热电效应及热电偶的基本基础学习知识原理分析.docx
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热电效应及热电偶的基本基础学习知识原理分析
热电效应及热电偶的基本原理分析；热电偶的四大基本定律；常用的热电极材料及其性能特点；热电偶的冷端补偿；热电偶的基本测量电路。
了解热电偶的工作原理；了解常用热电极材料的类型、性能特点及其适用场合；掌握热电偶的选用和维护方法。
在工业生产过程中，温度是需要测量和控制的重要参数之一。
在温度测量中，热电偶的应用极为广泛，它具有结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯性小和输出信号便于远传等许多优点。
另外，由于热电偶是一种有源传感器，测量时不需外加电源，使用十分方便，所以常被用作测量炉子、管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度。
5.1热电偶的工作原理与基本结构
在工业生产过程中，温度是需要测量和控制的重要参数之一。
在温度测量中，热电偶的应用极为广泛，它具有结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯性小和输出信号便于远传等许多优点。
另外，由于热电偶是一种有源传感器，测量时不需外加电源，使用十分方便，所以常被用作测量炉子、管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度。
一、热电偶的工作原理
1、工作原理
当有两种不同的导体或半导体A和B组成一个回路，其两端相互连接时（如图5.1.1），只要两结点处的温度不同，一端温度为T，称为工作端或热端，另一端温度为T0，称为自由端（也称参考端）或冷端，回路中将产生一个电动势，该电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关。
这种现象称为“热电效应”，两种导体组成的回路称为“热电偶”，这两种导体称为“热电极”，产生的电动势则称为“热电动势”。
图5.1.1热电偶回路
热电动势由两部分电动势组成，一部分是两种导体的接触电动势，另一部分是单一导体的温差电动势。
当A和B两种不同材料的导体接触时，由于两者内部单位体积的自由电子数目不同（即电子密度不同），因此，电子在两个方向上扩散的速率就不一样。
现假设导体A的自由电子密度大于导体B的自由电子密度，则导体A扩散到导体B的电子数要比导体B扩散到导体A的电子数大。
所以导体A失去电子带正电荷，导体B得到电子带负电荷，于是，在A、B两导体的接触界面上便形成一个由A到B的电场。
该电场的方向与扩散进行的方向相反，它将引起反方向的电子转移，阻碍扩散作用的继续进行。
当扩散作用与阻碍扩散作用相等时，即自导体A扩散到导体B的自由电子数与在电场作用下自导体B到导体A的自由电子数相等时，便处于一种动态平衡状态。
在这种状态下，A与B两导体的接触处就产生了电位差，称为接触电动势。
接触电动势的大小与导体的材料、接点的温度有关，与导体的直径、长度及几何形状无关。
对于温度分别为t和t0的两接点，可得下列接触电动势公式
（5-1-1）
式中eAB（t,）、eAB（t0）为导体A、B在接点温度t和t0时形成的电动势；UAt、UAt0分别为导体A在接点温度为t和t0时的电压；UBt、UBt0分别为导体B在接点温度为t和t0时的电压。
对于导体A或B，将其两端分别置于不同的温度场t、t0中（t>t0）。
在导体内部，热端的自由电子具有较大的动能，向冷端移动，从而使热端失去电子带正电荷，冷端得到电子带负电荷。
这样，导体两端便产生了一个由热端指向冷端的静电场。
该电场阻止电子从热端继续跑到冷端并使电子反方向移动，最后也达到了动态平衡状态。
这样，导体两端便产生了电位差，我们将该电位差称为温差电动势。
温差电动势的大小取决于导体的材料及两端的温度，如下式所示：
（5-1-2）
式中，eA（t,t0）、eB（t,t0）为导体A和B在两端温度分别为t和t0时形成的电动势。
导体A和B头尾相接组成回路，如果导体A的电子密度大于导体B的电子密度，且两接点的温度不相等，则在热电偶回路中存在着四个电势，即两个接触电动势和两个温差电动势。
热电偶回路的总电动势为
（5-1-3）
实践证明，在热电偶回路中起主要作用的是接触电动势，温差电动势只占极小部分，可以忽略不计，故式（5-3）可以写成
（5-1-4）
上式中，由于导体A的电子密度大于导体B的电子密度，所以A为正极，B为负极。
