理解热电偶的工作原理

2024/5/181温度测量的基本概念

一、温度测量的基本概念

温度标志着物质内部大量分子无规则运动的剧烈程度。温度越高，表示物体内部分子热运动越剧烈。

模拟图：在一个密闭的空间里，气体分子在高温时的运动速度比低温时快！低温高温2024/5/182二、温标1、温度的数值表示方法称为温标。它规定了温度的读数的起点（即零点）以及温度的单位。各类温度计的刻度均由温标确定。

2、国际上规定的温标有：摄氏温标、华氏温标、热力学温标等。

2024/5/183几种温标的对比正常体温为37

C

，相当于华氏温度多少度？2024/5/184热力学温标（K）

热力学温标是建立在热力学第二定律基础上的最科学的温标，是由开尔文（Kelvin）根据热力学定律提出来的，因此又称开氏温标。它的符号是T，单位是开尔文（K）。威廉·汤姆逊·开尔文勋爵像2024/5/185三、温度测量及传感器分类

温度传感器按照用途可分为基准温度计和工业温度计；按照测量方法又可分为接触式和非接触式；按工作原理又可分为膨胀式、电阻式、热电式、辐射式等等；按输出方式分，有自发电型、非电测型等。

2024/5/186介绍几种温度测量方法

示温涂料（变色涂料）装满热水后图案变得清晰可辨2024/5/187变色涂料在电脑内部温度中的示温作用CPU散热风扇低温时显示蓝色温度升高后变为红色2024/5/188体积热膨胀式

不需要电源，耐用；但感温部件体积较大。

气体的体积与热力学温度成正比2024/5/189红外温度计2024/5/1810热电偶测温的主要优点

1、它属于自发电型传感器：测量时可以不需外加电源，可直接驱动动圈式仪表；使用十分方便，所以常被用作测量炉子、管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度。

2、测温范围广：下限可达-270

C

，上限可达1800

C以上；

3、各温区中的热电势均符合国际计量委员会的标准。

4、便于远距离测量和多点测量，可测温度、温度差或者平均温度2024/5/1811先看一个实验——热电偶工作原理演示

热电极A右端称为：自由端（参考端、冷端）

热电偶的工作原理

左端称为：测量端（工作端、热端）

热电极B热电势AB2024/5/1812从实验到理论：热电效应指南针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关将两种不同的导体（或半导体）A、B组合成闭合回路。若两结点处温度不同，则回路中将有电流流动，即回路中有热电动势存在。此电动势的大小除了与材料本身的性质有关以外,还决定于结点处的温差，这种现象称为热电效应或塞贝克效应。2024/5/1813结点产生热电势的微观解释及图形符号

两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，从而产生热电势。

自由电子＋ABeAB（

T）T2024/5/1814热电偶就是根据此原理设计制作的将温差转换为电势量的热电式传感器。热电效应产生的热电势是由接触电势和温差电势两部分组成的。2024/5/1815（一）接触电势产生原因：两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，从而产生接触电势：自由电子＋ABeAB(T)Tk：波尔兹曼常数；e：单位电荷电量；nA、nB：温度为T时,导体A、B的自由电子密度。2024/5/1816（二）温差电动势温度标志着物质内部大量分子无规则运动的剧烈程度。温度越高，表示物体内部分子热运动越剧烈。模拟图：在一个密闭的空间里，气体分子在高温时的运动速度比低温时快！温度的影响2024/5/1817定义：同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势——温差电动势同一导体的两端温度不同时,高温端的电子能量要比低温端的电子能量大,因而从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多,结果高温端因失去电子而带正电,低温端因获得多余的电子而带负电,形成一个静电场，该静电场阻止电子继续向低温端迁移，最后达到动态平衡。因此，在导体两端便形成温差电势，公式：为汤姆逊系数，表示导体两端温度为1摄氏度时产生的温差电势。2024/5/1818热电偶回路的热电势热电偶回路中总的热电势应是接触电势与温差电势之和。EAB（T，T0）=eAB（T）+eB（T，T0）-eAB（T0）-eA（T，T0）经实践证明，在热电偶中起主要作用的是接触电动势，温差电动势只占极小部分。可以忽略不计：2024/5/1819——有关热电偶热电势的讨论

热电偶两结点所产生的总的热电势等于热端热电势与冷端热电势之差，是两个结点的温差Δt

的函数：

EAB（T，T0）=eAB

（

T）-eAB

（

T0

）当热电偶两电极材料固定后，热电动势便是两接点温度为T和T0时的函数差：2024/5/1820对于已选定的热电偶,当参考端温度T0恒定时,EAB(T0)为常数,则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系,即热电势大致与两个结点的温差Δt

