热电偶测温原理与热电动势的检测

热电偶及其测温原理(1)热电偶的测温原理是通过将材质不同的2种导体和半导体a、b与闭合电路连接而构成热电偶。 热电偶的测温原理是基于热电偶两端的温度不同，在热电偶的闭合回路中产生热电动势的热电效应，这种现象称为热电效应。 热电偶电路的热电动势如图2-15所示，由接触电动势和温差电动势两部分构成。

图中，接触电动势是通过两种不同材质的导体a、b接触时产生的电子扩散而形成的。 假设导体a中的自由电子的浓度比导体b中的自由电子的浓度大，则在开始接触的瞬间导体a向导体b扩散的电子的数量比导体b向导体a扩散的电子的数量多，因此导体a失去较多的电子而带正电荷，导体b带负电荷，其结果是，在接触面产生电场，该电场在导体b中 平衡时在a、b两个导体之间形成的电位差称为接触电动势，其大小与两个导体的材质和触点的温度有关。 温差电动势是由于同一导体根据两端的温度，电子具有不同的能量而产生的电位差。 由此可知，热电偶闭合电路中热电动势是接触电动势与温度差电动势之和，可以说

式中，式右边的前两项为接触电动势，后两项为温差电动势。 理论研究表明，由于温差电动势远小于接触电动势，热电动势通常以接触电动势为主，式(2-18 )可近似

由式(2-19 )可知，材质一定且冷端温度&； 在不变情况下，热端温度和热电动势为与一个值对应的逆函数关系、即

式(2-20 )表示只要测量热电动势的大小，被测量温度的高低就会决定，这是热电偶的测温原理。 根据上述分析，可以得出以下三个重要结论:①如果构成热电偶的电极材料相同，则无论热电偶冷还是热两端的温度如何，总热电动势都为零；②如果热电偶冷，热两端的温度相同，则与电极材料无关，总热电动势也为零 也就是说，由不同电极材质构成的热电偶在相同温度下产生的热电动势不同。 (2)在热电动势的检测和第三导体法则的实际使用中，为了检测热电动势，如图2-16所示，需要在热电偶电路上连接测量器和引线(简单的第三导体)。

连接第三导体后，是否对热电偶的热电动势有影响？ 根据图2-16，连接第三导体后的热电偶电路中的总热电动势

由式(2-23 )可知，在热电偶电路上连接第三导体的情况下，如果第三导体的两个接点温度相同，则电路中的热电动势的值不变，热电偶的性质被称为第三导体法则。 第三导体定律在实际应用中具有重要意义。 由此，热电偶所需的测量仪器和导线可以放心插入，如果使两个触点的温度相同，就可以不影响热电偶的输出地测量热电动势。 (3)冷伸长率和等价交换原理也从热电偶的测温原理得知，只有在热电偶的冷温度不变化的情况下，热电动势与被测温度有一定的对应关系。 由于制作热电偶的热电材料价格昂贵，因此不能使热电偶的电极长时间工作，其结果是，冷端温度受被测温度的影响不会发生很大变化。 为了使冷端远离热端，工程中专用的&ldquo； 补偿导线&rdquo； 连接热电偶的冷端子，冷端子不影响热电偶的热电动势，延长到温度比较稳定的环境。 这样的理论依据是&ldquo； 等价置换&rdquo； 原理、分析如下。

如图2~图17所示，图b全部是由贵金属材料a、b构成热电偶，图a是由补偿导线c、d和贵金属材料a、b制成的热电偶，如果满足图a，则热电路的总热电动势为

所以有

根据式(2-24 )，满足EAB(tc，to)=ECD(tc，to ) & ldquo； 补偿导线&rdquo； 所谓&ldquo，代替热电极，伸长冷端，不改变热电偶的热电动势； 等价置换&rdquo； 原理。 补偿导线由性质不同的2根廉价的金属线构成，一般为0 ~100℃； 在温度范围内，要求与所连接的热电偶大致相同的热电性能，补偿导线的连接如图2-18所示。

选择补偿导线使用时，请注意符合热电偶的型号，不要弄错极性。 (4)标准热电偶及其补偿导线常用的热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两类。 标准热电偶是以国家标准规定热电动势和温度的关系、允许误差，统一了标准形式(称为指数编号)的热电偶。 非标准热电偶是特殊情况下使用的热电偶，没有统一的标准。 遵循的IEC国际标准，我国设计了统一标准化的热电偶，其中一部分如表2-3所示。

①热电偶材料中，前者表示正极，后者表示负极。 ②补偿导线形式的*文字表示对方的热电偶形式的第2个文字&ldquo； c&rdquo； 表示补偿型补偿导线，&ldquo； x&rdquo； 表示延伸类型的补偿导线，即补偿导线的材料与热电偶的材料相同。 ③铂铑10表示铂为90%，铑为10%，以下相同。