸點(diǎn)（）的沸點(diǎn)（4.2 K）等。如果熱電偶工作端與）等。如果熱電偶工作端與參考端的溫度不等，則有溫差電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。溫差電勢(shì)的大小只與工作端與參考端的溫度不等，則有溫差電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。溫差電勢(shì)的大小只與工作端與參考端的溫差及電極材料

6、有關(guān)，與電極的長(zhǎng)度，直徑無(wú)關(guān)。用電位差計(jì)測(cè)參考端的溫差及電極材料有關(guān)，與電極的長(zhǎng)度，直徑無(wú)關(guān)。用電位差計(jì)測(cè)出電偶回路的電動(dòng)勢(shì)，如果該電偶的電動(dòng)勢(shì)與溫差之間的關(guān)系事先已標(biāo)定出電偶回路的電動(dòng)勢(shì)，如果該電偶的電動(dòng)勢(shì)與溫差之間的關(guān)系事先已標(biāo)定好，根據(jù)已知的曲線，就可以得出待測(cè)溫度。好，根據(jù)已知的曲線，就可以得出待測(cè)溫度。背景資料背景資料實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理為了測(cè)定溫差電動(dòng)勢(shì)，需在閉合回路中接入測(cè)量?jī)x表，如圖為了測(cè)定溫差電動(dòng)勢(shì)，需在閉合回路中接入測(cè)量?jī)x表，如圖3所示，這相當(dāng)于把第三種金屬（如電位差計(jì)的電阻絲）串入回所示，這相當(dāng)于把第三種金屬（如電位差計(jì)的電阻絲）串入回路。理論

7、上可以證明，在路。理論上可以證明，在A、B兩種金屬之間插入任何一種金兩種金屬之間插入任何一種金屬屬C，只要維持它和，只要維持它和A、B的聯(lián)接點(diǎn)在同一個(gè)溫度，這個(gè)閉合電的聯(lián)接點(diǎn)在同一個(gè)溫度，這個(gè)閉合電路中的溫差電動(dòng)勢(shì)總是和由路中的溫差電動(dòng)勢(shì)總是和由A、B兩種金屬組成的溫差熱電偶兩種金屬組成的溫差熱電偶中的溫差電動(dòng)勢(shì)一樣。這一性質(zhì)在實(shí)際應(yīng)用中是很重要的，圖中的溫差電動(dòng)勢(shì)一樣。這一性質(zhì)在實(shí)際應(yīng)用中是很重要的，圖3所示為常用的測(cè)溫線路，即用銅絲所示為常用的測(cè)溫線路，即用銅絲C將溫差電動(dòng)勢(shì)接送電位差將溫差電動(dòng)勢(shì)接送電位差計(jì)是常見(jiàn)的用法。計(jì)是常見(jiàn)的用法。 注：注：ABCC電位差計(jì)圖31t1t2t背景資料背

8、景資料實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理溫差電偶測(cè)量溫度的優(yōu)點(diǎn)：溫差電偶測(cè)量溫度的優(yōu)點(diǎn)： 測(cè)量范圍廣：可以從測(cè)量范圍廣：可以從4.2K(268.950C)的深低溫直至的深低溫直至28000C的的高溫。如液態(tài)空氣的低溫或煉鋼爐溫高溫。如液態(tài)空氣的低溫或煉鋼爐溫(2000)。 測(cè)量精度高：因熱電偶直接與被測(cè)對(duì)象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。測(cè)量精度高：因熱電偶直接與被測(cè)對(duì)象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。靈敏度和準(zhǔn)確度高靈敏度和準(zhǔn)確度高(可達(dá)可達(dá)103度度)，特別是鉑姥，特別是鉑姥鉑熱電偶。鉑熱電偶。 受熱面積和熱容量可做得很小，如研究金相變化、小生物體溫變化，受熱面積和熱容量可做得很小，如研

9、究金相變化、小生物體溫變化，水銀溫度計(jì)則難于可比。水銀溫度計(jì)則難于可比。 構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用方便：熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用方便：熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來(lái)非常方便。且不受大小和開頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來(lái)非常方便。 由于熱電偶測(cè)溫是將溫度測(cè)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的測(cè)量，因而非常適用由于熱電偶測(cè)溫是將溫度測(cè)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的測(cè)量，因而非常適用于自動(dòng)調(diào)溫和控溫系統(tǒng)。于自動(dòng)調(diào)溫和控溫系統(tǒng)。背景資料背景資料實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理 定標(biāo)：定標(biāo)： 所謂定標(biāo)就是設(shè)法確定溫差電勢(shì)的大小與溫度差的對(duì)應(yīng)關(guān)所謂定標(biāo)就

10、是設(shè)法確定溫差電勢(shì)的大小與溫度差的對(duì)應(yīng)關(guān)系。定標(biāo)方法有二種：一種是固定點(diǎn)法，即利用純物質(zhì)在一系。定標(biāo)方法有二種：一種是固定點(diǎn)法，即利用純物質(zhì)在一定的氣壓下，把它們的熔點(diǎn)或沸點(diǎn)作為已知溫度定的氣壓下，把它們的熔點(diǎn)或沸點(diǎn)作為已知溫度(例如，水的例如，水的沸點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下為沸點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下為100 ；錫的熔點(diǎn)為；錫的熔點(diǎn)為2318；鋅；鋅的熔點(diǎn)為的熔點(diǎn)為4198)，測(cè)出溫差電偶在這些溫度下對(duì)應(yīng)的電，測(cè)出溫差電偶在這些溫度下對(duì)應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)，從而得出動(dòng)勢(shì)，從而得出 關(guān)系曲線。固定點(diǎn)法的優(yōu)點(diǎn)是標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系曲線。固定點(diǎn)法的優(yōu)點(diǎn)是標(biāo)準(zhǔn)的溫度準(zhǔn)確、穩(wěn)定，但合適的純物質(zhì)為數(shù)不多，可校準(zhǔn)的溫度溫度準(zhǔn)確、穩(wěn)定，但合適

