热电偶传感器及其应用
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② 如果热电偶两结点温度相等，热电偶回路内的总电 势亦为零。两结点温度不同。
③ 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。 ④ 起主要作用的是两个结点的接触电动势 。
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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； 2、测温范围广：下限可达-270C ，上限可达 1800C以上；
由于两种不同导体的自由电子密度不同，在接
触处会发生自由电子的扩散形成的电动势。
不同的金属材料其自 由电子的密度不同。
导体B则因获得
电子而带负电
设导体A、B的自由电
子密度为nA、nB， 若nA﹥nB
2020/4/27
导体A 因失去电
子而带正电
接触面处 形成电场
8
该电场的存在阻碍了电子的继续扩散，当电子扩散 达到动态平衡时，就在接触区形成一个稳定的电位 差，即接触电动势，其大小为：
第5章 热电偶传感器及其应用
本章学习的主要内容有: 1、理解热电偶的工作原理；
热电偶的分类及特点； 2、热电偶的冷端补偿和测温电路。 3、热电偶的应用及配套仪表。
2020/4/27
1
• 热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器。它 构造简单, 使用方便, 具有较高的准确度、稳 定性及复现性, 温度测量范围宽, 在温度测量 中占有重要的地位。
• 热电偶传感器是一种能将温度转换为电动势的 装置。
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§5.1 热电偶的工作原理
先看一个实验——热电偶工作原理演示：
热电极A
热电势
A
热电极B
B
结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。
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从实验到理论：热电效应
1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组 成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称 为结点），发现放在回路中的指针发生偏转（说明 什么？），如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热， 指针的偏转角反而减小（又说明什么？）。 显然，指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。
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在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要 第三种导体两端的温度相等，则对热电偶回路总 的热电动势无影响。
利用热电偶进行测温, 必须在回路中引入连接
导线和仪表。
A
t2
t1
mV
B
t2
C
请问：接入导线和仪表后会不会影响回路中的
热电势呢？
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2．参考电极定律（标准电极定律）
高温端的自由电子 具有较大的动能而 向低温端扩散。
低温端因获得 电子而带负电
高温端因失去 电子而带正电
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中间形成 电位差
10
上述运动就形成一个静电场，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 端便形成温差电动势, 其大小由下面公式给出：
T
eA T ,T0 T0 AdT
k T0 ln e
N AT 0 N BT 0
T T0
B A
dT
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在总热电势中, 温差电势比接触电势小很多, 在精度要求 不高的情况下, 热电偶的热电势可近似表示为：
ＥAB(T, T0) ≈eAB(T) -eAB(T0)
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：
eAB T
kT e
ln
nA nB
T —— 接触处的绝
对温度；
k ——波尔兹曼常数
（k = 1.38×1023J/K）
e ——电子电荷（e
= 1.6×10-19C）
接触电动势的数值取决于两种导体的性质和接 触点的温度，而与导体的形状及尺寸无关。
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3．同一导体中的温差电动势
在同一导体中，由于温度不同而产生的一种电动势。
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。
EAB t,t0 EAC t,t0 EBC t,t0
在实际应用中，由于 纯铂丝的物理化学性 能稳定、熔点高、易 提纯，所以目前常用 纯铂丝作为标准电极 (C极)。
参考电极
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一、工作原理
1．热电效应
将两种不同材料的导体串接成一个闭合回路。 如果两接合点的温度不同(T≠T0)，则在两者间 将产生电动势(热电势)，而在回路中就会有一 定大小的电流，这种现象称为热电效应或塞贝 克效应。
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左端称为：
测量端、 工作端、 热端。
热电极A
热电极B
wk.baidu.com
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二、 热电偶定律
1．中间导体定律
在热电偶回路中接入第三种材料的导线，只要 这第三种材料的导体两端温度相同，第三种材料 导线的引入不会影响热电偶的热电动势，这一性 质称为中间导体定律。
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eCA(T0)
eAB(T)
eBC(T0)
EABC(T,T0)=eAB(T)+eBC(T0)+eCA(T0) =eAB(T)-eAB(T0) =EAB(T,T0)
右端称为：
自由端、 参考端、 冷端。
两种不同材料的导体组成的回路称为“热电偶”， 组成热电偶的导体称为“热电极”。热电偶产生的 电势称为热电势。
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• 理论分析表明： 热电偶产生的热电动势是由两种导体的接触 电动势和单一导体温差电动势两部分组成。
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2．接触电动势
A ：汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为
1℃时所产生的温差电动势。
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热电偶回路中总的热电势应是接触电动势与温差电 动势之和：
接触电动势
温差电动势
EAB T ,T0 eAB T eAB T0 eB T ,T0 eA T ,T0
k T ln
e
N AT N BT
ＥAB(T, T0) =eAB(T)-C=f(T)
实际应用中, 热电势与温度之间关系是通过热电偶分度表来 确定的。分度表是在参考端温度为0℃时, 通过实验建立起来 的热电势与工作端温度之间的数值对应关系。
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热电偶回路的几点结论：
① 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。 必须采用两种不同的材料作为热电极。
