热电偶基础知识介绍
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2016/10/27 第四章 非电量的电测技术 14
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。 M M
用于制造铂热电偶 的各种铂热电偶丝
2016/10/27 第四章 非电量的电测技术 17
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=0C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0C，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0C，热电势总是偏 小。应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失 。
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南针发生偏转（说明什 么？），如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指 南针的偏转角反而减小（又说明什么？）。
显然，指南针的偏转说明回路中有电动势产生并有电
2016/10/27 第四章 非电量的电测技术 6
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：
EA（t，t0）=UAt-UAt0
E A (t , t0 ) U At U At 0
考虑：如果同一导体各点温度相同，即t＝t0，则回路总电 动势必为零？
2016/10/27 第四章 非电量的电测技术 7
k t 1 d ( N At , t ) dT e t 0 N At dt
（三）热电偶回路的热电势
本教材p366的附录列出了工业中常用的分度表
2016/10/27
第四章 非电量的电测技术
10
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)
热电偶传感器介绍
在工业生产过程中，温度是需要测量和控制的重要参
数之一。在温度测量中，热电偶的应用极为广泛，它 具有结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯 性小和输出信号便于远传等许多优点,在温度测量中 占有重要的地位。其测温范围较宽，一般为-50～ 1600℃，最高的可达到3000℃。 另外，由于热电偶是一种有源传感器，测量时不需外 加电源，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。
t
+ +
EAC (t,t 0 ) EAC (t)- EAC (t0 )
EBC (t,t 0 ) EBC (t)- EBC (t0 )
t
+
t
那么，导体A与B组成的热电偶，其 热电动势可由下式求得：
B
A
C B
C A
E AB (t,t 0 ) E AC (t,t 0 ) - E BC (t,t 0 )
EAB（t，t0）= EAB（t）-EAB（t0）
2016/10/27 第四章 非电量的电测技术
N At k ln dT e t 0 N Bt
8
EAB（t，t0）= EAB（t）-EAB（t0）
综上所述，如下结论： 1. 热电偶回路中热电动势的大小，与组成热电偶的导
体材料和两接点的温度有关，而与热电偶的形状尺 寸无关。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：
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。
2016/10/27
E AB (t, t 0 ) f(t) - f(t 0 )
2. 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,t0)=EAB(t)-C=φ (t)
第四章 非电量的电测技术 9
2016/10/27
（四）实际应用
我国从1991年开始采用国际计量委员会规定的
2016/10/27
第四章 非电量的电测技术
1
一、 热电偶的测温原理 先看一个实验——热电偶工作原理演示
热电极A 左端称为： 测量端（工 作端、热端） 热电势 A 热电极B
右端称为： 自由端 （参考端、 冷端）
B
结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。
2016/10/27 第四章 非电量的电测技术 2
5）中间导体定律
电势亦为零。
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？
+A
t0 C t0
中间导体定律：在热电偶测
t B
2016/10/27
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。
第四章 非电量的电测技术 13
kt NAt E AB (t ) ln e NBt
k：波尔兹曼常数； e：单位电荷电量；
T
B
NAT 、 NBT ：温度为 T 时 , 导体 A 、 B 的自由电子密度。
第四章 非电量的电测技术 5
2016/10/27
（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。 温度的影响 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！
2016/10/27
第四章 非电量的电测技术
19
补偿导线型号
书p70
2016/10/27
表4－3
第四章 非电量的电测技术 20
补偿导线外形
A’ B’
屏蔽层 保护层
2016/10/27
第四章 非电量的电测技术
21
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
∵温差电动 势只占极小 部分
12
2016/10/27
第四章 非电量的电测技术
3）如果热电偶两结点温度相等t=t0，热电偶回路内的总
k t N At E AB (t , t0 ) ln dT 0 e t 0 N Bt 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。
流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。
2016/10/27
第四章 非电量的电测技术
3
通过以上演示得出结论——有关热电偶热电势的讨论
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。 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。
t0
2016/10/27
t0
t0
第四章 非电量的电测技术 16
应用：标准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
2016/10/27 第四章 非电量的电测技术 18
（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。
2016/10/27
第四章 非电量的电测技术
4
（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：
A ＋ eAB(T) 自 由 电 子
热电偶回路中总的热电势应是接触电势与温差电势之
和。
EA(t,t0)
A(+)
,
t EAB(t)
B(-)
t0 EAB(t0)
EB(t,t0) t>t0,NA>NB
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： t
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。即
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。
T 0 A
2016/10/27
连 接 B 金 属 壁 面
第四章 非电量的电测技术
热 电
15
液 态
6）标准电极定律
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。
Baidu Nhomakorabea
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
“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。 目前热电偶统一规定在T0=0℃的条件下，给出测量 端温度与热电势的数值对照表，即分度表自由端（约 束条件：冷端温度必须为0 ℃ ）。实际测温时，根 据测出的热电势可通过查对应的分度表，查得所测的 温度值。
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。
利用热电偶作为传感器来检测温度时，必须在热电偶回路中引入显示或记录仪表， 并用连接导线将它们连接起来，因此必须掌握下面的基本定律，以保证能够正确 的选择和使用热电偶。
2016/10/27 第四章 非电量的电测技术 11
1）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。
k t N At E AB (t , t0 ) ln dT 0 e t 0 N At
