文章詳情
熱電偶測溫
日期：2025-04-05 03:22
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摘要：
熱電偶測溫的基本原理
（一）熱電偶的熱電效應
熱電偶作為溫度傳感器所依據(jù)的原理，是1823年塞貝克發(fā)現(xiàn)的熱電效應。當兩種不同的導體或半導體A和B的兩端相接成閉合回路，就組成熱電偶。如果A和B的兩個接點溫度不同（假定
），則在該回路中就會產(chǎn)生電流，這表
明了該回路中存在電動勢，這個物理現(xiàn)象稱為熱電效應或塞貝克效應，相應的電動勢稱為塞貝克電勢。顯然，回路中產(chǎn)生的熱電勢大小僅與組成回路的兩種導體或半導體A、B的材料性質(zhì)及兩個接點的溫度
有關(guān)，熱電勢用符號 表示。 （二）熱電偶工作原理
組成熱電偶的兩種不同的導體或半導體稱為熱電極；放置在被測溫度為
的介質(zhì)中的接點叫做測量端（或工作端、熱端）；另一個接點通常置于某個恒定的溫度 （如0℃），叫做參比端（或自由端、冷端）。
在熱電偶回路中，產(chǎn)生的熱電勢由兩部分組成，即溫差電勢和接觸電勢。 1.溫差電勢
溫差電勢是同一導體兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電勢。由物理學電子論的觀點可知，當一根均質(zhì)金屬導體A上存在溫度梯度時，處于高溫端的電子能量比低溫端的電子能量大，所以，從高溫端向低溫端擴散
的電子數(shù)比從低溫端向高溫端擴散的電子數(shù)多得多，結(jié)果高溫端因失去電子而帶正電，低溫端因得到電子而帶負電，在高、低溫兩端之間便形成一個從高溫端指向低溫端的靜電場
，這個靜電場將阻止電子進一步從高溫端向低溫端擴散，并加速電子向相反的方向轉(zhuǎn)移而建立相對的動態(tài)平衡。此時，在導體兩端產(chǎn)生的電位差稱為溫差電勢，用符號
表示導體A在其兩端溫度分別為 和 時的溫差電勢，括號中溫度 和
的順序決定了電勢的方向，若改變這一順序，也要相應改變電勢的正負號，即 。 溫差電勢 可用下式表示：
（6-1） 同理，導體B在其兩端溫度為 和
時產(chǎn)生的溫差電勢 寫為： （6-2） 式中： 和
-----導體A和B在兩端溫度分別為 和 時的溫差電勢； e-----電子電荷量，e=1.602×10-19
C； -----波爾茲曼常數(shù)， ，J/K； 和 -----導體A和B的電子密度，均為溫度的函數(shù)。
上述兩式表明溫差電勢的大小只與導體的種類及導體兩端溫度 和 有關(guān)。 2.接觸電勢
接觸電勢是在兩種不同的導體相接觸處產(chǎn)生的一種熱電勢。由物理學電子論的觀
點知道，任何金屬內(nèi)部由于電子與晶格內(nèi)正電荷間的相互作用，使得電子在通常溫度下只作不規(guī)則的熱運動，而不會從金屬中掙脫出來。要想從金屬中取出電子就必須消耗一定的功，這個功稱為金屬的逸出功。當兩種不同的金屬導體A、B連接在一起時，其接觸處將會發(fā)生自由電子擴散的現(xiàn)象，其原因之一是兩種金屬的逸出功不同。假如金屬導體A的逸出功比B的小，電子就比較容易從金屬A轉(zhuǎn)移到金屬B；另一原因是兩種金屬導體的自由電子密度略有不同，假如金屬導體A的自由電子密度比B的自由電子密度大，在單位時間內(nèi)由金屬A擴散到金屬B的電子數(shù)就要比由金屬B擴散到金屬A的電子數(shù)多。在上述情況下，金屬A將因失去電子而帶正電，金屬B則因得到電子而帶負電。于是在金屬導體A、B之間就產(chǎn)生了電位差，即在其接觸處形成一個由A到B的靜電場
，如圖6.3所示。這個靜電場將阻止電子擴散的繼續(xù)進行，并加速電子向相反的方向轉(zhuǎn)移。當電子擴散的能力與靜電場的阻力相平衡時，接觸處的自由電子擴散就達到了動平衡狀態(tài)。此時A、B之間所形成的電位差稱為接觸電勢，其數(shù)值不僅取決于兩種不同金屬導體的性質(zhì)，還和接觸處的溫度有關(guān)。用符號