脚注AB的顺序表示电动势的方向。
不难理解：
当改变脚注的顺序时，电动势前面的符号（指正、负号）也应随之改变。
因此，式（5-4）也可以写成
综上所述，我们可以得出如下结论：
热电偶回路中热电动势的大小，只与组成热电偶的导体材料和两接点的温度有关，而与热电偶的形状尺寸无关。
当热电偶两电极材料固定后，热电动势便是两接点温度t和t0。
的函数差。
即
如果使冷端温度t0保持不变，则热电动势便成为热端温度t的单一函数。
即，
（5-1-5）
这一关系式在实际测温中得到了广泛应用。
因为冷端t0恒定，热电偶产生的热电动势只随热端（测量端）温度的变化而变化，即一定的热电动势对应着一定的温度。
我们只要用测量热电动势的方法就可达到测温的目的。
2、热电偶的特性
热电偶的主要特性如下：
稳定性 指热电偶的热电特性随使用时间变化小。
不均匀性 指热电极的不均匀程度，所引起的附加热电势的大小，取决于沿热电极长度的温度梯度分布状态、材料的不均匀形式和不均匀程度以及热电偶在温度场中所处的位置。
不均匀性降低测温的准确度，影响热电偶的稳定性和互换性。
造成不均匀性的原因有杂质分布不均，成份偏析，局部表面金属的挥发和氧化，局部的腐蚀和沾污，应力分布不均匀和晶体结构不均匀等。
热惰性 指被测介质从某一温度跃迁到另一温度时，热电偶测量端的温度上升到整个跃迁的63.2%所需的时间。
二、热电偶的基本定律
1、均质导体定律
如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，无论两接点的温度如何，热电动势为零。
根据这个定律，可以检验两个热电极材料成分是否相同（称为同名极检验法），也可以检查热电极材料的均匀性。
2、中间导体定律
在热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变。
如图5.1.2，在热电偶回路中接人第三种导体C。
设导体A与B接点处的温度为t，A与C、B与C两接点处的温度为t0，则回路中的总电动势为
（5-1-6）
图5.1.2热电偶中接入第三种导体
如果回路中三接点的温度相同，即t＝t0，则回路总电动势必为零，即
或者
（5-1-7）
将式（5-7）代人式（5-6），可得
（5-1-8）
可以用同样的方法证明，断开热电偶的任何一个极，用第三种导体引入测量仪表，其总电动势也是不变的。
热电偶的这种性质在实用上有着重要的意义，它使我们可以方便地在回路中直接接入各种类型的显示仪表或调节器，也可以将热电偶的两端不焊接而直接插入液态金属中或直接焊在金属表面进行温度测量。
3、标准电极定律
如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就已知。
如图5-3，导体A、B分别与标准电极C组成热电偶，若它们所产生的热电动势为已知，即
那么，导体A与B组成的热电偶，其热电动势可由下式求得
（5-1-9）
图5.1.3三种导体分别组成热电偶
标准电极定律是一个极为实用的定律。
可以想象，纯金属的种类很多，而合金类型更多。
因此，要得出这些金属之间组合而成热电偶的热电动势，其工作量是极大的。
由于铂的物理、化学性质稳定，熔点高，易提纯，所以，我们通常选用高纯铂丝作为标准电极，只要测得各种金属与纯铂组成的热电偶的热电动势，则各种金属之间相互组合而成的热电偶的热电动势可根据式（5-9）直接计算出来。
例如：
热端为100℃，冷端为0℃时，镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为2.95mV，而考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为-4.0mV，则镍铬和考铜组合而成的热电偶所产生的热电动势应为2.95mV-（-4.0mV）=6.95mV
4、中间温度定律
热电偶在两接点温度t、t0时的热电动势等于该热电偶在接点温度为t、tn和tn、t0时的相应热电动势的代数和。
中间温度定律可以用下式表示
（5-1-10）
中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据。
它表明：
若热电偶的热电极被导体延长，只要接入的导体组成热电偶的热电特性与被延长的热电偶的热电特性相同，且它们之间连接的两点温度相同，则总回路的热电动势与连接点温度无关，只与延长以后的热电偶两端的温度有关。
5.2常用热电偶及测温线路
二、热电偶种类
1、标准型热电偶
国际电工委员会在1975年向世界各国推荐七种标准型热电偶。
我国生产的符合IEC标准的热电偶有六种，分别是：