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。 M M
用于制造铂热电偶 的各种铂热电偶丝
2016/10/27 第四章 非电量的电测技术 17
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=0C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0C，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0C，热电势总是偏 小。应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失 。
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南针发生偏转（说明什 么？），如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指 南针的偏转角反而减小（又说明什么？）。
显然，指南针的偏转说明回路中有电动势产生并有电
2016/10/27 第四章 非电量的电测技术 6
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：
EA（t，t0）=UAt-UAt0
E A (t , t0 ) U At U At 0
考虑：如果同一导体各点温度相同，即t＝t0，则回路总电 动势必为零？
2016/10/27 第四章 非电量的电测技术 7
k t 1 d ( N At , t ) dT e t 0 N At dt
（三）热电偶回路的热电势
本教材p366的附录列出了工业中常用的分度表
2016/10/27
第四章 非电量的电测技术
10
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)
热电偶传感器介绍
在工业生产过程中，温度是需要测量和控制的重要参
数之一。在温度测量中，热电偶的应用极为广泛，它 具有结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯 性小和输出信号便于远传等许多优点,在温度测量中 占有重要的地位。其测温范围较宽，一般为-50～ 1600℃，最高的可达到3000℃。 另外，由于热电偶是一种有源传感器，测量时不需外 加电源，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。
t
+ +
EAC (t,t 0 ) EAC (t)- EAC (t0 )
EBC (t,t 0 ) EBC (t)- EBC (t0 )
t
+
t
那么，导体A与B组成的热电偶，其 热电动势可由下式求得：
B
A
C B
C A
E AB (t,t 0 ) E AC (t,t 0 ) - E BC (t,t 0 )
EAB（t，t0）= EAB（t）-EAB（t0）
2016/10/27 第四章 非电量的电测技术
N At k ln dT e t 0 N Bt
8
EAB（t，t0）= EAB（t）-EAB（t0）
综上所述，如下结论： 1. 热电偶回路中热电动势的大小，与组成热电偶的导
体材料和两接点的温度有关，而与热电偶的形状尺 寸无关。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：
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。
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E AB (t, t 0 ) f(t) - f(t 0 )
2. 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,t0)=EAB(t)-C=φ (t)
第四章 非电量的电测技术 9
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（四）实际应用
我国从1991年开始采用国际计量委员会规定的
2016/10/27
第四章 非电量的电测技术
1
一、 热电偶的测温原理 先看一个实验——热电偶工作原理演示
热电极A 左端称为： 测量端（工 作端、热端） 热电势 A 热电极B
右端称为： 自由端 （参考端、 冷端）
B
结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。
2016/10/27 第四章 非电量的电测技术 2
5）中间导体定律
电势亦为零。
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？
+A
t0 C t0
中间导体定律：在热电偶测
t B
2016/10/27
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。
第四章 非电量的电测技术 13
kt NAt E AB (t ) ln e NBt
k：波尔兹曼常数； e：单位电荷电量；
T
B
NAT 、 NBT ：温度为 T 时 , 导体 A 、 B 的自由电子密度。
第四章 非电量的电测技术 5
2016/10/27
（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。 温度的影响 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！
2016/10/27
第四章 非电量的电测技术
19
补偿导线型号
书p70
2016/10/27
表4－3
第四章 非电量的电测技术 20
补偿导线外形
A’ B’
屏蔽层 保护层
2016/10/27
第四章 非电量的电测技术
21
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
∵温差电动 势只占极小 部分
12
2016/10/27
第四章 非电量的电测技术
3）如果热电偶两结点温度相等t=t0，热电偶回路内的总
k t N At E AB (t , t0 ) ln dT 0 e t 0 N Bt 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。
流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。
2016/10/27
第四章 非电量的电测技术
3
通过以上演示得出结论——有关热电偶热电势的讨论
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。 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。
t0
2016/10/27
t0
t0
第四章 非电量的电测技术 16
应用：标准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
2016/10/27 第四章 非电量的电测技术 18
（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。
2016/10/27
第四章 非电量的电测技术
4
（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：
A ＋ eAB(T) 自 由 电 子
热电偶回路中总的热电势应是接触电势与温差电势之
和。
EA(t,t0)
A(+)
,
t EAB(t)
B(-)
t0 EAB(t0)
EB(t,t0) t>t0,NA>NB
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： t
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。即
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。
T 0 A
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连 接 B 金 属 壁 面
第四章 非电量的电测技术
热 电
15
液 态
6）标准电极定律
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。
Baidu Nhomakorabea
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
“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。 目前热电偶统一规定在T0=0℃的条件下，给出测量 端温度与热电势的数值对照表，即分度表自由端（约 束条件：冷端温度必须为0 ℃ ）。实际测温时，根 据测出的热电势可通过查对应的分度表，查得所测的 温度值。
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。
利用热电偶作为传感器来检测温度时，必须在热电偶回路中引入显示或记录仪表， 并用连接导线将它们连接起来，因此必须掌握下面的基本定律，以保证能够正确 的选择和使用热电偶。
2016/10/27 第四章 非电量的电测技术 11
1）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。
k t N At E AB (t , t0 ) ln dT 0 e t 0 N At