熱電偶工作原理

1、背景資料背景資料實驗儀器實驗儀器實驗內(nèi)容實驗內(nèi)容數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理1熱電偶與溫差電效應(yīng)熱電偶與溫差電效應(yīng) 若將若將A、B兩根不同的金屬或合金絲的端點互相連接兩根不同的金屬或合金絲的端點互相連接(接點焊接或熔接接點焊接或熔接)成為一閉合回路，并使兩接點處于不成為一閉合回路，并使兩接點處于不同溫度如圖同溫度如圖1所示，則由于溫差電效應(yīng)，回路中將產(chǎn)生所示，則由于溫差電效應(yīng)，回路中將產(chǎn)生電動勢，稱為溫差電動勢。這種閉合回路稱為熱電偶。電動勢，稱為溫差電動勢。這種閉合回路稱為熱電偶。1T1T圖1 接觸電勢差原理圖+AB2T熱電偶回路中產(chǎn)生的溫差電動勢是由佩爾捷電動勢和湯姆遜電動勢聯(lián)合組成的熱電偶回路中產(chǎn)生

2、的溫差電動勢是由佩爾捷電動勢和湯姆遜電動勢聯(lián)合組成的BAABnnttekEln)(12佩爾捷電動勢：佩爾捷電動勢：在兩種金屬的結(jié)點處，由于電子擴(kuò)散的結(jié)果而產(chǎn)生接觸電勢差，在兩種金屬的結(jié)點處，由于電子擴(kuò)散的結(jié)果而產(chǎn)生接觸電勢差，其熱端和冷端的總接觸電勢差為：其熱端和冷端的總接觸電勢差為：21ttBAABdtE湯姆遜電動勢湯姆遜電動勢 ：同一導(dǎo)體的兩端溫度不同而產(chǎn)生電勢差，在熱電偶回路中，兩種金同一導(dǎo)體的兩端溫度不同而產(chǎn)生電勢差，在熱電偶回路中，兩種金屬總的湯姆遜電動勢電勢為：屬總的湯姆遜電動勢電勢為： 12121221ln,tftfdtnnttekEEttEttBABAABABAB熱電偶產(chǎn)生的熱

3、電勢是由兩種導(dǎo)體的總接觸電勢和總湯姆遜電勢所組成，即：熱電偶產(chǎn)生的熱電勢是由兩種導(dǎo)體的總接觸電勢和總湯姆遜電勢所組成，即： 背景資料背景資料實驗儀器實驗儀器實驗內(nèi)容實驗內(nèi)容數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理 因此，熱電偶回路中溫差電動勢的大小除了和組成電偶的材料有關(guān)，因此，熱電偶回路中溫差電動勢的大小除了和組成電偶的材料有關(guān)，還決定于兩接觸點的溫度差，當(dāng)制作電偶的材料確定后，溫差電動勢的還決定于兩接觸點的溫度差，當(dāng)制作電偶的材料確定后，溫差電動勢的大小就只決定于兩個接觸點的溫度差，一般說，電動勢和溫差的關(guān)系非大小就只決定于兩個接觸點的溫度差，一般說，電動勢和溫差的關(guān)系非常復(fù)雜，若取二級近似，可表為如下形式常復(fù)雜

4、，若取二級近似，可表為如下形式21212ttdttCEAB2t式中，式中， 為熱端溫度；為熱端溫度； 是冷端溫度；而是冷端溫度；而 、 是電偶常數(shù)，它們的是電偶常數(shù)，它們的大小僅決定于組成電偶的材料。粗略測量時，可取一級近似大小僅決定于組成電偶的材料。粗略測量時，可取一級近似1tCd12ttCEAB 稱為溫差電系數(shù)（或電偶常數(shù)），它只與兩種金屬的性質(zhì)有關(guān)，稱為溫差電系數(shù)（或電偶常數(shù)），它只與兩種金屬的性質(zhì)有關(guān)，在數(shù)值上等于兩接觸點溫度差為在數(shù)值上等于兩接觸點溫度差為1時所產(chǎn)生的溫差電動勢，單位為時所產(chǎn)生的溫差電動勢，單位為毫伏毫伏/度。度。 C背景資料背景資料實驗儀器實驗儀器實驗內(nèi)容實驗內(nèi)容數(shù)

