热电偶测温原理与检定

热电偶测温原理与检定

摘要：热电偶的测温原理是将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路。当导体A和B之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。

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热 电 偶 测 温 原 理 与 检 定

第一章热电偶测温原理及正确使用

第一节热电偶的测温原理

在1821年德国医生塞贝克在实验中发现热电效应以来，经珀尔帖、汤姆逊以及开尔文等科学家的大量研究，热电效应理论得到了不断的发展，并日趋完善。热电偶是热电效应的具体应用之一，它在温度测量中得到了广泛的应用，热电偶具有结构简单、容易制造、使用方便和测量精度高等优点。可用于快速测温、点温测量和表面测量等，但是热电偶也存在着不足的地方，如使用的参考端温度必须恒定，否则将歪曲测量结果；在高温或长期使用中，因受被测介质或气氛的作用（如氧化、还原等）而发生劣化，降低使用寿命。尽管如此，热电偶仍在工业生产和科研活动中起着举足轻重的作用。下面我们从三个热电效应的阐述中来讨论热电偶的测温原理。

一、塞贝克效应和塞贝克电势

热电偶为什么能用来测量温度呢？这就是从热能和电能的相互转化的热电现象说起。在1821年，塞贝克通过实验发现一对异质金属A、B组成的闭合回路（如图1—1）中，如果对接点a加热，那么，a,b两接点的温度就会不同，温度不同，就会有电流产生，使得接在电路中的电流表发生偏转。这一现象现今称为温差电效应或塞贝克效应，相应的电势称为温差热电势或塞贝克电势，它在热电偶回路中产生的电流称为热电流。Ａ、Ｂ称为热电极，接点a是用焊接的方法连接一起的，测温时，将它置于被测温度场中，称为测量端或者工作端，接点b一般要求恒定在某一温度称为参考端或自由端。

不同的导体材料的电子密度不同，即使相同的导体材料，温度不同，其电子密度也不相同，当异质金属Ａ、Ｂ组成闭合回路，由于接点a、b的温度不同（设Ｔ>Ｔ０），则同一导体温度高的地方自由电子密度大，温度低的地方自由电子密度小，即ＮＡ,Ｔ>ＮＡ,T0；ＮＢ,T>ＮＢ,T0。由于两金属导体的自由电子密度不同（设ＮＡ，T>NB，T；ＮＡ，T0>NB，T0）,所以在闭合回路中，自由电子密度大的要向自由电子密度小的区域扩散，这样在回路中就产生了“净”电荷流动，即回路中有电动势eＡB，这就是产生塞贝克电动势原因。实验证明，当热电极材料一定后，则热电势仅与两接点的温度有关，即： dEＡB(T,T0)=SＡBdT (1—1)

式中：SＡB——热电势率或塞贝克系数，其随热电极材料和两接点温度而定。

当两接点的温度分别为T，T0时，回路的热电势为：

EＡB（T，T0）= SＡBdT=eＡB (T)- eＡB (T0) （1—2）

式中：eＡB (T)，eＡB (T0)——接点a,b的分热电势或分塞贝克电势

式（1—2）中角标A、B表示不同的热电极材料，按正极写在前，负极写在后的顺序排列。当温度T>T0时，eＡB(T)与总电动势的方向一致，eＡB (T0)与总热电动势的方向相反。如果接点的分热电势角标颠倒，它不会改变分热电势的大小，而改变热电势的方向，即： eＡB (T0)=- eBＡ(T0) （1—3）

代入式（1—2）得：

EＡB（T，T0）= eＡB (T) eBＡ(T0) （1—4）

由此可知，热电偶回路的总热电动势的大小仅与热电极的材料和两接点的温度有关，与热电极中间温度分布无关。

对于已定的热电偶，当其参考端温度T0恒定时，eＡB（T0）为一常数，则热电势EＡB（T，T0）仅是测量端温度的函数，即：

EＡB（T，T0）= eＡB（T）-常数=fＡB(T)-C (1—5)

人们正是利用这种EＡB（T，T0）与T一一对应的关系来达到测温的目的。而热电偶测量的并不是测量端的温度T，而是测量温度差T-T0。在热电偶分度表上，均规定热电偶E-T特性曲线以及配热电偶显示仪表的参考端温度为00C，如果热电偶在实际应用中参考端温度不在00C时，应对参考端温度进行补偿或修正，否则将带入很大的测量误差。

热电偶测温是通过测定热电势来实现的，所以说热电偶测温的原理是热电效应。塞贝克电势实质上就是热电偶将热能转换成电能来实现测温目的的，而这个电能，实际上是由接触电势和温差电势两部分组成的，也就是将要讨论的珀尔帖电势和汤姆逊电势。