（1）铂铑30-铂铑6热电偶 这种热电偶分度号为“B”。
它的正极是铂铑丝（铂70%，铑30%），负极也是铂铑丝（铂94%，铑6%），故俗称双铂铑。
测温范围为0~1700℃。
其特点是测温上限高，性能稳定。
在冶金反应、钢水测量等高温领域中得到了广泛的应用。
表5-1铂铑30-铂铑6热电偶（B型）分度表（ITS-90）
分度号：
B参考端温度：
0℃
t，℃
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
E，mV
0.000
0.033
0.178
0.431
0.787
1.242
1.792
2.431
3.154
3.957
t，℃
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
E，mV
4.834
5.780
6.786
7.848
8.956
10.099
11.263
12.433
13.820
B型热电偶参考端温度非0℃时的校正表（修正值加上所查的热电势）
t，℃
0
10
20
30
40
50
E，mV
0.000
-0.002
-0.003
-0.002
-0.000
0.002
（2）铂铑10-铂热电偶 这种热电偶分度号为“S”。
它的正极是铂铑丝（铂90%，铑l0%），负极是纯铂丝。
测温范围为0~1700℃。
其特点是热电性能稳定，抗氧化性强，宜在氧化性、惰性气氛中工作。
由于精度高，故国际温标中规定它为630.74~1064.43℃温度范围内复现温标的标准仪器。
常用作标准热电偶或用于高温测量。
表5-2铂铑10-铂热电偶（S型）分度表（ITS-90）
分度号：
S参考端温度：
0℃
t，℃
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
E，mV
0.000
0.646
1.441
2.323
3.259
4.233
5.239
6.275
7.345
8.449
t，℃
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
E，mV
9.587
10.757
11.851
13.159
14.373
15.582
16.777
17.947
S型热电偶参考端温度非0℃时的校正表（修正值加上所查的热电势）
t，℃
0
10
20
30
40
50
E，mV
0.000
0.055
0.113
0.173
0.235
0.229
（3）镍铬-镍硅热电偶 这种热电偶分度号为“K”。
它的正极是镍铬合金（镍90.5%，铬9.5%），负极为镍硅（镍97.5%，硅2.5%）。
测温范围为-200~+1300℃。
其特点是测温范围很宽、热电动势与温度关系近似线性、热电动势大及价格低。
缺点是热电动势的稳定性较B型或S型热电偶差，且负极有明显的导磁性。
表5-3镍铬-镍硅热电偶（K型）分度表（ITS-90）
分度号：
K参考端温度：
0℃
t，℃
-200
-100
0
100
200
300
400
500
600
700
E，mV
-5.891
-3.554
0.000
4.096
8.138
12.209
16.397
20.644
24.905
29.129
t，℃
800
900
1000
1100
1200
1300
E，mV
33.275
37.326
41.276
45.119
48.838
52.410
K型热电偶参考端温度非0℃时的校正表（修正值加上所查的热电势）
t，℃
0
10
20
30
40
50
E，mV
0.000
0.397
0.798
1.203
1.612
2.023
（4）镍铬-康铜热电偶这种热电偶分度号为“E”。
它的正极是镍铬合金，负极是铜镍合金（铜55%，镍45%）。
测温范围为-200~+1000℃。
其特点是热电动势较其他常用热电偶大。
适宜在氧化性或惰性气氛中工作。
表4镍铬-康铜热电偶（E型）分度表（ITS-90）
分度号：
E参考端温度：
0℃
t，℃
-200
-100
0
100
200
300
400
500
600
700
E，mV
-8.825
-5.237
0.000
6.319
13.421
21.036
28.946
37.005
45.093
53.112
t，℃
800
900
1000
E，mV
61.017
68.787
76.373
E型热电偶参考端温度非0℃时的校正表（修正值加上所查的热电势）
t，℃
0
10
20
30
40
50
E，mV
0.000
0.591
1.192
1.801