11、的純物質(zhì)為數(shù)不多，可校準(zhǔn)的溫度點(diǎn)數(shù)較少。點(diǎn)數(shù)較少。 另一種是比較法，即利用另一種是比較法，即利用標(biāo)準(zhǔn)電偶與未知電偶測(cè)量同一標(biāo)準(zhǔn)電偶與未知電偶測(cè)量同一溫度，標(biāo)準(zhǔn)電偶的數(shù)據(jù)既然已知，未知電偶即被校準(zhǔn)。此法溫度，標(biāo)準(zhǔn)電偶的數(shù)據(jù)既然已知，未知電偶即被校準(zhǔn)。此法簡(jiǎn)單、迅速，但準(zhǔn)確度受標(biāo)準(zhǔn)溫差熱電偶或溫度計(jì)準(zhǔn)確度的簡(jiǎn)單、迅速，但準(zhǔn)確度受標(biāo)準(zhǔn)溫差熱電偶或溫度計(jì)準(zhǔn)確度的限制。限制。 tE背景資料背景資料實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理 背景資料背景資料實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)儀器數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理一、利用實(shí)驗(yàn)室給定的儀器設(shè)備，采用比較法對(duì)由銅康銅組成的一、利用實(shí)驗(yàn)室給定的儀器設(shè)備，采用比較法

12、對(duì)由銅康銅組成的“熱熱電偶溫度計(jì)電偶溫度計(jì)”定標(biāo)；定標(biāo)； 二、用定好標(biāo)的二、用定好標(biāo)的“熱電偶溫度計(jì)熱電偶溫度計(jì)”測(cè)量水沸騰時(shí)的溫度。測(cè)量水沸騰時(shí)的溫度。 注意事項(xiàng)：注意事項(xiàng)：1、熱電偶對(duì)溫度有很強(qiáng)的敏感性，對(duì)于康銅熱電偶，溫度每改變、熱電偶對(duì)溫度有很強(qiáng)的敏感性，對(duì)于康銅熱電偶，溫度每改變10 ，溫差電動(dòng)勢(shì)約變化，溫差電動(dòng)勢(shì)約變化40v，在實(shí)際測(cè)量時(shí)，應(yīng)使電位差計(jì)與，在實(shí)際測(cè)量時(shí)，應(yīng)使電位差計(jì)與待測(cè)物體隔開一定距離，以保持與兩銅引線相接的儀器的兩黃銅接待測(cè)物體隔開一定距離，以保持與兩銅引線相接的儀器的兩黃銅接線柱處的溫度相同，可避免兩接點(diǎn)因溫度有差異而產(chǎn)生附加的溫差線柱處的溫度相同，可避免兩接

13、點(diǎn)因溫度有差異而產(chǎn)生附加的溫差電動(dòng)勢(shì)。電動(dòng)勢(shì)。2、在升溫過(guò)程中，應(yīng)盡可能慢些，以保證溫度計(jì)與溫差電偶所測(cè)的、在升溫過(guò)程中，應(yīng)盡可能慢些，以保證溫度計(jì)與溫差電偶所測(cè)的溫度是相同的。若用電位差計(jì)測(cè)熱電動(dòng)勢(shì)、電位差計(jì)應(yīng)跟蹤電動(dòng)勢(shì)溫度是相同的。若用電位差計(jì)測(cè)熱電動(dòng)勢(shì)、電位差計(jì)應(yīng)跟蹤電動(dòng)勢(shì)變化，始終使電位差計(jì)指針在平衡點(diǎn)附近，以求電動(dòng)勢(shì)讀數(shù)盡可能變化，始終使電位差計(jì)指針在平衡點(diǎn)附近，以求電動(dòng)勢(shì)讀數(shù)盡可能與溫度計(jì)讀數(shù)處于相同時(shí)刻。與溫度計(jì)讀數(shù)處于相同時(shí)刻。背景資料背景資料實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1作圖法作圖法根據(jù)所測(cè)量數(shù)據(jù)，以溫差根據(jù)所測(cè)量數(shù)據(jù)，以溫差 為橫坐標(biāo)，溫差電動(dòng)勢(shì)為橫坐標(biāo)，溫差電動(dòng)勢(shì) 為縱坐為縱坐標(biāo)，在坐標(biāo)紙上畫出定標(biāo)曲線（即標(biāo)，在坐標(biāo)紙上畫出定標(biāo)曲線（即 曲線），并由此求電曲線），并由此求電偶常數(shù)偶常數(shù)C和水的沸點(diǎn)溫度和水的沸點(diǎn)溫度t。 tEtE2最小二乘法最小二乘法根據(jù)所測(cè)量數(shù)據(jù)，用最小二乘法求其線性回歸方程，由此計(jì)根據(jù)所測(cè)量數(shù)據(jù)，用最小二乘法求其線性回歸方程，由此計(jì)算出電偶常數(shù)算出電偶常數(shù)C及標(biāo)準(zhǔn)差。及標(biāo)準(zhǔn)差。 在熱電偶