二、珀尔帖效应和珀尔帖电势

在1834年，珀尔帖发现，当用外部直流电源向热电偶回路输送电流时，（如图1—2），两接点处的温度就会发生变化，一个接点吸热，另一个接点放热，这一现象称为珀尔帖效应，接点吸热（或放热）的热流率（dQ/dt）与电流I成正比，即：

dQ/dt= ＡBI （1—6）

式中： ＡB———为导体A、B接点的珀尔帖系数，其大小与组成接点的两种材料的性质、接点处的温度（T1）有关，而与另一个接点的温度（T2）无关。

图1—2 珀尔帖效应 图1—3 珀尔帖电势

实验证明，同种材料组成的接点不会出现珀尔帖效应，热电偶回路中的电流不管是外部引入的，还是有回路内部引入的，在两接点处均会产生珀尔帖效应。

由于金属导体中存在自由电子，并且不同的金属导体材料，自由电子的密度是不同的。如图1——3所示，设热电极A的自由电子密度（NＡ）大于热电极B的自由电子密度（NB），也就是电极A的自由电子数目大于电极B的自由电子数目，由此，在单位时间内，由金属A扩散到金属B的自由电子数要比由金属B扩散到金属A的自由电子多，金属A失去电子带正电，金属B得到电子带负电，因此，就在接点产生了电位差，这个电位差将阻碍金属A中的自由电子继续向金属B扩散，直到金属A和金属B的自由电子数目相等，这时达到动态平衡状态，这个动态平衡状态，只是暂时的、相对的、有条件的，一旦温度改变，原来的平衡状态将被破坏，从而金属A和金属B的自由电子数目发生变化，产生新的电位差，即电动势，直到新的平衡状态出现，这个电动势就是珀尔帖电势。

根据物理学理论推导，珀尔帖电势的大小可用下式求得：

ＡB(T)=(KT/e)In(NＡ,T/NB,T) (1—7)

K——玻耳兹曼常数

T——接点处的热力学温度，K；

e——电子的电荷量；

NＡ，T，NB，T——分别为金属A、B在温度T是的自由电子密度

由式1—8得，接点处珀尔帖电势的大小与接点温度和热电极的自由电子密度有关，即温度越高，珀尔帖电势越大，热电极的自由电子密度相差越大，珀尔帖电势也越大。因为A和B的顺序代表珀尔帖电势的方向，那么，如果顺序改变，则电势的正负号也应改变。 热电偶回路中两接点珀尔帖电势的代数和为：

ＡB(T)- ＡB(T0)= (KT/e)In(NＡ,T/NB,T) -(KT/e)In(NＡ,T0/NB,T0)

=（K/e） d[T In(NＡ,T/NB,T)]

= （K/e） [In(NＡ,T/NB,T)]dT (K/e) T d[In(NＡ,T/NB,T)]

=（K/e） {[In(NＡ,T/NB,T)]dT T d[In(NＡ,T/NB,T)]} (1—9)

三、汤姆逊效应和汤姆逊电势

在1851年，英国物理学家汤姆逊在实验中发现“在同一金属材料中，随着电流的方向不同（从金属热端到冷端或从金属冷端到热端），所产生的热效应也不同。”他将应用到了热电偶的回路中，他推论，如果电流只产生与可逆的珀尔帖热效应，则实际的珀尔帖电势将等于塞贝克电势，并且和热电偶两接点的温差成线性比例关系。但实际上，热电偶回路的热电势对温度的变化率dE/dT并不等于常数，这与他的推论相矛盾，因此，汤姆逊推断珀尔帖电势不是热电偶回路的唯一电动势源。

而且对单导个体来说，只要把它置于一个纵向的温度剃度内，必定会产生电动势。当导体中有电流I流过时，导体中必然有热源dQ存在，否则，就不能满足能量守恒定律。这一效应称为汤姆逊效应。

如图1—4所示，在单位体积的导体内，汤姆逊热的吸收量或放出量和温差dT及电流I的比例关系是：

dQ=σIdTdt (1—10)

dQ

T\ dT T\

I A

图1—4 汤姆逊效应

式中，汤姆逊把σ称为“电的比热容”，也称汤姆逊系数。它代表单位温差通过单位电流吸热或放热率，或称为单位温差的电动势，因此在一个导体中产生的总汤姆逊电势为： ET = σＡdT (1—11)

从式1—11可以看出，导体的汤姆逊电势的大小与温度的高低、温差的大小和导体材料的性质有关。

产生汤姆逊电势的原因可以用电子物理的理论来解释。如图1—5，均质导体A的两端温度分别为T和T0，且T>T0。对于同一种材料，温度高的自由电子密度大，温度低的自由电子密度小，则自由电子必然从高温向低温处扩散，因此，对导体的某一个薄层来说，高温端失去电子带正电，而低温端得到电子带负电，故在金属导体中的两端必然会产生电位差，这电位差就是汤姆逊电势。

同样根据物理学推论推导，汤姆逊系数为：

σ=[kd（NＡ,TT）]/(eNＡ,TdT) (1—12)

T T0

σdT

图1—5 汤姆逊电势

热电偶回路由A、B两导体组成，当两接点温度T>T0时，回路的汤姆逊电势等于导体A、B的汤姆逊电势的代数和：

EＡ-EB= σＡdT- σBdT

= (σＡ-σB)dT

= k/e{(1/NＡ,T) [d(NＡ,TT)/dT]-(1/NB,T) [d(NB,TT)/dT]}

= k/e [(T/NＡ,T)dNＡ,T-(T/NB,T)dNB,T]

= k/e Td[In(NＡ,T/NB,T)]

综上所述，热电偶是一种感温元件,它把温度信号转换成热电动势信号,通过电气仪表转换成被测介质的温度.热电偶测温的基本原理是两种不同成份的均质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过,此时两端之间就存在热电动势,这就是所谓的塞贝克效应。两种不同成份的均质导体为热电极,温度较高的一端为工作端,温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系 , 制成热电偶分度表;分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的,不同的热电偶具有不同的分度表。在热电偶回路中接入第三种金属材料时,只要该材料两个接点的温度相同,热电偶所产生的热电势将保持不变,即不受第三种金属接入回路中的影响。因此,在热电偶测温时,可接入测量仪表,测得热电动势后,即可知道被测介质的温度。