热电偶测温讲解

f AB (t0 )
对于给定热电偶，热电势是其两端温度函数之差。若其冷端温 度 t0 恒定，则 f (t0) 是定值。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。
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(4)热电极的极性
① 测量端失去电子的热电极为正极，得到电子的热电极 为负极。
②
E 符号
(t
AB
,
12
（三）常用热电偶测温系统
➢ 1. 热电偶信号传输到控制室 （1）采用普通铜导线
E EABt,t0 ' EA'B' t0 ',t0
若A´，B´为普通铜导线，则
E EABt,t0 '
A' t0 E E
B'
t0 '
现场
控制室
t0´为现场环境温度，不稳定，从而导致E与t的关系不唯一。
t0
)
中规定写在前面的A和t分别为正极和高
温，写在后面的B和t0分别为负极和低温。若它们的位置
互换，则热电势的极性就反相。
例：
E E AB(t, t0 ) AB(t0 , t)
E E (t BA
,
t0
)


(t
AB
,
t0
)
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（二）热电偶的基本定律
(1)匀质导体定律 匀质导体的回路不论各处温度分布如何都不会产生热电
（三）常用热电偶测温系统
➢ 1. 热电偶信号传输到控制室 （2）采用补偿导线
E EABt,t0 ' EA'B' t0 ',t0
t0 '
若A’、B’ 的热电特性与A、B热 电特性在t0’~t0范围内相似，则
EA'B' (t0 ', t0 ) EAB t0 ', t0
E EABt, t0
此热电偶热端为t、冷端为tn ，及同一热电偶热端为tn 、冷
端为t0时热A电势tn的代A 数和。
A
A
t
作用：
t0 = t
tn
B tn B
B
EAB (t,t0 ) EAB (t,tn ) EAB (tn ,t0 )
t0
B
中间温度定律是制定热电偶分度表的理论基础。由于热电偶分 度表都是以冷端温度为0 ℃时做出的，但一般工程测量中冷端 都不为0 ℃ ，因此，只要测出热端与冷端时的热电势，便可利 用中间温度定律求出热端温度。
1000 41.2756 41.6649 42.0531 42.4403 42.8263 43.2112 43.5951 43.9777 44.3593 44.7396 44.9293 45.1187
1100 45.1187 45.4966 45.8733 46.2487 46.6227 46.9955 47.3668 47.7368 48.1054 48.4726 48.6556 48.8382
1200 48.8382 49.2024 49.5651 49.9263 50.2858 50.6439 51.0003 51.3552 51.7085 52.0602 52.2354 52.4103
1300 52.4103 52.7588 53.1058 53.4512 53.7952 54.1377 54.4788 54.8186
热电偶的分度表
——热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法 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。
直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系 时的约束条件是：自由端（冷端）温度必须为0 C。
三、热电偶测温仪表
基于热电效应原理的测温仪表。
➢ 组成
2
热电偶 1
3
连接导线 2
2 t0
显示仪表 3 1
1
t 广泛应用于生产和研究领域：
✓ 测温精度高、性能稳定； ✓ 结构简单，易于制造，产品互换性好； ✓ 便于信号远传和实现多点切换； ✓ 测温范围广，可达-200~2000℃； ✓ 形式多样，适用于各种测温条件。
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K型（镍铬－镍硅）热电偶分度表（ITS-90）
温度单位：℃ 电压单位：mV 参考温度点（自由端温度）：0℃(冰点)
温度
0
-10
-20
-30
-40
-50
-60
-70
-80
-90
-95
-100
-200 -5.8914 -6.0346 -6.1584 -6.2618 -6.3438 -6.4036 -6.4411 -6.4577
e-单位电荷,e=4.802×10－10 NA,NB-电子密度
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(2)温差电势
由于同一根导体中电子从高温端向低温端迁移而引起 的电动势，只与导体材料性质和两端温度有关， 记作 eA(t, t0)= eA(t)- eA(t0)。
eA (t,t0)
热端 +++
t
t>t0
冷端 t0
温差电势原理图
5
(3)热电势公式推导：
7.34
7.7391 7.9387 8.1385
200
8.1385 8.5386 8.9399 9.3427 9.7472 10.1534 10.5613 10.9709 11.3821 11.7947 12.0015 12.2086
300 12.2086 12.6236 13.0396 13.4566 13.8745 14.2931 14.7126 15.1327 15.5536 15.975 16.186 16.3971
T0 B
T1
(b) T2
C2 3
EAB
A
T1
T0
B
9
根据上述原理，可以在热电偶回路中接入电位计E，只要保 证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，就不会影响回路中 原来的热电势，接入的方式见下图所示。
E
T0
T0
T
T0
E
T1
T1 T
也允许采用不同方法来焊接热电偶。
(3)中间温度定律
热电偶回路中，热端温度为t、冷端为t0时的热电势，等于
600 24.9055 25.3303 25.7547 26.1786 26.602 27.0249 27.4471 27.8686 28.2895 28.7096 28.9194 29.129
700
29.129 29.5476 29.9653 30.3822 30.7983 31.2135 31.6277 32.041 32.4534 32.8649 33.0703 33.2754
400 16.3971 16.8198 17.2431 17.6669 18.0911 18.5158 18.9409 19.3663 19.7921 20.2181 20.4312 20.6443
500 20.6443 21.0706 21.4971 21.9236 22.35 22.7764 23.2027 23.6288 24.0547 24.4802 24.6929 24.9055
消因冷端温度变化引起的热电势的变化。
当冷端温度升高时， 热电势Ex逐渐减小， 电 桥中RCu增大，Uab随之 增大，若 Uab= Ex， 则UAB=Uab+Ex 不会随 冷端温度变化而变化。
(1)接触电势
由于两种不同导体的电子密度不同，从而在接点处发生 电子扩散而形成的电动势。它只与A、B导体的性质和接点处 温度有关，记作eAB(t)。
电子浓度NA>NB
A +++ NA
eAB(t)
t
B －－ －
NB
N (t) kt ln( A)
e AB
e
NB
k-波尔曼系数,k=1.38×10－23(J/℃)
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1.恒温法
把热电偶冷端置于人造恒温装置中。
(1)冰点槽
(2)电热式恒温箱
A
A’
C
T
B
B’
C’
热电偶 补偿导线
铜
试管
导
线
冰点槽
T0
冰水溶液
mV
仪 表
19
2.示值修正法
一般显示仪表的分度是在冷端温度恒定为 0 ℃条件下进 行的。若冷端温度 t0≠0℃时，示值不能正确反映被测温度， 需要修正。
机械零位调整法：预先把仪表的机械零件调整到冷端温度t0
可得热电势公式为：
EAB (t, t0 ) eAB (t) eAB (t0 ) eA (t, t0 ) eB (t, t0 )
根据电磁场理论得
eAB (t) eAB (t0 )
温差电势远小于接触电势
EAB
(t, t0 )

