電子功能與元器件 熱電偶

3-3熱電偶電子科學(xué)與工程學(xué)院熱電偶的定義及特點(diǎn)

熱電偶是一種感溫元件，是一次儀表。它直接測(cè)量溫度，并把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào),通過(guò)電氣儀表（二次儀表）轉(zhuǎn)換成被測(cè)介質(zhì)的溫度。熱電偶優(yōu)點(diǎn)如下：

①測(cè)量精度高：熱電偶與被測(cè)對(duì)象直接接觸，不受中間介質(zhì)的影響。

②熱響應(yīng)時(shí)間快：熱電偶對(duì)溫度變化反應(yīng)靈敏。

③測(cè)量范圍大：熱電偶從-40~+1600℃均可連續(xù)測(cè)溫。

④性能可靠，機(jī)械強(qiáng)度好。

⑤使用壽命長(zhǎng)，安裝方便。

主要內(nèi)容一、熱電效應(yīng)二、接觸電勢(shì)三、單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)四、熱電偶的總電勢(shì)五、熱電偶的分類一、熱電效應(yīng)

由A、B兩種不同的導(dǎo)體兩端相互緊密連接在一起，組成一個(gè)閉合回路。當(dāng)兩接觸點(diǎn)處于不同溫度時(shí)，回路中可產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)形成電流-熱電效應(yīng)。熱電動(dòng)勢(shì)包括兩部分（1）兩種不同的導(dǎo)體的接觸電勢(shì)（玻爾貼電勢(shì)）（2）單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)（湯姆遜效應(yīng)）熱電偶的結(jié)構(gòu)原理二、接觸電勢(shì)ABAB接觸電勢(shì)：當(dāng)兩種不同導(dǎo)體AB連接時(shí)，如果nA>nB，單位時(shí)間內(nèi)由A到B的電子數(shù)比B到A的電子數(shù)多，A端正電，Ｂ端負(fù)電，從而產(chǎn)生電勢(shì)差－接觸電勢(shì)。二、接觸電勢(shì)

兩導(dǎo)體兩端接觸電勢(shì)用符號(hào)eAB（T）和eAB（T0）表示，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：（3-32）（3-33）

式中：K為波爾茲曼常數(shù)；T、T0為兩結(jié)點(diǎn)處的絕對(duì)溫度；nA、nB為材料A、B中的自由電子濃度；e為電子電荷量。

因eAB（T）和eAB（T0）方向相反，故回路中的總接觸電勢(shì)為：（3-34）三、單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)溫差電勢(shì)：對(duì)于一根均勻的導(dǎo)體由于兩端溫度不同而產(chǎn)生的電子從高溫端到低溫端的擴(kuò)散，從而在兩端產(chǎn)生電勢(shì)差溫差電勢(shì)的大小與導(dǎo)體材料和導(dǎo)體兩端溫度差有關(guān)，如導(dǎo)體ＡＢ兩端溫度分別為Ｔ，Ｔ０，單一導(dǎo)體各自的電勢(shì)差分別為：三、單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)（3-35）（3-36）σ，湯姆遜系數(shù)，表示單一導(dǎo)體兩端溫度相差1℃時(shí)所產(chǎn)生的溫差電勢(shì)。由導(dǎo)體A,B構(gòu)成的熱電偶回路總的溫差電勢(shì)為：（3-37）四、熱電偶的總電勢(shì)熱電偶回路總的電勢(shì)為（1）兩個(gè)接觸電勢(shì)（T及T0）（2）兩個(gè)溫差電勢(shì)組成，其總熱電勢(shì)為：（3-38）對(duì)（3-38）式做變換如下：（3-39）為了測(cè)定溫差電動(dòng)勢(shì)，需在閉合回路中接入測(cè)量?jī)x表，如圖3所示，這相當(dāng)于把第三種金屬（如電位差計(jì)的電阻絲）串入回路。理論上可以證明，在A、B兩種金屬之間插入任何一種金屬C，只要維持它和A、B的聯(lián)接點(diǎn)在同一個(gè)溫度，這個(gè)閉合電路中的溫差電動(dòng)勢(shì)總是和由A、B兩種金屬組成的溫差熱電偶中的溫差電動(dòng)勢(shì)一樣。這一性質(zhì)在實(shí)際應(yīng)用中是很重要的，圖3所示為常用的測(cè)溫線路，即用銅絲C將溫差電動(dòng)勢(shì)接送電位差計(jì)是常見的用法。ABCC電位差計(jì)圖3１如構(gòu)成熱電偶的兩種導(dǎo)體材料相同，即使兩端點(diǎn)溫度不同，回路內(nèi)總電勢(shì)也為零，故熱電偶必須用兩種不同材料構(gòu)成。２若熱電偶兩結(jié)點(diǎn)溫度相同,即使ＡＢ材料不同，回路中總熱電勢(shì)也為零，故熱電偶的兩結(jié)點(diǎn)溫度不能相同。四、熱電偶的總電勢(shì)當(dāng)A,B材料確定后，則總熱電勢(shì)是兩端點(diǎn)溫度（T，T0）的函即：EAB(T,T0)=f(T)-f(T0)通常自由端（冷端）溫度一般為室溫或置于冰水中（T0=0），此時(shí)f(T0)=C（常數(shù)）故EAB(T,T0)=f(T)-C=Φ（T）（3-40）（3-41）五、熱電偶的分類

常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。所調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級(jí)上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒(méi)有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場(chǎng)合的測(cè)量。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶我國(guó)從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。熱電偶的分度號(hào)有主要有S、R、B、N、K、E、J、T等幾種。其中S、R、B屬于貴金屬熱電偶，N、K、E、J、T屬于廉價(jià)金屬熱電偶。下表是熱電極材料使用溫度范圍（℃）。正極負(fù)極使用溫度范圍（℃）

S鉑銠合金（銠含量10%）純鉑0-1400

R鉑銠合金（銠含量13%）純鉑0-1400

B鉑銠合金（銠含量30%）鉑銠合金（銠含量6%0-1400

K鎳鉻鎳硅-200-+1000

T純銅銅鎳-200-+300

J鐵銅鎳-200-+600

N鎳鉻硅鎳硅-200-+1200

E鎳鉻銅鎳-200-+700

五、熱電偶的分類五、熱電偶的分類（S、R、B型熱電偶）鉑銠10-鉑熱電偶特點(diǎn)（1）使用溫度范圍寬：0-1400

（2）準(zhǔn)確度最高，穩(wěn)定性最好，測(cè)溫溫區(qū)寬，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。（3）它的物理，化學(xué)性能良好，熱電勢(shì)穩(wěn)定性及在高溫下抗氧化性能好，適用于氧化性和惰性氣氛中；（4）靈敏度低，高溫下機(jī)械強(qiáng)度下降；（5）污染非常敏感；（6）價(jià)格昂貴；五、熱電偶的分類（K型熱電偶）鎳鉻-鎳硅熱電偶

是目前用量最大的廉金屬熱電偶，其用量為其他熱電偶的總和。正極（KP）的名義化學(xué)成分為：Ni：Cr=90：10，負(fù)極（KN）的名義化學(xué)成分為：Ni：Si=97：3，使用溫度：-200~1300℃。

K型熱電偶具有線性度好，熱電動(dòng)勢(shì)較大，靈敏度高，穩(wěn)