成正比2024/5/1821二、有关热电偶的几点结论规定：ＥAB(T,T0)的含义，按位置顺序A表示热电偶正极；B表示负极T表示测量端温度；T0表示冷端温度；符号变化，位置规定的含义不变。ＥAB(T,T0)=-EBA(T,T0)=-EAB(T0,T)解释：当nA>nB,A为正极，B为负极。脚注AB的顺序表示电动势的方向。当脚注顺序改变时，电动势前面的符号（＋、－）随之改变。2024/5/18221）热电势的大小仅与材料的性质及其两端点的温度有关，而与热电偶的形状、大小无关。烧断的热电偶可重新焊接，用于测温。2）如果构成热电偶的两个热电极为材料相同的均质导体，则无论两结点温度如何，热电偶回路内的总热电势为零——均质导体定律必须采用两种不同的材料作为热电极。∵温差电动势只占极小部分2024/5/18233）如果热电偶两结点温度相等t=t0，热电偶回路内的总电势亦为零。4）热电偶AB的热电势与A、B材料的中间温度无关，只与结点温度有关。5）中间导体定律利用热电偶进行测温,必须在回路中引入连接导线和仪表,接入导线和仪表后会不会影响回路中的热电势呢？2024/5/1824热电偶定律1、中间导体定律利用热电偶进行测温,必须在回路中引入连接导线和仪表,接入导线和仪表后会不会影响回路中的热电势呢？中间导体定律：在热电偶测温回路内,接入第三种导体C,只要其两端温度相同,则对回路的总热电势没有影响。2024/5/1825证明:中间导体定律由于温差电势可忽略不计,则回路中的总热电势等于各接点的接触电势之和EABC(T,T0)=eAB(T)+eBC(T0)+eCA(T0)（*）当T=T0时,有EABC(T0)=eAB(T0)+eBC(T0)+eCA(T0)=0

由此得eAB(T0)＝-eBC(T0)-eCA(T0)=0代入（*）式ＥABC(T,T0)=eAB(T)-eAB(T0)=eAB(T,T0)

同理,加入第四、第五种导体后,只要加入的导体两端温度相等,同样不影响回路中的总热电势。

2024/5/1826利用热电偶测温时，连接导线和显示仪表等均可看成中间导体。根据中间导体定律只要保证连接导线和显示仪表各自两端的温度相同，则对热电偶的热电势没有影响。因此中间导体定律对热电偶的实际应用有十分重要的意义。图利用中间导体定律制成开路电偶测量金属和金属壁面的温度。根据此定律，除可在热电偶测温回路中接入各种类型的显示仪表或调节器外，也可以推广到对液态金属材料和固态金属材料表面的温度测量，如图所示。有时为了提高测量精度，或者为了使用上的方便，将热电极A和B直接插入液态金属或焊在固体金属表面上。例如，用热电偶连续测量铁水的温度就是这样的。在连续测量过程中，热电极不断地被铁水熔掉，而根据这个定律，就不需要先焊接了。

2024/5/18272、中间温度定律热电偶T与T0之间若有一温度Tn，热电偶的热电动势ＥAB(T,T0)可以用ＥAB(T,Tn)与ＥAB(Tn,T0)的和来表示。证明中间温度定律为热电偶分度表的制定和使用奠定了基础。2024/5/18283、参考电极定律当结点温度为t,t0时，用导体A，B组成的热电偶的热电动势等于AC热电偶和CB热电偶的热电动势的代数和。如图，导体A、B分别与标准电极C组成热电偶，若它们所产生的热电动势为已知，即那么，导体A与B组成的热电偶，其热电动势可由下式求得：2024/5/1829参考电极定律是一个极为实用的定律纯金属的种类很多，合金类型更多。要得出这些金属之间组合而成热电偶的热电动势，工作量极大。由于铂的物理、化学性质稳定，熔点高，易提纯，所以，通常选用高纯铂丝作为标准电极，只要测得各种金属与纯铂组成的热电偶的热电动势表4-2，则各种金属之间相互组合而成的热电偶的热电动势可直接计算。例如：热端为100℃，冷端为0℃时，镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为2.95mV，考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为-4.0mV；则镍铬和考铜组合成的热电偶所产生的热电动势：2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV用于制造铂热电偶的各种铂热电偶丝2024/5/1830三、热电偶冷端温度补偿热电效应的原理可知，热电偶产生的热电动势与两端温度有关。只有将冷端的温度恒定，热电动势才是热端温度的单值函数。必要性：1、用热电偶的分度表查毫伏数-温度时，必须满足t0=0

