第二章-热电偶原理
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反应性气 体进口
电加热片 加热炉外罩 样品温度传感器
炉温传感器
测试炉样品室 开关电动机
清洁气体或 抽真空口
14
热电偶的缺点
• 热电偶受测温现场环境气氛的限制 • 测温精度难于达到土0.1％以上 • 参考端温度要恒定(如在0℃)，若偏离参考温度，必须
进行补偿，或使用补偿导线，从而增加经费． • 在高温下使用或长期工作时，由于热电势不稳定，将
Seebeck效应
部分用Cu部分用Bi的电路来研究奥斯特的实验 没加电流时磁针偏转 热磁效应 热电效应－奥斯特
热电偶的由来（2）
• 由A.C. Becquerel 于1823年把热电效应应用于测温实 践，“相加定律”
• Pouillet研制了Pt-Fe热电偶 • Le Chatelier开发了真正适用的高温计PtRh 10-Pt
产生示值漂移，需要进行定期检定或修正
均质回路定律
用一种均匀的金属导体构成的回路，单靠局部加热或冷 却或改变其横截面积的方法绝不能在其中保持电流
中间金属定律
如果回路的所有部分都处于同一均匀的温度，则由任何 多种不同导体构成的回路中的热电动势之代数和为零
参考电极定律
中间温度定律
为制定热电偶的热电势－温度关系分度表奠定理论基础 为工业测温中应用补偿导线提供了理论依据
热电偶种类（1）
• 铂铑10－铂热电偶(s型热电偶)
– 准确度最高,稳定性最好,测温温区宽,使用寿命长， 1300/1600
– 热电势率较小，灵敏度低，抗污染性差，价格昂贵
• 铂铑13－铂热电偶(R型热电偶)
– 与S型热电偶性能相当 – 主要用于进口设备上测温
• 铂铑30－铂铑6电偶(B型热电偶)
– 银凝固点(961.78℃)以上的温区, 按普朗克辐射定律来定义的,复 现仪器为光学高温计
温度测定方法的分类
• 接触式测温
– 膨胀式温度计，测温范围为-200～600 ℃，就地测量 – 压力表式温度计，测温范围为-0～600 ℃，近距离 – 热电阻温度计，测温范围为-200~960℃，远距离 – 热电偶温度计，测温范围宽，远距离
热电偶测温技术
课程纲要
• 温度测定方法概述 • 热电偶的背景及特点 • 热电偶三大定律 • 热电偶种类及结构 • 热电偶的补偿导线及二次仪表 • 热电偶使用时误差 • 热电偶的具体应用
ITS-90国际实用温标
• 温度单位热力学温度（符号为T）的单位为开尔文（符 号为K），定义为水三相点的热力学温度的1/273.16
• 非接触式测温
– 光学辐射式高温计 – 红外辐射仪，适于测量较低温度
温度计的选择原则
• 使用温度范围、准确度等级及测量误差是否能达 到要求
• 响应速度、互换性及可取性如何 • 读数、记录、控制、报警等操作是否方便 • 使用寿命，耐热、耐蚀、抗震性能如何 • 价格高低
热电偶的由来（1）
• 1819年哥本哈根的H.C. Oersted电变磁现象 • 法拉第在其后用了十年时间发现了磁变电现象 • 热电效应由德国医生T. J. Seebeck于1821年发现
• 测温范围广，如E型等热电偶可测-200~700℃，而S、R型 热电偶可测从0~1600℃．
• 可以测量小物体的温度分布甚至点温。可以测量表面温度、 高速过程的瞬变温度，其最大特点是可以测量温差。
气体出口 (偶联接口)
反应性气
体出口
石英炉套
隔热挡板
恒温天平室
天平室保护性气体进口
样品盘
平行支架超微量或Hale Waihona Puke Baidu量天平
热电偶的发展（1）
• 1821～第一次世界大战 • 采用的配对法：将感兴趣的待试材料直接配成热
电偶，实验测定该热电偶的热电势特性。多年来 实测了近300种热电材料组合的热电特性。 • 热电温度计制造厂生产的二次仪表也开始建立了 统一的分度表 • 对材料提出了控制质量，符合一定规范的要求， 引起对材料性能研究的重视。
热电偶的发展（2）
• 第一次世界大战后40年 • 对材料热电性能的研究的重视，对金属和合金热
电性理论的研究在出现了空前的热潮。 • 比较法：选择一种热电性能稳定，化学性能好的