表示金屬導體A和B的接觸點在溫度為
時的接觸電勢，其腳注AB的順序代表電位差的方向，如果改變腳注順序，電勢的正負符號也應改變，即 。 接觸電勢
可用下式表示： （6-3）
同理，導體A和B的接觸點溫度為 時的接觸電勢 可表示為：
（6-4） 式中： 和 -----金屬導體A和B接觸點的溫度，K； 和
-----金屬導體A和B在溫度為 時的電子密度； 和 -----金屬導體A和B在溫度為 時的電子密度。
上述兩式表明，接觸電勢的大小與兩種導體的種類及接觸處的溫度有關(guān)。 3.熱電偶回路的熱電勢
綜上所述，當兩種不同的均質(zhì)導體A和B首尾相接組成閉合回路時，如果 ，而且 ，則在這個回路內(nèi)，將會產(chǎn)生兩個接觸電勢 、
和兩個溫差電勢 、 ，熱電偶回路的熱電勢 為：
（6-5）
將式（6-5）整理后可得：
（6-6） 由于溫差電勢比接觸電勢小，而又有 ，所以在總電勢 中，以導體A、B在 端的接觸電勢
所占的比例*大，總電勢 的方向?qū)⑷Q于 的方向。在熱電偶的回路中，因 ，所以導體A為正極，B為負極。
式（6-6）表明，熱電勢的大小取決于熱電偶兩個熱電極材料的性質(zhì)和兩端接點的溫度。因此，當熱電極的材料一定時，熱電偶的總電勢
就僅是兩個接點溫度 和 的函數(shù)差，可用下式表示為： （6-7） 如果能保持熱電偶的冷端溫度
恒定，對一定的熱電偶材料，則 亦為常數(shù)，可用C代替，其熱電勢就只與熱電偶測量端的溫度 成單值函數(shù)關(guān)系，即
（6-8）
這一關(guān)系式可通過實驗方法獲得。在實際測溫中，就是保持熱電偶冷端溫度 為恒定的已知溫度，再用顯示儀表測出熱電勢
，而間接地求得熱電偶測量端的溫度，即為被測的溫度 。
通常，熱電偶的熱電勢與溫度的關(guān)系，都是規(guī)定熱電偶冷端溫度為0℃時，按熱電偶的不同種類，分別列成表格形式，這些表格就稱為熱電偶的分度表。
（一）熱電偶的熱電效應
熱電偶作為溫度傳感器所依據(jù)的原理，是1823年塞貝克發(fā)現(xiàn)的熱電效應。當兩種不同的導體或半導體A和B的兩端相接成閉合回路，就組成熱電偶。如果A和B的兩個接點溫度不同（假定
），則在該回路中就會產(chǎn)生電流，這表
明了該回路中存在電動勢，這個物理現(xiàn)象稱為熱電效應或塞貝克效應，相應的電動勢稱為塞貝克電勢。顯然，回路中產(chǎn)生的熱電勢大小僅與組成回路的兩種導體或半導體A、B的材料性質(zhì)及兩個接點的溫度
有關(guān)，熱電勢用符號 表示。 （二）熱電偶工作原理
組成熱電偶的兩種不同的導體或半導體稱為熱電極；放置在被測溫度為
的介質(zhì)中的接點叫做測量端（或工作端、熱端）；另一個接點通常置于某個恒定的溫度 （如0℃），叫做參比端（或自由端、冷端）。
在熱電偶回路中，產(chǎn)生的熱電勢由兩部分組成，即溫差電勢和接觸電勢。 1.溫差電勢
溫差電勢是同一導體兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電勢。由物理學電子論的觀點可知，當一根均質(zhì)金屬導體A上存在溫度梯度時，處于高溫端的電子能量比低溫端的電子能量大，所以，從高溫端向低溫端擴散
的電子數(shù)比從低溫端向高溫端擴散的電子數(shù)多得多，結(jié)果高溫端因失去電子而帶正電，低溫端因得到電子而帶負電，在高、低溫兩端之間便形成一個從高溫端指向低溫端的靜電場
，這個靜電場將阻止電子進一步從高溫端向低溫端擴散，并加速電子向相反的方向轉(zhuǎn)移而建立相對的動態(tài)平衡。此時，在導體兩端產(chǎn)生的電位差稱為溫差電勢，用符號
表示導體A在其兩端溫度分別為 和 時的溫差電勢，括號中溫度 和