C的条件。在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化，这样t0不但不是0

C，而且也不恒定，因此将产生误差。2、一般情况下，冷端温度均高于0

C，热电势总是偏小。应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失。2024/5/1831A、冷端冰浴法（0℃恒温器）将热电偶的冷端置于温度为0℃的恒温器内(如冰水混合物)，使冷端温度处于0℃。这种装置通常用于实验室或精密的温度测量。在冰杯中，冰水混合物的温度能较长时间地保持在0

C不变。2024/5/1832B、冷端恒温法将热电偶的冷端置于各种恒温器内，使之保持温度恒定，避免由于环境温度的波动而引入误差。这类恒温器可以是盛有变压器油的容器，利用变压器油的热惰性恒温；也可以是电加热的恒温器。这类恒温器的温度不为0℃，故最后还需对热电偶进行冷端温度修正。1—被测流体管道2—热电偶3—接线盒4—补偿导线5—铜质导线6—毫伏表7—恒温器8—混合物9—试管10—新冷端2024/5/1833冷端温度的修正计算当热电偶的冷端温度t0≠0℃时，由于热端与冷端的温差随冷端的变化而变化，所以测得的热电势EAB（t，t0）与冷端为0℃时所测得的热电势EAB（t，0℃）不等。若冷端温度高于0℃，则EAB（t，t0）<EAB（t，0℃）。下式计算并修正测量误差：EAB（t，0）=EAB（t，t0）+EAB（t0，0）EAB(t，0)为热电偶热端温度为t，冷端温度为0℃时的热电动势；EAB(t，t0)为热电偶热端温度为t，冷端温度为t0时的热电动势；EAB(t0，0)为热电偶热端温度为t0，冷端温度为0℃时的热电动势。2024/5/1834例：用镍铬-镍硅热电偶测炉温，当冷端温度为30℃(且为恒定时)，测出热端温度为t时的热电动势为39.17mV，求炉子的真实温度。2024/5/1835由镍铬-镍硅热电偶分度表查出E(30，0)=1.203mV根据公式计算出再通过分度表查出其对应的实际温度为：t=977℃2024/5/1836C机械调零法在精度要求不高的场合，可将动圈仪表的机械零点调至热电偶冷端所处的温度T0处。2024/5/1837电桥补偿法电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值，可购买与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥。XT-WBC热电偶端补偿器2024/5/1838（一）补偿导线法采用相对廉价的补偿导线，可延长热电偶的冷端，使之远离高温区；可节约大量贵金属；易弯曲，便于敷设。所谓补偿导线：实际上是一对材料化学成分不同的导线，在0～100℃温度范围内与配接的热电偶有一致的热电特性，但价格相对要便宜。若利用补偿导线，将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所(如仪表室)，其实质是相当于将热电极延长。2024/5/1839补偿导线型号书p70表4－32024/5/1840补偿导线外形A’B’屏蔽层保护层2024/5/1841在使用延长线时的应注意以下几方面：

①各种延长线只能与相应型号的热电偶配用，而且必须在规定的温度范围内使用；②注意极性，不能接反，否则会造成更大的误差；③延长线与热电偶连接的两个结点，其温度必须相同。2024/5/1842第三节热电偶的种类及结构

八种国际通用热电偶：

B:铂铑30—铂铑6

、R:铂铑13—铂、S:铂铑10—铂、

K:镍铬—镍硅、N:镍铬硅—镍硅、E:镍铬—铜镍、J:铁—铜镍、

T:铜—铜镍

用于制造铂热电偶的各种铂热电偶丝几种常用热电偶的测温范围及热电势

分度号

名称

测量温度范围

1000

C热电势/mVB铂铑30－铂铑650～1820

C4.834R铂铑13—铂-50～1768

C10.506S铂铑10—铂-50～1768

C9.587K镍铬－镍铬

(铝)-270～1370

C41.276E镍铬－铜镍(康铜)－270～800

C——?5种热电偶的测温范围与热电势各有什么特点？热电偶的分度表

——热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法

我国从1991年开始采用国际计量委员会规定的“1990年国际温标”（简称ITS-90）的新标准。按此标准，制定了相应的分度表，并且有相应的线性化集成电路与之对应。

直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是：自由端（冷端）温度必须为0

C。

本教材p41的表4－1列出了工业中常用的热电偶如镍铬-镍硅（K）的分度表。2024/5/1845普通装配型热电偶的外形安装螺纹安装法兰2024/5/1846普通装配型热电偶的

结构放大图