③ 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。 ④ 起主要作用的是两个结点的接触电动势 。
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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； 2、测温范围广：下限可达-270C ，上限可达 1800C以上；
由于两种不同导体的自由电子密度不同，在接
触处会发生自由电子的扩散形成的电动势。
不同的金属材料其自 由电子的密度不同。
导体B则因获得
电子而带负电
设导体A、B的自由电
子密度为nA、nB， 若nA﹥nB
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导体A 因失去电
子而带正电
接触面处 形成电场
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该电场的存在阻碍了电子的继续扩散，当电子扩散 达到动态平衡时，就在接触区形成一个稳定的电位 差，即接触电动势，其大小为：
第5章 热电偶传感器及其应用
本章学习的主要内容有: 1、理解热电偶的工作原理；
热电偶的分类及特点； 2、热电偶的冷端补偿和测温电路。 3、热电偶的应用及配套仪表。
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• 热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器。它 构造简单, 使用方便, 具有较高的准确度、稳 定性及复现性, 温度测量范围宽, 在温度测量 中占有重要的地位。
• 热电偶传感器是一种能将温度转换为电动势的 装置。
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§5.1 热电偶的工作原理
先看一个实验——热电偶工作原理演示：
热电极A
热电势
A
热电极B
B
结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。
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从实验到理论：热电效应
1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组 成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称 为结点），发现放在回路中的指针发生偏转（说明 什么？），如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热， 指针的偏转角反而减小（又说明什么？）。 显然，指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。
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在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要 第三种导体两端的温度相等，则对热电偶回路总 的热电动势无影响。
利用热电偶进行测温, 必须在回路中引入连接
导线和仪表。
A
t2
t1
mV
B
t2
C
请问：接入导线和仪表后会不会影响回路中的
热电势呢？
2020/4/27
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2．参考电极定律（标准电极定律）
高温端的自由电子 具有较大的动能而 向低温端扩散。
低温端因获得 电子而带负电
高温端因失去 电子而带正电
2020/4/27
中间形成 电位差
10
上述运动就形成一个静电场，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 端便形成温差电动势, 其大小由下面公式给出：
T
eA T ,T0 T0 AdT
k T0 ln e
N AT 0 N BT 0
T T0
B A
dT
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在总热电势中, 温差电势比接触电势小很多, 在精度要求 不高的情况下, 热电偶的热电势可近似表示为：
ＥAB(T, T0) ≈eAB(T) -eAB(T0)
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：
eAB T
kT e
ln
nA nB
T —— 接触处的绝
对温度；
k ——波尔兹曼常数
（k = 1.38×1023J/K）
e ——电子电荷（e
= 1.6×10-19C）
接触电动势的数值取决于两种导体的性质和接 触点的温度，而与导体的形状及尺寸无关。
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3．同一导体中的温差电动势
在同一导体中，由于温度不同而产生的一种电动势。
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。
EAB t,t0 EAC t,t0 EBC t,t0
在实际应用中，由于 纯铂丝的物理化学性 能稳定、熔点高、易 提纯，所以目前常用 纯铂丝作为标准电极 (C极)。
参考电极
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一、工作原理
1．热电效应
将两种不同材料的导体串接成一个闭合回路。 如果两接合点的温度不同(T≠T0)，则在两者间 将产生电动势(热电势)，而在回路中就会有一 定大小的电流，这种现象称为热电效应或塞贝 克效应。
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5
左端称为：
测量端、 工作端、 热端。
热电极A
热电极B
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二、 热电偶定律
1．中间导体定律
在热电偶回路中接入第三种材料的导线，只要 这第三种材料的导体两端温度相同，第三种材料 导线的引入不会影响热电偶的热电动势，这一性 质称为中间导体定律。
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eCA(T0)
eAB(T)
eBC(T0)
EABC(T,T0)=eAB(T)+eBC(T0)+eCA(T0) =eAB(T)-eAB(T0) =EAB(T,T0)
右端称为：
自由端、 参考端、 冷端。
两种不同材料的导体组成的回路称为“热电偶”， 组成热电偶的导体称为“热电极”。热电偶产生的 电势称为热电势。
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• 理论分析表明： 热电偶产生的热电动势是由两种导体的接触 电动势和单一导体温差电动势两部分组成。
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2．接触电动势
A ：汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为
1℃时所产生的温差电动势。
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热电偶回路中总的热电势应是接触电动势与温差电 动势之和：
接触电动势
温差电动势
EAB T ,T0 eAB T eAB T0 eB T ,T0 eA T ,T0
k T ln
e
N AT N BT
ＥAB(T, T0) =eAB(T)-C=f(T)
实际应用中, 热电势与温度之间关系是通过热电偶分度表来 确定的。分度表是在参考端温度为0℃时, 通过实验建立起来 的热电势与工作端温度之间的数值对应关系。
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热电偶回路的几点结论：
① 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。 必须采用两种不同的材料作为热电极。