热电偶工作原理课件

2020/7/12
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1.1 热电效应
两种不同的导体或半导体A和B组合成如图所示闭合回路。若导体A
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
和B的连接处温度不同（设T＞T0），则在此闭合回路中就有电流产 生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。
热电效应又称塞贝克效应。
T＞T0
I
热电偶是利用导体的“热电效应”制作的温度传器器。 回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即 温差电势和接触电势。
课程内容 Course Contents
1.1 热电效应 1.2 热电偶的热电势 1.3 热电偶回路的性质 1.4 热电偶测量电路 1.5 热电偶冷端补偿
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1.2 热电偶的热电势
T0
T0
冷端 A
B
热端
T
热电极
两根不同的导体 或半导体一端焊 接或绞接而成
1.2 热电偶的热电势
1） 接触电势
1.5 热电偶的冷端补偿
2.计算修正法 用普通室温计算出参比端实际温度TH，利用公式计算
EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0) 例 用铜-康铜热电偶测某一温度T，参比端在室温环境TH中，测得热电 动 势 EAB(T ， TH)=1.999mV ， 又 用 室 温 计 测 出 TH=21℃, 查 分 度 表 可 知 ， EAB(21,0)=0.832mV，故
EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，T0) =1.999+0.832=2.831(mV)
再次查分度表，与2.831mV对应的热端温度T=68℃。
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eAB (T )
kT e
ln
NA NB
eAB(T)——导体A、B结点在温度T 时形成的接触电动势； e——单位电荷， e =1.6×10-19C； k——波尔兹曼常数， k =1.38×10-23 J/K ； NA、NB ——导体A、B在温度为T 时的电子密度。
接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关，温度越高，接触 电势越大；两种导体电子密度的比值越大，接触电势也越大。
结论：可以在回路中接入电气测量仪表，而且也允许采用任意的方法来焊接热电偶。
1.3 热电偶回路的性质
结论：
热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细 无关。(同材同温总电势为0) 只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热电偶；相同材料不会产生热电势，因 为当A、B两种导体是同一种材料时，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。 只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生。
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1.3 热电偶回路的性质
（1) 均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体是否存在温度梯度，回路中没 有电流(即不产生电动势)；反之，如果有电流流动，此材料则一定是非均质 的，即热电偶必须采用两种不同材料作为电极。 （2) 中间导体定律 一个由几种不同导体材料连接成的闭合回路，只要它们彼此连接的接点温度 相同，则此回路各接点产生的热电势的代数和为零,如图由A、B、C三种材料 组成的闭合回路，则 E总=EAB（T）+EBC（T）+ECA（T）= 0
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1.4 热电偶测量电路
1)测量单点温度的基本测温线路 2) 测量两点之间温差的测温线路
热电偶
连接导线 显示仪表
1.4 热电偶测量电路
3) 测量平均温度的测温线路
4) 若干热电偶共用一台仪表的测量线路
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1.1 热电效应 1.2 热电偶的热电势 1.3 热电偶回路的性质 1.4 热电偶测量电路 1.5 热电偶冷端补偿
1.2 热电偶的热电势
1）温差电势
T
eA (T ,T0 ) T0 AdT
To A
eA(T，T0)——导体A两端温度为T、T0时 形成的温差电动势； T
T，T0——高低端的绝对温度； σA——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，
例如在0℃时，铜的σ =2μV/℃。
eA(T,To)
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1.5 热电偶的冷端补偿
1. 热电偶的冷端处理与温度补偿
热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输出热电势是被测 温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定；
热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0℃为依据，否则会产生误差。
方法： 冰点槽法
计算修正法 补正系数法 零点迁移法 冷端补偿器法 软件处理法
e
N BT
kT0 ln N AT0
e
N BT0
T
T0 ( A B )dT
NAT、NAT0——导体A在结点温度为T和T0时的电子密度； NBT、NBT0——导体B在结点温度为T和T0时的电子密度； σA 、 σB——导体A和B的汤姆逊系数。
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1.1 热电效应 1.2 热电偶的热电势 1.3 热电偶回路的性质 1.4 热电偶测量电路 1.5 热电偶冷端补偿
1.2 热电偶的热电势
3）回路总电势
由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0,如果T＞T0， 则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：
E AB (T ,T0 ) eAB (T ) eAB (T0 ) eA (T ,T0 ) eB (T ,T0 )
kT ln N AT
材料确定后，热电势大小只与热电偶两端温度有关。如使EAB(T0)=常数，则回路热电 势EAB(T，T0)就只与温度T有关，而且是T的单值函数。
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1.1 热电效应 1.2 热电偶的热电势 1.3 热电偶回路的性质 1.4 热电偶测量电路 1.5 热电偶冷端补偿
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热电偶工作原理
Thermocouple principle
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1.1 热电效应 1.2 热电偶的热电势 1.3 热电偶回路的性质 1.4 热电偶测量电路 1.5 热电偶冷端补偿
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1.1 热电效应 1.2 热电偶的热电势 1.3 热电偶回路的性质 1.4 热电偶测量电路 1.5 热电偶的冷端补偿