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(dòng)勢，這種現(xiàn)象就稱為熱電效應(yīng)。熱電偶回路中的熱電動(dòng)勢由接觸電

動(dòng)勢和溫差電動(dòng)勢兩部分組成，如圖2-15所示。

圖中，接觸電動(dòng)勢是由兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體A、B在接觸時(shí)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(shí)在A、B兩個(gè)導(dǎo)體間 形成的電位差就稱為接觸電動(dòng)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(dòng)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(dòng)勢為接觸電動(dòng)勢與溫差電動(dòng)勢之和，即可表示為

式中，等式右邊前兩項(xiàng)為接觸電動(dòng)勢，后兩項(xiàng)為溫差電動(dòng)勢。理論研究表明，溫差電動(dòng)勢比 接觸電動(dòng)勢小得多，所以熱電動(dòng)勢通常以接觸電動(dòng)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(shí)，熱端溫度與熱電動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)勢也為零；③熱電偶的熱電動(dòng)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(dòng)勢是不同的。

(2)熱電動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)勢為

由式（2-23)可見，在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體時(shí)，只要第三導(dǎo)體的兩個(gè)接點(diǎn)溫度 相同，回路中熱電動(dòng)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(gè)接點(diǎn)的溫度相同即可對熱電動(dòng)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(shí)，熱電動(dòng)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(jià)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(jià)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(shí)，要注意和熱 電偶的型號相匹配，其極性不能接錯(cuò)。

(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(dòng)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(jì)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(gè)字母表示配套的熱電偶型號；第二個(gè)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。