材料作标准电极．各种被试材料分别与标准电极 组成热电偶，测定这些热电偶的热电势－温度特 性曲线。 • 1958年，美国标准局正式推荐用此法作为热电偶 材料试验的标准方法。
– 与S型热电偶性能相当 – 测温上限高，可达1600/1800. 参考端通常不用补偿导
线补偿
热电偶种类（2）
• 镍铬－镍硅热电偶(K型热电偶)
– 价格便宜，用量最大，其用量为其他热电偶的总和 – 线性度好、热电势大、灵敏度高，稳定性和均匀性较
好
• 镍铬硅－镍硅热电偶(N型热电偶)
– 与K型性能相当，某些方面由于K型
热电偶的特点
• 可将温度直接转换成电信号，测量调节控制放大和变换都 很容易进行，既有利于远距离传送，便于集中管理，又很 适合就地自动控制和电子计算机处理。
• 价格低廉，国际标准化的产品容易获得，结构简单，使用 方便，安装、维修、保养都很方便。
• 测温精度较高，经单支分度可达0.1℃。工业月S型和R型 热电偶的精度可达0.1%t(t为校测温度)。
• 镍铬－铜镍（康铜）热电偶(E型热电偶)
• 国际温标ITS-90的通则 ITS-90由0.65K向上到普朗克辐 射定律使用单色辐射实际可测量的最高温度
• 四个温区
– 第一温区为0.65K到5.00K之间, 由3He和4He的蒸气压与温度的 关系式来定义。
– 第二温区为3.0K到氖三相点(24.5661K)之间，用氦气体温度计 来定义.
– 第三温区为平衡氢三相点(13.8033K)到银的凝固点(961.78℃)之 间, 由铂电阻温度计来定义.
热电偶的发展（3）
• 60年代至今 • 对材料热电性能和测试方法十分重视，在发展新型热电偶
材料方面取得了不少成绩．铠装热电偶材料得到普遍推广 使用，产品规格和性能试验多已标准化． • 分析法：以现代热电理论为指导，综合冶金、物理、化学 的理论与经验规律来进行热电偶合金的性能研究和综合设 计。 • 国际比对试验结果：Pt Rh－Pt标准热电偶复现温标的精度 远低于高温铂电阻．故在1990年修订国际实用温标时，热 电偶不再被当作温标的标推仪器使用，代之以标推高温铂 电阻温度计。
电加热片 加热炉外罩 样品温度传感器
炉温传感器
测试炉样品室 开关电动机
清洁气体或 抽真空口
14
热电偶的缺点
• 热电偶受测温现场环境气氛的限制 • 测温精度难于达到土0.1％以上 • 参考端温度要恒定(如在0℃)，若偏离参考温度，必须
进行补偿，或使用补偿导线，从而增加经费． • 在高温下使用或长期工作时，由于热电势不稳定，将
Seebeck效应
部分用Cu部分用Bi的电路来研究奥斯特的实验 没加电流时磁针偏转 热磁效应 热电效应－奥斯特
热电偶的由来（2）
• 由A.C. Becquerel 于1823年把热电效应应用于测温实 践，“相加定律”
• Pouillet研制了Pt-Fe热电偶 • Le Chatelier开发了真正适用的高温计PtRh 10-Pt
产生示值漂移，需要进行定期检定或修正
均质回路定律
用一种均匀的金属导体构成的回路，单靠局部加热或冷 却或改变其横截面积的方法绝不能在其中保持电流
中间金属定律
如果回路的所有部分都处于同一均匀的温度，则由任何 多种不同导体构成的回路中的热电动势之代数和为零
参考电极定律
中间温度定律
为制定热电偶的热电势－温度关系分度表奠定理论基础 为工业测温中应用补偿导线提供了理论依据
热电偶种类（1）
• 铂铑10－铂热电偶(s型热电偶)
– 准确度最高,稳定性最好,测温温区宽,使用寿命长， 1300/1600
– 热电势率较小，灵敏度低，抗污染性差，价格昂贵
• 铂铑13－铂热电偶(R型热电偶)
– 与S型热电偶性能相当 – 主要用于进口设备上测温
• 铂铑30－铂铑6电偶(B型热电偶)
– 银凝固点(961.78℃)以上的温区, 按普朗克辐射定律来定义的,复 现仪器为光学高温计
温度测定方法的分类
• 接触式测温
– 膨胀式温度计，测温范围为-200～600 ℃，就地测量 – 压力表式温度计，测温范围为-0～600 ℃，近距离 – 热电阻温度计，测温范围为-200~960℃，远距离 – 热电偶温度计，测温范围宽，远距离