5、據(jù)處理數(shù)據(jù)處理2熱電偶測溫原理和定標(biāo)熱電偶測溫原理和定標(biāo)溫差電偶與測量儀器有兩種連接方式如圖溫差電偶與測量儀器有兩種連接方式如圖2所示。所示。 MAB工作端自由端1t2t（a）圖2MAABB工作端自由端（b）1t2t 參考溫度可以是水的三相點（參考溫度可以是水的三相點（273.16 K），液氮（），液氮（LN）的沸點）的沸點（77.35 K），或液氦（），或液氦（LHe）的沸點（）的沸點（4.2 K）等。如果熱電偶工作端與）等。如果熱電偶工作端與參考端的溫度不等，則有溫差電動勢產(chǎn)生。溫差電勢的大小只與工作端與參考端的溫度不等，則有溫差電動勢產(chǎn)生。溫差電勢的大小只與工作端與參考端的溫差及電極材料

6、有關(guān)，與電極的長度，直徑無關(guān)。用電位差計測參考端的溫差及電極材料有關(guān)，與電極的長度，直徑無關(guān)。用電位差計測出電偶回路的電動勢，如果該電偶的電動勢與溫差之間的關(guān)系事先已標(biāo)定出電偶回路的電動勢，如果該電偶的電動勢與溫差之間的關(guān)系事先已標(biāo)定好，根據(jù)已知的曲線，就可以得出待測溫度。好，根據(jù)已知的曲線，就可以得出待測溫度。背景資料背景資料實驗儀器實驗儀器實驗內(nèi)容實驗內(nèi)容數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理為了測定溫差電動勢，需在閉合回路中接入測量儀表，如圖為了測定溫差電動勢，需在閉合回路中接入測量儀表，如圖3所示，這相當(dāng)于把第三種金屬（如電位差計的電阻絲）串入回所示，這相當(dāng)于把第三種金屬（如電位差計的電阻絲）串入回路。理論

7、上可以證明，在路。理論上可以證明，在A、B兩種金屬之間插入任何一種金兩種金屬之間插入任何一種金屬屬C，只要維持它和，只要維持它和A、B的聯(lián)接點在同一個溫度，這個閉合電的聯(lián)接點在同一個溫度，這個閉合電路中的溫差電動勢總是和由路中的溫差電動勢總是和由A、B兩種金屬組成的溫差熱電偶兩種金屬組成的溫差熱電偶中的溫差電動勢一樣。這一性質(zhì)在實際應(yīng)用中是很重要的，圖中的溫差電動勢一樣。這一性質(zhì)在實際應(yīng)用中是很重要的，圖3所示為常用的測溫線路，即用銅絲所示為常用的測溫線路，即用銅絲C將溫差電動勢接送電位差將溫差電動勢接送電位差計是常見的用法。計是常見的用法。 注：注：ABCC電位差計圖31t1t2t背景資料背

8、景資料實驗儀器實驗儀器實驗內(nèi)容實驗內(nèi)容數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理溫差電偶測量溫度的優(yōu)點：溫差電偶測量溫度的優(yōu)點： 測量范圍廣：可以從測量范圍廣：可以從4.2K(268.950C)的深低溫直至的深低溫直至28000C的的高溫。如液態(tài)空氣的低溫或煉鋼爐溫高溫。如液態(tài)空氣的低溫或煉鋼爐溫(2000)。 測量精度高：因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。測量精度高：因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。靈敏度和準(zhǔn)確度高靈敏度和準(zhǔn)確度高(可達(dá)可達(dá)103度度)，特別是鉑姥，特別是鉑姥鉑熱電偶。鉑熱電偶。 受熱面積和熱容量可做得很小，如研究金相變化、小生物體溫變化，受熱面積和熱容量可做得很小，如研

9、究金相變化、小生物體溫變化，水銀溫度計則難于可比。水銀溫度計則難于可比。 構(gòu)造簡單，使用方便：熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而構(gòu)造簡單，使用方便：熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來非常方便。且不受大小和開頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來非常方便。 由于熱電偶測溫是將溫度測量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的測量，因而非常適用由于熱電偶測溫是將溫度測量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的測量，因而非常適用于自動調(diào)溫和控溫系統(tǒng)。于自動調(diào)溫和控溫系統(tǒng)。背景資料背景資料實驗儀器實驗儀器實驗內(nèi)容實驗內(nèi)容數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理 定標(biāo)：定標(biāo)： 所謂定標(biāo)就是設(shè)法確定溫差電勢的大小與溫度差的對應(yīng)關(guān)所謂定標(biāo)就

10、是設(shè)法確定溫差電勢的大小與溫度差的對應(yīng)關(guān)系。定標(biāo)方法有二種：一種是固定點法，即利用純物質(zhì)在一系。定標(biāo)方法有二種：一種是固定點法，即利用純物質(zhì)在一定的氣壓下，把它們的熔點或沸點作為已知溫度定的氣壓下，把它們的熔點或沸點作為已知溫度(例如，水的例如，水的沸點，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下為沸點，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下為100 ；錫的熔點為；錫的熔點為2318；鋅；鋅的熔點為的熔點為4198)，測出溫差電偶在這些溫度下對應(yīng)的電，測出溫差電偶在這些溫度下對應(yīng)的電動勢，從而得出動勢，從而得出 關(guān)系曲線。固定點法的優(yōu)點是標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系曲線。固定點法的優(yōu)點是標(biāo)準(zhǔn)的溫度準(zhǔn)確、穩(wěn)定，但合適的純物質(zhì)為數(shù)不多，可校準(zhǔn)的溫度溫度準(zhǔn)確、穩(wěn)定，但合適

