熱電偶及其測溫原理

(1)熱電偶的測溫原理將兩種材質(zhì)不同的導體或半導體A、B連接成閉合回路就構成了熱電偶。熱電偶的測溫原理是基于熱電效應，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。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)的導體A、B在接觸時產(chǎn)生的電子擴散而形成。假設導體A中自由電子的濃度大 于導體B中自由電子的濃度，在開始接觸的瞬間，導體A向 導體B擴散的電子數(shù)將多于導體B向?qū)wA擴散的電子數(shù)， 因而使導體A失去較多的電子而帶正電荷，導體B則帶負電荷，結(jié)果導致接觸面處產(chǎn)生電場，該電場將阻礙電子在導體B 中的進一步積累，zui后達到平衡。平衡時在A、B兩個導體間 形成的電位差就稱為接觸電動勢，其大小與兩種導體的材質(zhì)和接點的溫度有關。溫差電動勢則是指同一導體由于兩端溫度不 同而導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，等式右邊前兩項為接觸電動勢，后兩項為溫差電動勢。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 應的反函數(shù)關系，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、熱兩端的溫度有關外，還與 電極材料有關。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體定律在實際使用中，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線（簡稱第三導體），如 圖2-16所示。

接入第三導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體時，只要第三導體的兩個接點溫度 相同，回路中熱電動勢值不變，熱電偶的這一性質(zhì)被稱為第三導體定律。第三導體定律在實 際應用中有著重要意義，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線，只 要使兩個接點的溫度相同即可對熱電動勢進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關系。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。 為了使冷端遠離熱端，在工程上常用的“補償導線”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為由補償導線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“補償導線”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。

補償導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，補償導線的連接如圖2-18所示。

在選擇和使用補償導線時，要注意和熱 電偶的型號相匹配，其極性不能接錯。

(4)標準熱電偶及其補償導線常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大 類。標準熱電偶是指按國家標準規(guī)定了其熱 電動勢與溫度的關系、允許誤差、并有統(tǒng)一 標準型號（稱為分度號）的熱電偶。非標準 熱電偶是指用于特殊場合的熱電偶，沒有統(tǒng) 一的標準。按照；IEC標準，我國設計了 統(tǒng)一標準化熱電偶，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，后者表示負極。

②補償導線型號的*個字母表示配套的熱電偶型號；第二個字母“c”表示補償型補償導線，“x”表示延伸型 補償導線，即補償導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。