热电偶测温技术
课程纲要
• 温度测定方法概述 • 热电偶的背景及特点 • 热电偶三大定律 • 热电偶种类及结构 • 热电偶的补偿导线及二次仪表 • 热电偶使用时误差 • 热电偶的具体应用
ITS-90国际实用温标
• 温度单位热力学温度（符号为T）的单位为开尔文（符 号为K），定义为水三相点的热力学温度的1/273.16
• 非接触式测温
– 光学辐射式高温计 – 红外辐射仪，适于测量较低温度
温度计的选择原则
• 使用温度范围、准确度等级及测量误差是否能达 到要求
• 响应速度、互换性及可取性如何 • 读数、记录、控制、报警等操作是否方便 • 使用寿命，耐热、耐蚀、抗震性能如何 • 价格高低
热电偶的由来（1）
• 1819年哥本哈根的H.C. Oersted电变磁现象 • 法拉第在其后用了十年时间发现了磁变电现象 • 热电效应由德国医生T. J. Seebeck于1821年发现
• 测温范围广，如E型等热电偶可测-200~700℃，而S、R型 热电偶可测从0~1600℃．
• 可以测量小物体的温度分布甚至点温。可以测量表面温度、 高速过程的瞬变温度，其最大特点是可以测量温差。
气体出口 (偶联接口)
反应性气
体出口
石英炉套
隔热挡板
恒温天平室
天平室保护性气体进口
样品盘
平行支架超微量或Hale Waihona Puke Baidu量天平
热电偶的发展（1）
• 1821～第一次世界大战 • 采用的配对法：将感兴趣的待试材料直接配成热
电偶，实验测定该热电偶的热电势特性。多年来 实测了近300种热电材料组合的热电特性。 • 热电温度计制造厂生产的二次仪表也开始建立了 统一的分度表 • 对材料提出了控制质量，符合一定规范的要求， 引起对材料性能研究的重视。
热电偶的发展（2）
• 第一次世界大战后40年 • 对材料热电性能的研究的重视，对金属和合金热
电性理论的研究在出现了空前的热潮。 • 比较法：选择一种热电性能稳定，化学性能好的
材料作标准电极．各种被试材料分别与标准电极 组成热电偶，测定这些热电偶的热电势－温度特 性曲线。 • 1958年，美国标准局正式推荐用此法作为热电偶 材料试验的标准方法。
– 与S型热电偶性能相当 – 测温上限高，可达1600/1800. 参考端通常不用补偿导
线补偿
热电偶种类（2）
• 镍铬－镍硅热电偶(K型热电偶)
– 价格便宜，用量最大，其用量为其他热电偶的总和 – 线性度好、热电势大、灵敏度高，稳定性和均匀性较
好
• 镍铬硅－镍硅热电偶(N型热电偶)
– 与K型性能相当，某些方面由于K型
热电偶的特点
• 可将温度直接转换成电信号，测量调节控制放大和变换都 很容易进行，既有利于远距离传送，便于集中管理，又很 适合就地自动控制和电子计算机处理。
• 价格低廉，国际标准化的产品容易获得，结构简单，使用 方便，安装、维修、保养都很方便。
• 测温精度较高，经单支分度可达0.1℃。工业月S型和R型 热电偶的精度可达0.1%t(t为校测温度)。
• 镍铬－铜镍（康铜）热电偶(E型热电偶)
• 国际温标ITS-90的通则 ITS-90由0.65K向上到普朗克辐 射定律使用单色辐射实际可测量的最高温度
• 四个温区
– 第一温区为0.65K到5.00K之间, 由3He和4He的蒸气压与温度的 关系式来定义。
– 第二温区为3.0K到氖三相点(24.5661K)之间，用氦气体温度计 来定义.
– 第三温区为平衡氢三相点(13.8033K)到银的凝固点(961.78℃)之 间, 由铂电阻温度计来定义.
热电偶的发展（3）
• 60年代至今 • 对材料热电性能和测试方法十分重视，在发展新型热电偶
材料方面取得了不少成绩．铠装热电偶材料得到普遍推广 使用，产品规格和性能试验多已标准化． • 分析法：以现代热电理论为指导，综合冶金、物理、化学 的理论与经验规律来进行热电偶合金的性能研究和综合设 计。 • 国际比对试验结果：Pt Rh－Pt标准热电偶复现温标的精度 远低于高温铂电阻．故在1990年修订国际实用温标时，热 电偶不再被当作温标的标推仪器使用，代之以标推高温铂 电阻温度计。