11、的純物質(zhì)為數(shù)不多，可校準(zhǔn)的溫度點數(shù)較少。點數(shù)較少。 另一種是比較法，即利用另一種是比較法，即利用標(biāo)準(zhǔn)電偶與未知電偶測量同一標(biāo)準(zhǔn)電偶與未知電偶測量同一溫度，標(biāo)準(zhǔn)電偶的數(shù)據(jù)既然已知，未知電偶即被校準(zhǔn)。此法溫度，標(biāo)準(zhǔn)電偶的數(shù)據(jù)既然已知，未知電偶即被校準(zhǔn)。此法簡單、迅速，但準(zhǔn)確度受標(biāo)準(zhǔn)溫差熱電偶或溫度計準(zhǔn)確度的簡單、迅速，但準(zhǔn)確度受標(biāo)準(zhǔn)溫差熱電偶或溫度計準(zhǔn)確度的限制。限制。 tE背景資料背景資料實驗原理實驗原理實驗內(nèi)容實驗內(nèi)容數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理 背景資料背景資料實驗原理實驗原理實驗儀器實驗儀器數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理一、利用實驗室給定的儀器設(shè)備，采用比較法對由銅康銅組成的一、利用實驗室給定的儀器設(shè)備，采用比較法

12、對由銅康銅組成的“熱熱電偶溫度計電偶溫度計”定標(biāo)；定標(biāo)； 二、用定好標(biāo)的二、用定好標(biāo)的“熱電偶溫度計熱電偶溫度計”測量水沸騰時的溫度。測量水沸騰時的溫度。 注意事項：注意事項：1、熱電偶對溫度有很強(qiáng)的敏感性，對于康銅熱電偶，溫度每改變、熱電偶對溫度有很強(qiáng)的敏感性，對于康銅熱電偶，溫度每改變10 ，溫差電動勢約變化，溫差電動勢約變化40v，在實際測量時，應(yīng)使電位差計與，在實際測量時，應(yīng)使電位差計與待測物體隔開一定距離，以保持與兩銅引線相接的儀器的兩黃銅接待測物體隔開一定距離，以保持與兩銅引線相接的儀器的兩黃銅接線柱處的溫度相同，可避免兩接點因溫度有差異而產(chǎn)生附加的溫差線柱處的溫度相同，可避免兩接

13、點因溫度有差異而產(chǎn)生附加的溫差電動勢。電動勢。2、在升溫過程中，應(yīng)盡可能慢些，以保證溫度計與溫差電偶所測的、在升溫過程中，應(yīng)盡可能慢些，以保證溫度計與溫差電偶所測的溫度是相同的。若用電位差計測熱電動勢、電位差計應(yīng)跟蹤電動勢溫度是相同的。若用電位差計測熱電動勢、電位差計應(yīng)跟蹤電動勢變化，始終使電位差計指針在平衡點附近，以求電動勢讀數(shù)盡可能變化，始終使電位差計指針在平衡點附近，以求電動勢讀數(shù)盡可能與溫度計讀數(shù)處于相同時刻。與溫度計讀數(shù)處于相同時刻。背景資料背景資料實驗原理實驗原理實驗儀器實驗儀器實驗內(nèi)容實驗內(nèi)容1作圖法作圖法根據(jù)所測量數(shù)據(jù)，以溫差根據(jù)所測量數(shù)據(jù)，以溫差 為橫坐標(biāo)，溫差電動勢為橫坐標(biāo)，溫差電動勢 為縱坐為縱坐標(biāo)，在坐標(biāo)紙上畫出定標(biāo)曲線（即標(biāo)，在坐標(biāo)紙上畫出定標(biāo)曲線（即 曲線），并由此求電曲線），并由此求電偶常數(shù)偶常數(shù)C和水的沸點溫度和水的沸點溫度t。 tEtE2最小二乘法最小二乘法根據(jù)所測量數(shù)據(jù)，用最小二乘法求其線性回歸方程，由此計根據(jù)所測量數(shù)據(jù)，用最小二乘法求其線性回歸方程，由此計算出電偶常數(shù)算出電偶常數(shù)C及標(biāo)準(zhǔn)差。及標(biāo)準(zhǔn)差。 在熱電偶