熱電偶及其測溫原理

(1)熱電偶的測溫原理將兩種材質(zhì)不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A、B連接成閉合回路就構(gòu)成了熱電偶,。熱電偶的測溫原理是基于熱電效應(yīng),，即只要熱電偶兩端的溫度不同，則在熱電偶 閉合回路中就產(chǎn)生熱電動勢,，這種現(xiàn)象就稱為熱電效應(yīng),。熱電偶回路中的熱電動勢由接觸電

動勢和溫差電動勢兩部分組成，如圖2-15所示,。

圖中,，接觸電動勢是由兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體A,、B在接觸時產(chǎn)生的電子擴(kuò)散而形成。假設(shè)導(dǎo)體A中自由電子的濃度大 于導(dǎo)體B中自由電子的濃度,，在開始接觸的瞬間,，導(dǎo)體A向 導(dǎo)體B擴(kuò)散的電子數(shù)將多于導(dǎo)體B向?qū)wA擴(kuò)散的電子數(shù)， 因而使導(dǎo)體A失去較多的電子而帶正電荷,，導(dǎo)體B則帶負(fù)電荷,，結(jié)果導(dǎo)致接觸面處產(chǎn)生電場，該電場將阻礙電子在導(dǎo)體B 中的進(jìn)一步積累,，zui后達(dá)到平衡,。平衡時在A、B兩個導(dǎo)體間 形成的電位差就稱為接觸電動勢,，其大小與兩種導(dǎo)體的材質(zhì)和接點(diǎn)的溫度有關(guān),。溫差電動勢則是指同一導(dǎo)體由于兩端溫度不 同而導(dǎo)致電子具有不同的能量所產(chǎn)生的電勢差。由此可知,，熱電偶閉合回路中的熱電動勢為接觸電動勢與溫差電動勢之和,，即可表示為

式中，等式右邊前兩項(xiàng)為接觸電動勢,，后兩項(xiàng)為溫差電動勢,。理論研究表明，溫差電動勢比 接觸電動勢小得多,，所以熱電動勢通常以接觸電動勢為主,，式（2-18)即可近似為

由式（2-19)可知，當(dāng)材質(zhì)一定且冷端溫度&不變時,，熱端溫度與熱電動勢成單值對 應(yīng)的反函數(shù)關(guān)系,，即

式（2-20)表明，只要測出熱電動勢的大小,，即可確定被測溫度的高低,，這就是熱電偶

的測溫原理。

根據(jù)上述分析可得到三點(diǎn)重要結(jié)論：①若組成熱電偶的電極材料相同,，則無論熱電偶 冷,、熱兩端的溫度如何，總熱電動勢為零,；②若熱電偶冷,、熱兩端的溫度相同，則無論電極材料如何,，總熱電動勢也為零,；③熱電偶的熱電動勢除了與冷、熱兩端的溫度有關(guān)外,，還與 電極材料有關(guān),。換句話說，由不同電極材質(zhì)制成的熱電偶在相同溫度下產(chǎn)生的熱電動勢是不同的,。

(2)熱電動勢的檢測與第三導(dǎo)體定律在實(shí)際使用中,，為了測出熱電動勢，則必須在熱電偶回路中接入檢測儀表與導(dǎo)線（簡稱第三導(dǎo)體）,，如 圖2-16所示,。

接入第三導(dǎo)體后是否對熱電偶的熱電動勢產(chǎn)生影響？ 分析如下：由圖2-16可知,，接入第三導(dǎo)體后熱電偶回路中的總熱電動勢為

由式（2-23)可見,，在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體時，只要第三導(dǎo)體的兩個接點(diǎn)溫度 相同,，回路中熱電動勢值不變,，熱電偶的這一性質(zhì)被稱為第三導(dǎo)體定律。第三導(dǎo)體定律在實(shí) 際應(yīng)用中有著重要意義,，即依據(jù)它可以很放心地在熱電偶中接入所需的檢測儀表和導(dǎo)線,，只 要使兩個接點(diǎn)的溫度相同即可對熱電動勢進(jìn)行測量而不影響熱電偶的輸出。

(3)冷端延伸與等值替換原理由熱電偶的測溫原理還知,，只有在熱電偶的冷端溫度

保持不變時,，熱電動勢才與被測溫度具有單值對應(yīng)關(guān)系。由于 制作熱電偶的熱電材料價格昂貴,，不可能將熱電偶的電極做得 很長,，結(jié)果導(dǎo)致冷端溫度受被測溫度的影響較大而不斯變化。 為了使冷端遠(yuǎn)離熱端,，在工程上常用的“補(bǔ)償導(dǎo)線”與熱 電偶的冷端相連,，將冷端延伸到溫度相對穩(wěn)定的環(huán)境內(nèi)而不影 響熱電偶的熱電動勢。這樣做的理論依據(jù)被稱為“等值替換” 原理,，分析如下,。

如圖2-17所示，圖b為全部用貴重金屬材料A,、B制成的 熱電偶,；圖a為由補(bǔ)償導(dǎo)線C、D和貴重金屬材料A,、B共同制成的熱電偶,，且滿足

圖a而言，熱電回路的總熱電動勢為

因而有

由式(2-24)可知,，將滿足EAB(tc,to）=ECD(tc,to）的“補(bǔ)償導(dǎo)線”代替熱電極,，既可使冷端延伸，而且不會改變熱電偶的熱電動勢,，這就是所謂的“等值替換”原理,。

補(bǔ)償導(dǎo)線是由兩根不同性質(zhì)的廉價金屬線制成的,，一般在0 ~100℃；溫度范圍內(nèi)要求它與所連接的熱電偶具有幾乎相同的熱電性 能,，補(bǔ)償導(dǎo)線的連接如圖2-18所示,。

在選擇和使用補(bǔ)償導(dǎo)線時，要注意和熱 電偶的型號相匹配,，其極性不能接錯,。

(4)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶及其補(bǔ)償導(dǎo)線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。標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱 電動勢與溫度的關(guān)系,、允許誤差,、并有統(tǒng)一 標(biāo)準(zhǔn)型號（稱為分度號）的熱電偶。非標(biāo)準(zhǔn) 熱電偶是指用于特殊場合的熱電偶,，沒有統(tǒng) 一的標(biāo)準(zhǔn),。按照；IEC標(biāo)準(zhǔn),，我國設(shè)計了 統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶,，其中一部分如表2-3所示。

①熱電偶材料中的前者表示正極,，后者表示負(fù)極,。

②補(bǔ)償導(dǎo)線型號的*個字母表示配套的熱電偶型號；第二個字母“c”表示補(bǔ)償型補(bǔ)償導(dǎo)線,，“x”表示延伸型 補(bǔ)償導(dǎo)線,，即補(bǔ)償導(dǎo)線的材料與熱電偶的材料相同。

③鉑銠10表示鉑占90%,銠占10%,以此類推,。