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)中應用最普遍、最廣泛的溫度測量元件。它將溫度信號轉(zhuǎn)換成電勢（mV）信號，配以測量毫伏的儀表或變送器可以實現(xiàn)溫度的測量或溫度信號的轉(zhuǎn)換。具有結(jié)構(gòu)簡單、制作方便、測量范圍寬、準確度高、性能穩(wěn)定、復現(xiàn)性好、體積小、響應時間短等各種優(yōu)點。它既可以用于流體溫度測量，也可以用于固體溫度測量。既可以測量靜態(tài)溫度，也能測量動態(tài)溫度。直接輸出直流電壓信號，便于測量、信號傳輸、自動記錄和控制等。1、熱電動勢兩個不同成份的導體A、B組成一閉合回路，若接點的溫度不同，回路將產(chǎn)生一個電動勢，稱此現(xiàn)象為熱電效應。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。2、熱電極導體A、B稱為熱電極3、熱端及冷端測溫時置于被測溫度場中的結(jié)點1，稱為測量端(工作端或熱端)

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

二、熱電動勢產(chǎn)生原因1、接觸電勢在連接點處，由于金屬材料不同，造成電子擴散而形成，它取決于金屬性質(zhì)和接點溫度，而與金屬的形狀及尺寸無關。也稱玻爾電動勢。

該電場的方向與擴散進行的方向相反，它將引起反方向的電子轉(zhuǎn)移，阻礙擴散作用的繼續(xù)進行。當擴散作用與阻礙擴散作用相等時，便處于一種動態(tài)平衡狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，A與B兩導體的接觸處就產(chǎn)生了電位差，即為接觸電動勢。設A的自由電子密度大于B的自由電子密度，則導體A向?qū)wB擴散電子。導體A失去電子帶正電荷，導體B得到電子帶負電荷，于是，在A、B兩導體的接觸界面上便形成一個由A到

B的電場。若溫度為T，有接觸電動勢公式：eAB(T)—導體A、B結(jié)點在溫度T時形成的接觸電動勢；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

——導體A、B在溫度為T時的電子密度。

接觸電動勢的大小與導體的材料、接點的溫度有關，與導體的直徑、長度及幾何形狀無關。ABT0T接觸電勢由于熱電偶兩結(jié)點的接觸電勢eAB(T)與eAB(T0)方向相反，所以回路的總接觸電勢為：

當兩結(jié)點的溫度相同，即T=T0，回路中總電勢將為零。

2、溫差電勢

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

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

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

溫差電動勢取決于導體的材料及兩端的溫度。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：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)點溫度相同，則回路中的總電勢必等于零

abABT0T總熱電勢T>T03、熱電偶回路的總電動勢在熱電偶回路中起主要作用的是接觸電動勢，溫差電動勢只占極小部分，可以忽略不計。即有：在工程應用中，常用實驗的方法得出溫度與熱電勢的關系并做成分度表，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、中間導體定律在熱電偶中接入第三種導體，只要其與熱電偶的兩個接點溫度相同，則總熱電動勢不變。ET0T0TET0T1T1T

此定律具有特別重要的實用意義，因為用熱電偶測溫時必須接入儀表(第三種材料)，根據(jù)此定律，只要儀表兩接入點的溫度保持一致(T0

)，儀表的接入就不會影響熱電勢。而且兩個熱電極結(jié)點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行溫度測量。

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

時，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、標準電極定律（參考電極定律）若兩種導體分別與第三種導體組成的勢電偶產(chǎn)生的勢電勢已知，則此兩種導體組成的勢電偶的熱電勢就已知。且

標準電極定律是一個極為實用的定律。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勢，其工作量是極大的。由于鉑的物理、化學性質(zhì)穩(wěn)定，熔點高，易提純，所以，我們通常選用高純鉑絲作為標準電極，只要測得各種金屬與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢，則各種金屬之間相互組合而成的熱電偶的熱電動勢即可計算。例如：熱端為100，冷端為0時，鎳鉻合金與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為2.95mV，而考銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為-4.0mV，則鎳鉻和考銅組合而成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢應為：2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV3、中間溫度定律熱電偶在兩接點溫度T，T0時的熱電動勢等于該熱電偶在接點溫度為T，Tn和Tn，T0時的相應熱電動勢的代數(shù)和。中間溫度定律可表示為：

