热电偶基础知识介绍

2020/6/11
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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
A
作端、热端）
热电势
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。
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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 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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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。
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。
EAB (t,t0)kett0lnN NA AttdT0
EA（t，t0）=UAt-UAt0
E A(t,t0)U A tU A0tk ett0N 1 Ad t (N dA,ttt)d T
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？
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（三）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。
t EAB(t)
k e
t
t0
ln
NAt NBt
dT
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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：
EA(,பைடு நூலகம்t,t0)
A(+)
t0 EAB(t0)
B(-)
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：
EAB（t，t0）= EAB（t）-EAB（t0）
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。
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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。
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！
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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(Bt0,)f(-tf)(0)t
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)
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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 “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。
➢ 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。
A
＋
T
自 由 B电 子
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eAB(T)
EAB(t)ketlnN NBAtt
k：波尔兹曼常数；
e：单位电荷电量；
NAT、NBT：温度为T时,导体A、B的 自由电子密度。
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（二）温差电动势
温度的影响
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。
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。
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。
本教材p366的附录列出了工业中常用的分度表
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二、有关热电偶的几点结论 规定：ＥAB(t,t0)的含义，按位置顺序
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。
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（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：