k e
t
ln
t0
N A dt NB

f AB (t)
温度
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
95
100
0
0
0.3969 0.7981 1.2033 1.6118 2.0231 2.4365 2.
4.0962 4.5091 4.9199 5.3284 5.7345 6.1383 6.5402 6.9406
(4)标准电极定律
两种金属构成热电偶的热电势，可以用这两种金属分 别与第三种金属构成的热电势之差来表示 ：
EAB (t,t0 ) EAC (t,t0 ) EBC (t,t0 )
t0
t0
t0
A B = A C －B
C
作用：
t
t
t
这里C称为标准电极。标准电极通常采用纯铂丝制成，因为 铂容易提纯，熔点高，性能稳定。标准电极定律使热电偶的 选配工作大为简化，只要知道一些材料与标准电极相配时的 热电势，就可求出任何两种材料配成热电偶的热电势。
A' t0 E E
B'
现场
控制室
t0在控制室内，温度稳定，则保证E与t的单值对应关系。
tn
补偿导线
t0
A2
A’
t 3
B
B’
补偿导线：是在一定的温度范围内（0-100℃或0-200℃）与所 接的热电偶热电性能相同的廉价金属丝。
补偿导线只是改变了冷端的位置，根据热电偶的基本定律， 利用接入的补偿导线，使冷端远离测温现场，并同测量仪表 一起放在恒温或温度波动较小的控制室里。
-100 -3.5536 -3.8523 -4.1382 -4.4106 -4.669 -4.9127 -5.1412 -5.354 -5.5503 -5.7297 -5.8128 -5.8914
0
0
-0.3919 -0.7775 -1.1561 -1.5269 -1.8894 -2.2428 -2.5866 -2.9201 -3.2427 -3.3996 -3.5536
三、热电偶测温仪表
（一）热电偶测温仪表工作原理 1.热电效应
热电偶的测温原理是以热电效应为基础的。两种不同材
料的导体A、B组成一个闭合回路，当回路两端接点t0、t 的 温度不相同时（假设t＞t0），回路中就会产生一定大小的电
势，形成电流，这个电流的大小与导体材料性质和接点温度 有关，这种原理称为热电效应。这种现象早在1821年首先由 西拜克（Seeback）发现,所以又称西拜克效应。
（四）热电偶冷端温度的影响及处理
热电偶的分度表所表征的是冷端温度为0℃时的热电势温度关系，与热电偶配套使用的显示仪表就是根据这一关系 进行刻度的。因此，尽管使用补偿导线可以把热电偶的冷端 延伸到温度易稳定的地方，但此时冷端温度可能还有变化， 或者不等于0℃，造成测量误差。因此，在实际应用中，必 须采取措施来保证冷端温度恒为0℃或补偿冷端温度不等于 0℃时带来的测量误差。 常用的冷端温度补偿方法有：恒温法、示值修正法、冷端温 度补偿电桥法等。
A
B
2
术语：
热电偶——两种不同材料的组合体称为热电偶； 热电极——构成热电偶的两种导体称为热电极； 测量端（工作端，热端）——插入被测介质中感受被测温度
的一端，如图中接点 t ； 参考端（自由端，冷端）——处于周围环境中的一端，如图
中接点t0。
测量端
参考端
3
2.热电势
热电势是接触电势和温差电势共同作用的结果。
800 33.2754 33.6849 34.0934 34.501 34.9075 35.3131 35.7177 36.1212 36.5238 36.9254 37.1258 37.3259
900 37.3259 37.7255 38.124 38.5215 38.918 39.3135 39.708 40.1015 40.4939 40.8853 41.0806 41.2756
势。 ✓热电偶必须由两个不同质的材料组成； ✓ 同一导体回路是否有热电势可用来判定导体是否匀 质。
(2)中间导体定律
由两种不同导体构成的热电偶回路中，接入第三种导体， 只要保持第三种导体两端温度相等，则对回路热电势没有影 响。
第三种材料 接入热电偶 回路图
A
(a) T2 a
2
T0 EAB a
T0
C 3A
处，相当预加电势E(t0, 0)，即 E(t,t0 ) E(t0, 0) E(t, 0)
计算修正法：假设冷端温度t0≠0℃，被测温度为t，有
tn
A2 t
B3
补偿导线 t0 A’
B’
E(t, 0) E(t,t0 ) E(t0, 0)
①实测 ②查表（修正量） ③
④查表得实际 t
3.冷端温度补偿电桥法 利用不平衡电桥产生的电压作为补偿电压，以抵