的順序決定了電勢的方向，若改變這一順序，也要相應改變電勢的正負號，即 。 溫差電勢 可用下式表示：
（6-1） 同理，導體B在其兩端溫度為 和
時產(chǎn)生的溫差電勢 寫為： （6-2） 式中： 和
-----導體A和B在兩端溫度分別為 和 時的溫差電勢； e-----電子電荷量，e=1.602×10-19
C； -----波爾茲曼常數(shù)， ，J/K； 和 -----導體A和B的電子密度，均為溫度的函數(shù)。
上述兩式表明溫差電勢的大小只與導體的種類及導體兩端溫度 和 有關(guān)。 2.接觸電勢
接觸電勢是在兩種不同的導體相接觸處產(chǎn)生的一種熱電勢。由物理學電子論的觀
點知道，任何金屬內(nèi)部由于電子與晶格內(nèi)正電荷間的相互作用，使得電子在通常溫度下只作不規(guī)則的熱運動，而不會從金屬中掙脫出來。要想從金屬中取出電子就必須消耗一定的功，這個功稱為金屬的逸出功。當兩種不同的金屬導體A、B連接在一起時，其接觸處將會發(fā)生自由電子擴散的現(xiàn)象，其原因之一是兩種金屬的逸出功不同。假如金屬導體A的逸出功比B的小，電子就比較容易從金屬A轉(zhuǎn)移到金屬B；另一原因是兩種金屬導體的自由電子密度略有不同，假如金屬導體A的自由電子密度比B的自由電子密度大，在單位時間內(nèi)由金屬A擴散到金屬B的電子數(shù)就要比由金屬B擴散到金屬A的電子數(shù)多。在上述情況下，金屬A將因失去電子而帶正電，金屬B則因得到電子而帶負電。于是在金屬導體A、B之間就產(chǎn)生了電位差，即在其接觸處形成一個由A到B的靜電場
，如圖6.3所示。這個靜電場將阻止電子擴散的繼續(xù)進行，并加速電子向相反的方向轉(zhuǎn)移。當電子擴散的能力與靜電場的阻力相平衡時，接觸處的自由電子擴散就達到了動平衡狀態(tài)。此時A、B之間所形成的電位差稱為接觸電勢，其數(shù)值不僅取決于兩種不同金屬導體的性質(zhì)，還和接觸處的溫度有關(guān)。用符號
表示金屬導體A和B的接觸點在溫度為
時的接觸電勢，其腳注AB的順序代表電位差的方向，如果改變腳注順序，電勢的正負符號也應改變，即 。 接觸電勢
可用下式表示： （6-3）
同理，導體A和B的接觸點溫度為 時的接觸電勢 可表示為：
（6-4） 式中： 和 -----金屬導體A和B接觸點的溫度，K； 和
-----金屬導體A和B在溫度為 時的電子密度； 和 -----金屬導體A和B在溫度為 時的電子密度。
上述兩式表明，接觸電勢的大小與兩種導體的種類及接觸處的溫度有關(guān)。 3.熱電偶回路的熱電勢
綜上所述，當兩種不同的均質(zhì)導體A和B首尾相接組成閉合回路時，如果 ，而且 ，則在這個回路內(nèi)，將會產(chǎn)生兩個接觸電勢 、
和兩個溫差電勢 、 ，熱電偶回路的熱電勢 為：
（6-5）
將式（6-5）整理后可得：
（6-6） 由于溫差電勢比接觸電勢小，而又有 ，所以在總電勢 中，以導體A、B在 端的接觸電勢
所占的比例*大，總電勢 的方向?qū)⑷Q于 的方向。在熱電偶的回路中，因 ，所以導體A為正極，B為負極。
式（6-6）表明，熱電勢的大小取決于熱電偶兩個熱電極材料的性質(zhì)和兩端接點的溫度。因此，當熱電極的材料一定時，熱電偶的總電勢
就僅是兩個接點溫度 和 的函數(shù)差，可用下式表示為： （6-7） 如果能保持熱電偶的冷端溫度
恒定，對一定的熱電偶材料，則 亦為常數(shù)，可用C代替，其熱電勢就只與熱電偶測量端的溫度 成單值函數(shù)關(guān)系，即
（6-8）
這一關(guān)系式可通過實驗方法獲得。在實際測溫中，就是保持熱電偶冷端溫度 為恒定的已知溫度，再用顯示儀表測出熱電勢
，而間接地求得熱電偶測量端的溫度，即為被測的溫度 。
通常，熱電偶的熱電勢與溫度的關(guān)系，都是規(guī)定熱電偶冷端溫度為0℃時，按熱電偶的不同種類，分別列成表格形式，這些表格就稱為熱電偶的分度表。