2.420
3.048
（5）铁-康铜热电偶 这种热电偶分度号为“J”。
它的正极是铁，负极是铜镍合金。
测温范围为-200~+1300℃。
其特点是价格便宜，热电动势较大，仅次于E型热电偶。
缺点是铁极易氧化。
表5-5镍铬-镍硅热电偶（J型）分度表（ITS-90）
分度号：
J参考端温度：
0℃
t，℃
-200
-100
0
100
200
300
400
500
600
700
E，mV
-7.890
-4.633
0.000
5.269
10.779
16.327
21.848
27.393
33.102
39.132
t，℃
800
900
1000
1100
1200
E，mV
45.494
51.877
57.953
63.792
69.553
J型热电偶参考端温度非0℃时的校正表（修正值加上所查的热电势）
t，℃
0
10
20
30
40
50
E，mV
0.000
0.507
1.019
1.537
2.059
2.585
（6）铜-康铜热电偶 这种热电偶分度号为“T”。
它的正极是铜，负极是铜镍合金。
测温范围为-200~+400℃。
特点是精度高，在0~-200℃范围内，可制成标准热电偶，准确度可达土0.1℃。
缺点是铜极易氧化，故在氧化性气氛中使用时，一般不能超过300℃。
表5-6铜-康铜热电偶（T型）分度表（ITS-90）
t，℃
-200
-100
0
100
200
300
400
E，mV
-5.603
-3.379
0.000
4.279
9.288
14.862
20.872
T型热电偶参考端温度非0℃时的校正表（修正值加上所查的热电势）
t，℃
0
10
20
30
40
50
E，mV
0.000
0.391
0.790
1.196
1.162
2.036
最后要说明的是，IEC公布的标准型热电偶中，还有铂铑13-铂，分度号为“R”。
因在国际上只有少数国家采用，且其温度范围与铂铑10-铂重合，所以我国不准备发展这个品种。
2、非标准型热电偶
非标准型热电偶包括铂铑系、铱铑系及钨铼系热电偶等。
铂铑系热电偶有铂铑20-铂铑5、铂铑40-铂铑20等一些种类，其共同的特点是性能稳定，适用于各种高温测量。
铱铑系热电偶有铱铑40-铱、铱铑60-铱。
这类热电偶长期使用的测温范围在2000℃以下，且热电动势与温度关系线性好。
钨铼系热电偶有钨铼3-钨铼25、钨铼5-钨铼20等种类。
它的最高使用温度受绝缘材料的限制，目前可使用到2500℃左右。
主要用于钢水连续测温、反应堆测温等场合。
3、工业热电偶简介
（1）装配式热电偶
A、主要技术参数
测量范围：
热电偶能准确测出温度的范围，即工作温度有效范围。
基本误差限：
能允许的测温误差范围。
热电偶时间常数：
也称热惰性，指被测介质从某一温度跃迁到另一温度时，热电偶测量端的温度上升到整个跃迁的63.2%所需的时间
表5-7热惰性级别与时间常数的关系
热惰性级别
时间常数（秒）
热惰性级别
时间常数（秒）
Ⅰ
90－180
Ⅲ
10－30
Ⅱ
30－90
Ⅳ
＜10
热电偶公称压力：
一般是指在工作温度下保护管所能承受的静态外压而破裂。
热电偶最小插入深度：
应不小于其保护套管外径的8~10倍（特殊产品例外）。
绝缘电阻：
当周围空气温度为15－35℃，相对湿度＜80%时绝缘电阻≥5兆欧（电压100V）。
具有防溅式接线盒的热电偶，当相对温度为93±3℃时，绝缘电阻≥0.5兆欧（电压100V）。
高温下的绝缘电阻：
热电偶在高温下，其热电极（包括双支式）与保护管以及双支热电极之间的绝缘电阻（按每米计）应大于表8规定的值。
表5-8高温下的绝缘电阻值
规定的长时间使用温度（℃）
试验温度（℃）
绝缘电阻值（Ω）
≥600
600
72000
≥800
800
25000
≥1000
1000
5000
B、热电偶型号命名
热电偶型号命名如图5.2.1所示
图5.2.1热电偶型号命名示例图
（2）铠装热电偶
铠装热电偶的工作原理是，两种不同成份的导体两端经焊接，形成回路，直接测温端叫工作端，接线端子端叫冷端，也称参比端。
当工作端和参比端存在温差时，就会在回路中产生热电流，接上显示仪表，仪表上就会指示出热电偶所产生的热电动势的对应温度值。
铠装热电偶的热电动势将随着测量端温度升高而增长，热电动势的大小只和热电偶导体材质以及两端温差有关，和热电极的长度、直径无关。
铠装热电偶热响应时间：
在温度出现阶跃变化时，热电偶的输出变化至相当于该阶跃变化的50%所得的时间称为热响
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