在實際熱電偶測溫回路中,利用熱電偶這一性質(zhì),可對冷端溫度不為0℃的熱電勢進行修正。ABT1T2T2A’B’T0T0熱電偶補償導線接線圖E對于冷端溫度T0不是零度時，仍可以采用熱電偶分度表求得被測溫度。如當Tn=0℃時，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償導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體延長，只要接入的導體組成熱電偶的熱電特性與被延長的熱電偶的熱電特性相同，且它們之間連接的兩點溫度相同，則總回路的熱電動勢與連接點溫度無關，只與延長以后的熱電偶兩端的溫度有關。當在原來熱電偶回路中分別引入與導體材料A、B同樣熱電特性的材料A′、B′即補償導線，當EAA?(T2)=EBB?(T2)，則回路總電動勢為：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：熱電極有正負之分，熱電極材料的要求：①配制成的熱電偶應具有較大的熱電勢，并希望熱電勢與溫度之間成線性關系或近似線性關系。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性能與熱電性能都比較穩(wěn)定。③電導率要求高，電阻溫度系數(shù)要小。④易于復制，工藝簡單，價格便宜。工業(yè)熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖1－接線盒2－保護套管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套管之間進行絕緣保護的零件。3）保護套管用來保護熱電偶感溫元件免受被測介質(zhì)化學腐蝕和機械損傷的裝置。4）接線盒用來固定接線座和作為連接補償導線2、常用熱電偶國際電工委員會IEC在1975年向世界各國推薦七種標準型熱電偶。我國生產(chǎn)的符合其標準的熱電偶有六種：

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）非標準熱電偶及應用五、熱電偶測溫線路1、單點測溫線路熱電偶與儀表連接。流過儀表的電流不僅與勢電勢大小有關，而且與測溫回路的總電阻有關，因此要求回路總電阻必須為恒定值，即：

這種線路常用于測溫精度要求不高的場合，結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜。Rr—熱電偶電阻Rc—連接導線電阻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線電阻。2、測量溫差線路兩支型號相同的熱電偶配用相同的補償導線，并反串連接，使兩熱電勢相減，從而測出T1和T2的溫度差。為了減少測量誤差，要盡可能選用熱電特性一致的熱電偶，同時要保證兩熱電偶的冷端溫度相同。3、測量平均溫度線路（并聯(lián)線路）n支同型號熱電偶的正極和負極分別連接在一起。如果n支熱電偶的電阻均相等，則并聯(lián)測量線路的總熱電動勢等于n支熱電偶熱電動勢的平均值，即：熱電偶并聯(lián)線路中，當其中一支熱電偶斷路時，不會中斷整個測溫系統(tǒng)的工作

4、測量幾點溫度之和線路（串聯(lián)線路）將n支同型號熱電偶依次按正負極相連接的線路稱串聯(lián)測量線路。串聯(lián)測量線路的總熱電動勢等于n支熱電偶熱電動勢之和，即串聯(lián)線路的主要優(yōu)點是熱電動勢大，儀表的靈敏度大為增加。缺點是只要有一支熱電偶斷路，整個測量系統(tǒng)便無法工作。六、熱電偶的冷端補償從熱電效應的原理可知，熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢與兩端溫度有關。只有將冷端的溫度恒定，熱電動勢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時作出的，因此在使用時要正確反映熱端溫度（被測溫度），最好設法使冷端溫度恒為0。但在實際應用中，熱電偶的冷端通常靠近被測對象，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，必須采取一些相應的措施進行補償或修正。1、冰水保溫方式（即0℃怛溫法）此法用于實驗室。在實驗室及精密測量中，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℃。這是一種理想的補償方法，但工業(yè)中使用極為不便。2、熱電勢補正法若冷端實際溫度Tn，利用中間溫度定律求得補正值。

例用鎳鉻－鎳硅熱電偶測爐溫時，其冷端溫度t0＝30℃，在直流電位差計上測得的電動勢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)整儀表起始點法當熱電偶通過補償導線連接顯示儀表時，如果熱電偶冷端溫度已知且恒定時，可預先將有零位調(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，這時顯示儀表的示值即為被測量的實際溫度值。4、冷端延長線法熱電偶由于受到材料價格的限制不能做得很長，為使其冷端不受測溫對象的溫度影響，必須使冷端遠離溫度對象，采用補償導線就可以做到這一點。補償導線實際上是一對材料化學成分不同的導線，在0～150℃溫度范圍內(nèi)與配接的熱電偶有一致的熱電特性，但價格相對要便宜。若我們利用補償導線，將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的場所(如儀表室)，其實質(zhì)是相當于將熱電極延長。根據(jù)中間溫度定律，只要熱電偶和補償導線的二個接點溫度一致，是不會影響熱電動勢輸出的。例如用鎳鉻－鎳硅熱電偶測量爐溫。熱端溫度為800℃

，冷端溫度為50℃

。為了進行爐溫的調(diào)節(jié)及顯示，須將熱電偶產(chǎn)生的熱電勢送到儀表室，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℃時的熱電動勢為E(800，0)＝33.277mV；熱端溫度為50℃時的熱電動勢為E(50，0)＝2.022mV；熱端溫度為20℃時的熱電動勢為E(20，0)=0.798mV。如果熱電偶與儀表之間直接用銅導線連接，根據(jù)中間導體定律，輸入儀表的熱電動勢為：

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

=31.255mV

(相當于751℃)

如果熱電偶與儀表之間用補償導線連接，相當于將熱電偶延伸到儀表室，輸入儀表的熱電動勢為：

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

=32.479mV

(相當于781℃)5、電橋補償法（自動補償方式）

計算修正法（熱電勢補正法）雖然很精確，但不適合